面向鐘表制造業(yè)的RE/RP/CAM集成技術(shù)應(yīng)用

葉 凱

YE Kai

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，漳州 363000)

0 引言

隨著市場產(chǎn)品的日益豐富，消費者對鐘表產(chǎn)品的要求不斷提高，要求產(chǎn)品造型美觀、功能齊全、交貨時間短，面對市場的激烈競爭，制造企業(yè)需要一個從消費需求概念的產(chǎn)生到產(chǎn)品快速實現(xiàn)的設(shè)計技術(shù)平臺，以響應(yīng)市場的需求。

1 RE/RP/CAM技術(shù)集成的工作原理及流程

RE/RP/CAM技術(shù)集成，是指RE、RP、CAM技術(shù)的一體化應(yīng)用，是一種全新的設(shè)計和制造模式[1]。

RE為逆向工程技術(shù)的縮寫，就是利用3D數(shù)字化測量儀器對原始物理模型或樣品，準(zhǔn)確、快速測得其輪廓坐標(biāo)，進(jìn)行曲面重構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，通過CAD進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，生成數(shù)字化虛擬產(chǎn)品模型，再利用RP技術(shù)將虛擬模型通過3D打印生成產(chǎn)品物理模型，進(jìn)行功能驗證，最后應(yīng)用CAM技術(shù)加工出產(chǎn)品模具或批量加工產(chǎn)品[2]。

RE/RP/CAM技術(shù)集成應(yīng)用的工作流程如圖1所示。

圖1 工作流程圖

1.1 模型掃描及數(shù)據(jù)采集

該階段是通過測量設(shè)備和測量方法獲取模型表面離散點的幾何數(shù)據(jù)，將其幾何形狀數(shù)字化，具體做法就是將模型置于測量機的測量空間內(nèi)，通過三維掃描技術(shù)獲得原始點云數(shù)據(jù)，高效、高精度獲取模型的數(shù)字化信息是實現(xiàn)逆向工程的基礎(chǔ)，逆向建模的成功與否的關(guān)鍵在于三維掃描所獲得的點云數(shù)據(jù)[3]。

1.2 點云數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理決定了后續(xù)CAD建模過程能否方便、準(zhǔn)確進(jìn)行,所有的測量方式和測量系統(tǒng)都存在誤差，掃描階段采集的數(shù)據(jù)帶有很多雜點和嘈聲點，會影響到后續(xù)模型的重建，在三維數(shù)字建模之前，必須對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)處理工作方法有：數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、雜點剔除、數(shù)據(jù)降噪、點云的拼接、缺失補全、特征提取等，點云數(shù)據(jù)處理后可以建立特征網(wǎng)格模型；將網(wǎng)格化模型進(jìn)行擬合，生成多個封閉光滑的曲面，再通過拼接、過渡、裁剪、光順等編輯手段對這些曲面進(jìn)行處理，獲得完整光順的曲面模型。

1.3 三維數(shù)字建模

該階段是通過三維建模軟件對上述曲面進(jìn)一步修整、編輯，進(jìn)而得到與實物原件很接近的CAD模型數(shù)據(jù)，必要時還要對CAD進(jìn)行誤差分析和修正。

1.4 產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計

實物模型或樣件的曲面重構(gòu)完成后，進(jìn)入逆向工程再設(shè)計環(huán)節(jié)即產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計，該環(huán)節(jié)充分運用設(shè)計者的工程設(shè)計經(jīng)驗、知識，把正向設(shè)計和逆向工程有機結(jié)合起來進(jìn)行優(yōu)化再設(shè)計，設(shè)計者不僅要了解產(chǎn)品的幾何特征、數(shù)據(jù)特點、功能需求，還要了解快速成型、模具制作加工等后續(xù)應(yīng)用。

創(chuàng)新設(shè)計借鑒了逆向建模模型的某些幾何特征、結(jié)構(gòu)，融入了新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計的創(chuàng)新要求，是逆向工程的靈魂、核心。

1.5 物理模型的快速成生與驗證

借助3D打印技術(shù)可將產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的三維數(shù)字模型快速、精確、而又經(jīng)濟(jì)地生成可觸摸的物理模型，且其成型的工件形狀幾乎沒有限制,它比將三維幾何造型展示于二維屏幕或圖紙上具有更高的直觀性和啟示性，可以用打印出來的物理模型進(jìn)行產(chǎn)品形狀和尺寸評判、外觀評審、功能探討、裝配實驗、動態(tài)分析、用戶認(rèn)可,發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的錯誤或不足，以進(jìn)一步修正、優(yōu)化設(shè)計方案。

1.6 模具制造

當(dāng)創(chuàng)新設(shè)計方案確定后，可利用模具設(shè)計軟件進(jìn)行模具設(shè)計，獲得模具CAD模型，然后利用CAM，生成數(shù)控加工NC文件，在數(shù)控機床加工出模具。模具CAD模型完成后也可以直接輸入RP系統(tǒng)，得到快速模具；或者利用RP系統(tǒng)制得零件成型件作為母模，再用傳統(tǒng)的方法通過數(shù)次翻模得到快速模具。

完成模具制造后，即可投入產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。

2 RE/RP/CAM技術(shù)集成在鐘表產(chǎn)品研發(fā)中的意義

我國鐘表業(yè)已躋進(jìn)了世界鐘表生產(chǎn)和消費大國的行列,產(chǎn)品產(chǎn)量也位居世界前列,但卻并非鐘表強國。

目前外鐘表的發(fā)展趨勢已越來越脫離單純的計時功能，對外觀的審美要求與日俱進(jìn)，鐘表的設(shè)計核心不僅僅是表機芯等技術(shù)，表殼等外觀設(shè)計也十分重要，作為技術(shù)和藝術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，鐘表造型越來越傾向工業(yè)設(shè)計理念，外觀更加人性化、藝術(shù)化，禮品功能、裝飾功能日益凸現(xiàn)。設(shè)計人員要針對不同的市場需求，提煉消費者需求中的元素，組合成為不同的概念，再進(jìn)行針對性研發(fā)，進(jìn)而快速制造。然而由于鐘表工業(yè)的工業(yè)設(shè)計水平低,我國鐘表行業(yè)在國際市場同日本、瑞士的競爭處于劣勢，在國內(nèi)市場由于獨特的設(shè)計風(fēng)格，無法刺激消費者新的消費欲望[5]。

針對鐘表現(xiàn)狀，為使我國鐘表工業(yè)繼續(xù)得到健康發(fā)展，中國鐘表工業(yè)協(xié)會提出的今后技術(shù)政策要點中指出“加強外觀件的技術(shù)改造,研究開發(fā)外觀件生產(chǎn)的新技術(shù)、新工藝和新材料,提高鐘表產(chǎn)品的外觀檔次和質(zhì)量水平”。2013年底，首屆“中國（藍(lán)光杯）鐘表設(shè)計大賽”在“中國鐘表之城”福建省漳州市舉辦，獲獎的時鐘產(chǎn)品設(shè)計、時鐘概念作品讓人們感受到工業(yè)設(shè)計在提升鐘表外型中的魅力[6]。

漳州是中國乃至世界最大的石英鐘、石英鐘機芯生產(chǎn)基地，生產(chǎn)廠家超過一百家，大型企業(yè)有三十余家，從業(yè)人數(shù)近2萬人，產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)滞暾鸞7]。在對漳州鐘表行業(yè)的調(diào)研中，我們感到，設(shè)計人員在產(chǎn)品外觀設(shè)計時，已逐漸融入了工業(yè)設(shè)計的理念，但概念設(shè)計時技術(shù)手段落后，缺乏實現(xiàn)概念設(shè)計的技術(shù)平臺，進(jìn)而影響到設(shè)計概念轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實產(chǎn)品的進(jìn)程及效果。

鐘表產(chǎn)品的外觀通常是復(fù)雜的造型，設(shè)計師的創(chuàng)作靈感可來指某些工藝品、玩具、日常用品以及用戶的感官，從三維建模的角度看，這些造型通常是由復(fù)雜的自由曲面拼接而成，因此在概念設(shè)計階段難以用嚴(yán)密、統(tǒng)一的數(shù)學(xué)語言來描述。逆向工程技術(shù)(RE)可根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品模型，反向推出產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，利用3D打印機(RP)打印出實體模型，獲得客戶的認(rèn)可及功能驗證后，即可用數(shù)控機床加工出產(chǎn)品模具，從設(shè)計概念到產(chǎn)品生產(chǎn)，周期1-2天即可。可以看出，RE/RP/CAM技術(shù)集成為鐘表行業(yè)的工業(yè)設(shè)計提供了技術(shù)支撐。

3 RE/RP/CAM技術(shù)集成在鐘表制造業(yè)工業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用

本項目以汽車模型為原型，通過RE/RP/CAM集成技術(shù)，快速研制出帶時鐘顯示的紀(jì)念品。

3.1 汽車模型原型掃描

在三維掃描儀的轉(zhuǎn)盤上貼上標(biāo)志點，注意不能貼出等邊三角形和有規(guī)則的點。將汽車模型原型放置在轉(zhuǎn)動盤上，旋轉(zhuǎn)若干次，觀察采集樣本的點云是否完整，若不完整單獨掃描欠缺的部分使之完整，點云文件如圖2所示。將完整的點云數(shù)據(jù)保存成txt格式文件。

3.2 點云文件處理

通過Geomagic Studio軟件對導(dǎo)入的TXT點云文件進(jìn)行處理。首先手動除去大面積無關(guān)點云，例如轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的噪音點；用過斷開組件，去除體外孤點（若采集的點云較為準(zhǔn)確可降低體外孤點的敏感數(shù)值）；減少噪音；統(tǒng)一采樣，本模型體積較小曲面拐角較多所以采樣時點間距應(yīng)小于0.2mm左右；對達(dá)到理想的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝處理；對封裝完的三角形面片進(jìn)行去除特征，光順表面等等處理，對貼點的地方進(jìn)行去除特征處理；保存成STL格式，處理后的點云如圖3所示。

圖2 原型掃描

圖3 點云文件處理

3.3 逆向建模

通過軟件Geomagic Design X 2014進(jìn)行逆向建模。首選對導(dǎo)入的STL格式文件進(jìn)行領(lǐng)域組分析，對其領(lǐng)域進(jìn)行人性化的判斷修正；對齊坐標(biāo)系；通過3D面片草圖找出主要輪廓線并將其繪制出來，在3D面片草圖的基礎(chǔ)上繪制3D草圖得到曲率平緩光順的曲面，再通過放樣，面填充，掃描等曲面命令建出整體模型，最后對其曲率不理想的地方進(jìn)行修剪并填充，用igs保存其片體和草圖（如圖4所示）。

3.4 正向建模及創(chuàng)新設(shè)計

將得到的曲面片體記性縫合處理利用三維建模軟件中的檢查幾何體找出不能縫合的原因?qū)ζ溆浶孕扪a刪減；得到的實體進(jìn)行抽殼，對不能抽殼的面進(jìn)行備選厚度處理得到接近理想的殼體。

將正向建模的三維模型按比例放大到所需的尺寸，在小車模型前設(shè)計出安裝時鐘的位置，確定功能鍵的位置，對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新規(guī)劃，以便安放時鐘有關(guān)的元器件；對新產(chǎn)品模型進(jìn)行渲染添加環(huán)境等（如圖5所示）。

圖4 逆向建模

圖5 正向建模及創(chuàng)新設(shè)計

3.5 模型的3D打印與實物驗證

利用3D打印機打印出創(chuàng)新設(shè)計后的模型（如圖6所示），與相關(guān)元器件進(jìn)行裝配，進(jìn)行功能驗證，并獲得客戶認(rèn)可。

3.6 模具的設(shè)計與加工

根據(jù)驗證后的實物模型，利用CAD/CAM軟件對數(shù)字模型進(jìn)行分模，設(shè)計出注塑模具型芯和型腔（如圖7所示），生成數(shù)控加工程序，在加工中心加工出生產(chǎn)模具。

圖6 3D打印的實物模型

圖7 模具

至此，產(chǎn)品批量生產(chǎn)的條件就具備了。

4 結(jié)束語

RE/RP/CAM是先進(jìn)制造技術(shù)中重要組成部分，作為消化吸收先進(jìn)技術(shù)、設(shè)計理念和縮短產(chǎn)品設(shè)計和制造周期的重要手段[8]，其技術(shù)集成的應(yīng)用將引領(lǐng)鐘表制造業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

[1]蔡克中,鐘硯濤.現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中逆向工程技術(shù)的應(yīng)用[J].包裝工程,2006(3):156-158.

[2]翟秀云.逆向工程技術(shù)在模具設(shè)計制造中的應(yīng)用[J].煤礦機械,2013(12):109-110.

[3]劉曉宇.Pro/ENGINEER逆向工程設(shè)計完全解析[M].北京:鐵道出版社,2010.

[4]晁永生,樊軍.逆向工程與快速成型一體化應(yīng)用研究[J].機床與液壓,2008(4):279-281.

[5]劉建成.對鐘表創(chuàng)新設(shè)計的思考[J].鐘表,2008(4):126-128.

[6]劉惠蘭,張軍紅.中國鐘表以自主創(chuàng)新促產(chǎn)業(yè)升級[J].經(jīng)濟(jì),2014(2):98-99.

[7]郭瑜.漳州鐘表產(chǎn)業(yè)競爭力SWOT分析與發(fā)展策略[J].中國外資,2012(4):221-222.

[8]張志鳴.快速原型(RP)與逆向工程(E)并行技術(shù)平臺[J].模具工程,2010(1):79-81.