基于逆向工程與快速成型技術(shù)的產(chǎn)品改良設(shè)計(jì)*

諸進(jìn)才，胡艷娥，羅 武

（廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510430）

隨著當(dāng)前制造業(yè)的快速發(fā)展和用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品的要求不斷地提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代越來(lái)越快，這對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提出了更高的要求[1]。利用先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造理念和手段，對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行再設(shè)計(jì)以滿(mǎn)足用戶(hù)要求的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方法是縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期和降低產(chǎn)品研制開(kāi)發(fā)成本的一種可行方法[2-3]。本文作者以市場(chǎng)上流行的一款鞋油瓶蓋的改良設(shè)計(jì)流程為藍(lán)本，闡述基于逆向工程與快速成型技術(shù)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)應(yīng)用過(guò)程。

1 基于逆向工程的產(chǎn)品數(shù)字化建模流程

逆向工程（Reverse Engineering，RE）是將實(shí)物模型轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型的相關(guān)數(shù)字化測(cè)量技術(shù)、幾何模型重建技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱(chēng)[4]?；谀嫦蚬こ痰漠a(chǎn)品數(shù)字化建模就是根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品原型或?qū)嵨锬Ｐ?，反向推出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（包括設(shè)計(jì)圖紙或數(shù)字模型）的過(guò)程，是一個(gè)“從有到無(wú)”的過(guò)程[5]。

1.1 改良設(shè)計(jì)任務(wù)

一家專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)高級(jí)液體鞋油的公司所用的塑料油瓶外包給另一家塑膠模具公司。由于模具公司設(shè)計(jì)部電腦受到黑客攻擊導(dǎo)致所保存的原鞋油瓶的所有設(shè)計(jì)圖檔等數(shù)據(jù)全部丟失。前期有用戶(hù)在使用該款鞋油時(shí)反饋瓶蓋過(guò)于光滑，不易扭開(kāi)。經(jīng)過(guò)前期的市場(chǎng)調(diào)研，公司決定在現(xiàn)有瓶身的基礎(chǔ)上，重新優(yōu)化設(shè)計(jì)鞋油瓶蓋，推出一款新的鞋油產(chǎn)品。

1.2 原模型設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的獲取

要對(duì)原有鞋油瓶蓋進(jìn)行改良設(shè)計(jì)，首先必須獲取與之配合的原有鞋油瓶身的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。本文作者采用某公司的Win3DD單目三維掃描儀掃描鞋油瓶身。

（1）掃描儀標(biāo)定。在正式掃描之前必須先對(duì)掃描儀進(jìn)行標(biāo)定以保證掃描的精度，如圖1所示調(diào)整掃描距離，將標(biāo)定板放置在視場(chǎng)中央，通過(guò)調(diào)整硬件系統(tǒng)的高度以及俯仰角，使兩個(gè)十字叉盡可能重合[6]。將標(biāo)定板水平放置，調(diào)整掃描距離后點(diǎn)擊“標(biāo)定”。根據(jù)界面左上角的標(biāo)定指示直到完成標(biāo)定工作。

（2）標(biāo)志點(diǎn)粘貼。由于物品是空間曲面輪廓，不可能一次性?huà)呙柰戤叄虼诵枰诖龗呙栉矬w上貼上標(biāo)志點(diǎn)，借助標(biāo)志點(diǎn)將當(dāng)前掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與前一次掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，最終完成整個(gè)物品的數(shù)據(jù)拼接。標(biāo)志點(diǎn)要盡量貼在工件的平面區(qū)域或曲率較小的曲面，且距離工件邊界較遠(yuǎn)一些。標(biāo)志點(diǎn)不要貼在一條直線(xiàn)上，且一定避免對(duì)稱(chēng)粘貼。公共標(biāo)志點(diǎn)至少為4個(gè)，由于圖像質(zhì)量、拍攝角度等多方面原因，有些標(biāo)志點(diǎn)不能正確識(shí)別，因而用盡可能多的標(biāo)志點(diǎn)，一般5—7個(gè)為宜。粘貼的標(biāo)志點(diǎn)要保證掃描策略的順利實(shí)施，并使標(biāo)志點(diǎn)在長(zhǎng)度、寬度、高度方向均應(yīng)合理分布。鞋油瓶身粘貼的標(biāo)志點(diǎn)如圖2所示。

圖1 掃描儀定標(biāo)

圖2 瓶身標(biāo)志點(diǎn)粘貼情況

（3）掃描過(guò)程。點(diǎn)擊“新建工程”按鈕，選擇“拼接掃描”后確定，軟件上出現(xiàn)了待掃描物品，盡可能地將“十”字光標(biāo)對(duì)準(zhǔn)零件的幾何中心位置，然后點(diǎn)擊“單幀掃描”完成物品數(shù)據(jù)的第一次獲取，然后轉(zhuǎn)動(dòng)物品再次掃描，直到全部數(shù)據(jù)掃描完畢，得到如圖3所示的瓶身點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖3 掃描得到的瓶身點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖4 根據(jù)掃描結(jié)果還原的瓶身三角網(wǎng)絡(luò)模型

1.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)前處理

根據(jù)鞋油瓶身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇逆向工程點(diǎn)云處理軟件Geomagic Wrap對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)優(yōu)化處理。首先對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行優(yōu)化處理（去噪、去除體外孤點(diǎn)等），然后對(duì)其進(jìn)行“封裝”處理，得到由小三角面片組成的瓶身模型，再對(duì)小三角面片進(jìn)行優(yōu)化處理（如簡(jiǎn)化模型、去除表面特征、砂紙打磨等），得到一個(gè)跟原始瓶身相近的、表面較為光滑的瓶身模型（圖4）。

經(jīng)“封裝”處理得到的模型是表面全部由三角面片所組成的“殼體”模型，需另存為其他三維軟件都能識(shí)讀的中性格式數(shù)據(jù)文件，即STL格式文件。

1.4 產(chǎn)品CAD三維模型重構(gòu)

將前一步驟得到的瓶身三角網(wǎng)格模型導(dǎo)入三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)體化設(shè)計(jì)。首先，根據(jù)產(chǎn)品外形左右對(duì)稱(chēng)的特征，提取其三維特征，以瓶底為基準(zhǔn)建立3個(gè)相互垂直的基準(zhǔn)面（包括中間對(duì)稱(chēng)平面）。然后再結(jié)合關(guān)鍵點(diǎn)抽取、草繪樣條曲線(xiàn)、混合或邊界曲面、裁剪、鏡像、組合等命令，完成產(chǎn)品外觀(guān)曲面模型的重構(gòu)，如圖5所示。

由于該設(shè)計(jì)目的在于瓶蓋的改良設(shè)計(jì)，因此瓶身只要完成其外形曲面造型即可。

2 產(chǎn)品改良創(chuàng)新設(shè)計(jì)

根據(jù)客戶(hù)反饋的意見(jiàn)，此處需解決的關(guān)鍵問(wèn)題是瓶蓋的過(guò)于光滑導(dǎo)致不易擰開(kāi)。瓶身造型不作改動(dòng)，因此新設(shè)計(jì)的瓶蓋要保持與原瓶身的設(shè)計(jì)風(fēng)格一致。

圖5 根據(jù)掃描結(jié)構(gòu)還原的瓶身實(shí)體模型

圖6 瓶蓋改良設(shè)計(jì)效果

根據(jù)前述步驟已經(jīng)完成的瓶身曲面模型，應(yīng)用三維軟件設(shè)計(jì)與之配套的鞋油瓶蓋，根據(jù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案的可行性、合理性和零件的工藝性，使其擁有合理的產(chǎn)品料厚和裝配結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步完成瓶蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

首先考慮的是防滑設(shè)計(jì)，根據(jù)鞋油瓶嘴有一定的傾斜，一般拔開(kāi)的人都會(huì)往后向上傾斜45°拔開(kāi)，這樣摩擦力也會(huì)往后上傾斜45°，所以把防滑痕設(shè)計(jì)成斜向上45°微凸起彎月型，這樣既起到防滑作用，又美觀(guān)，如圖6所示；其次，考慮到大規(guī)模大批量生產(chǎn)時(shí)的模具脫模的要求，高度設(shè)計(jì)為0.15 mm；最后，考慮到瓶蓋的使用頻率較高，在設(shè)計(jì)時(shí)特意在開(kāi)口面處設(shè)計(jì)了3道加強(qiáng)筋以增強(qiáng)蓋子的抗變形能力，同時(shí)有效防止由于使用過(guò)多而導(dǎo)致蓋子損壞。

3 基于快速成型技術(shù)的產(chǎn)品快速制造

快速成型技術(shù)又稱(chēng)快速原型制造（Rapid Prototyping Manufacturing，RPM，俗稱(chēng)3D打印技術(shù)）技術(shù)，誕生于20世紀(jì)80年代后期，是基于材料堆積法的一種高新制造技術(shù)，被認(rèn)為是近20年來(lái)制造領(lǐng)域的一個(gè)重大成果[7]。它集機(jī)械工程、CAD、逆向工程技術(shù)、分層制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)、激光技術(shù)于一身，可以自動(dòng)、直接、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵?，從而為零件原型制作、新設(shè)計(jì)思想的校驗(yàn)等方面提供了一種高效低成本的實(shí)現(xiàn)手段[8]。快速成形技術(shù)是利用三維CAD的數(shù)據(jù)，通過(guò)快速成型機(jī)，將一層層的材料堆積成實(shí)體原型。

考慮到蓋子有3個(gè)面是密封面，如果開(kāi)口面朝下，蓋子里面必然會(huì)填滿(mǎn)了填充材料，并且在去除填充材料時(shí)有可能導(dǎo)致表面的一些小細(xì)節(jié)（如卡扣）損壞。如果是開(kāi)口面朝上，填充材料將大幅減少，卻可能造成外表面粗糙度增大，其可以通過(guò)打磨來(lái)消除。通過(guò)對(duì)比分析，決定采用開(kāi)口面朝上的方案，如圖7所示，打印出來(lái)的實(shí)物如圖8所示。經(jīng)測(cè)試，改良設(shè)計(jì)得到的瓶蓋能很好地完成與原有瓶身的配合，扭開(kāi)時(shí)不易打滑，整體裝配效果符合客戶(hù)的要求。

圖7 3D打印機(jī)導(dǎo)入設(shè)計(jì)模型

圖8 3D打印得到的創(chuàng)新設(shè)計(jì)的瓶蓋模型

4 結(jié)論

逆向工程不是簡(jiǎn)單地將原有物體還原，而是在還原的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次創(chuàng)新；3D打印技術(shù)也不只是快速地將模型打印出來(lái)，更多的是有思想的創(chuàng)造模型；逆向工程與3D打印技術(shù)的結(jié)合可以快速地還原物體原貌并快速制作出創(chuàng)新設(shè)計(jì)的實(shí)物模型，其二者的互補(bǔ)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域并取得了重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。