基于正、逆向工程結合的打蛋器支座設計研究

黃加福

（漳州職業技術學院 機械工程學院，福建 漳州363000）

0 引言

3D打印技術改變了傳統的材料制造模式[1]，有力推動了相關技術的發展。采用3D打印進行物件掃描，制造物件的相關配件，即為逆向工程技術，它在模具、汽車、航空、工業設計等領域得到了廣泛應用[1]，其具體的工作流程如圖1所示。

圖1 逆向工程的流程

本研究的打蛋器是手握式的電動打蛋器。由于在使用過程中，打蛋器本身及其配件儲藏不方便，本研究利用逆向工程技術設計和制造出一款用于放置打蛋器及配件的支座。其具體的流程為：1）獲取原打蛋器的點云數據；2）點云數據處理；3）打蛋器模型重構；4）打蛋器支座創新設計；5）3D打印樣機。

1 打蛋器的3D掃描

本研究采用白光拍攝原理的單目掃描儀，單幅掃描范圍為300 mm×210 mm×200 mm，該掃描儀的幅面適用于打蛋器的大小。掃描軟件界面及效果如圖2所示。

圖2 掃描系統的軟件界面

在掃描打蛋器前，需完成對掃描儀的標定，在工件上噴涂顯影劑，同時在合適位置上貼好標志點，通過調整相機高度、俯視角及掃描軟件的參數可以對工件開始掃描。在產品的掃描過程中，計算機根據三角法等[2-3]精確計算出每個像素對應物體表面的空間點坐標（即標志點）和紋理信息，經過不同幅面的點云進行自動拼接，從而達到獲得掃描物的三維點云數據。對于單目的3D掃描儀，大部分產品難于通過單次掃描而獲取產品的所有三維數據。因此，需通過移動工件或移動3D掃描儀進行多幅掃描，第一幅點云與第二幅點云通過公共的標志點進行拼接，通過對打蛋器有序地進行多幅掃描，從而獲取掃描件的全部數據。由于打蛋器需要正反面掃描，需通過在工件上粘貼過渡的標志點，如圖3所示。當翻轉成功后，再依次對左面進行有序掃描。

圖3 3D掃描原理

打蛋器掃描質量的好壞決定了后續的數字化建模質量。影響打蛋器掃描后點云數據精度的主要因素有：1）設備的精度[4]；2）周圍噪聲、震動等環境的影響；3）標定點粘貼不合理導致圖形的錯層；4）噴涂顯影劑導致的誤差，操作不當引起的誤差。

2 打蛋器的數字化建模設計

2.1 打蛋器的點云數據處理

由于顏色較淺的非掃描件（如周圍的地板）也會被3D掃描儀提取到計算機上，因此，通過3D掃描儀獲取的點云數據雜質點、噪聲較多，數據量較大，如圖4（a）所示，掃描獲取的點云數為580 235個。有些廠家開發的掃描軟件也具備了去除雜質點的功能，可預先處理后再導出。本文經過Geomagic Wrap等點云數據處理軟件進行處理，該軟件主要經過“點階段”和“多邊形”兩個階段。其數據的處理過程為：1）點處理階段：刪除雜質點——刪除體外孤點——減少噪聲——采樣——封裝；2）多邊形階段：填充孔——刪除標志點及其他噪聲引起的特征——砂紙光順多邊形——導出stl。通過數據處理完的多邊形如圖 4（d）所示。

圖4 點云處理

對于一些特別復雜的造型，由于通過三維建模的方法難度較大，可通過Geomagic Wrap的形狀階段處理，該階段可實現曲面重構，通過構造整齊的格柵，從而擬合出光順的曲面。采用NURBS曲面生成原理，對點和多邊形階段處理后的數據進行曲面擬合。流程包括探測曲率、構造曲面片、移動面板、構造格柵、NURBS擬合曲面等操作，將曲面重構后的模型保存為step等格式文件。但這種方法生成的曲面質量較差，為后續的模具設計帶來麻煩。本研究將數據處理到多邊形階段后，保存成stl格式后轉到后續的Geomagic design X[5]進行CAD模型重構。

2.2 打蛋器的C A D模型重構

本研究用的CAD模型重構軟件為Geomagic design X，打蛋器的CAD模型重構基本操作流程如圖5所示。

圖5 G eomagic design X的基本流程

（1）劃分領域組

劃分領域組用于擬合平面特征、圓柱特征、圓錐特征、曲面特征等，為后續創建基準特征、曲面特征、實體特征等提供參考。領域組可通過計算機的自動分割，也可通過人工判斷并手動提取需要創建的領域，如圖 6（a）所示。

（2）坐標系對齊

在逆向工程技術中，由于導入的點云或多邊形未與本軟件的坐標系對齊，在操作時不能將點云切換到合適的視圖。因此，坐標系對齊是很重要的環節，本研究中的打蛋器模型坐標系可以在Geomagic Wrap軟件中對齊坐標系，也可以在Geomagic design X對齊坐標系。根據各自的功能對比，采用在Geomagic design X對齊坐標系，在對齊前，根據領域組創建基準面，本研究可通過打蛋器的底面領域創建一“底面基準平面”，由于該模型是對稱體，在Geomagic design X中，對稱面的作法為：先大致在對稱平面位置處作一基準平面，然后通過“鏡像”方式拾取所有的打蛋器的三角面片和基準平面，通過計算機自動計算其“對稱基準平面”。此種方法作出的對稱平面精度很高。通過“底面基準平面”和“對稱基準平面”，根據右手定則即可創建第三個基準平面，最終就可通過手動對齊的方式對齊坐標系。

圖6 打蛋器的不同狀態

（3）創建曲面

在Geomagic design X軟件中，特征線的提取可通過“面片草圖”和“草圖”進行平面草圖的繪制；也可以通過“3D草圖”和“3D面片草圖”進行空間樣條曲線的繪制，如圖6（b）所示。特征線的提取要結合曲面創建的命令來完成，否則提取的特征線是多余的。草圖的質量決定了后續曲面的質量。

特征線的提取完成后，可通過放樣、延伸曲面、修剪、面填補、縫合等命令對打蛋器的模型進行重構。重構后的效果如圖6（c）所示。由于模型的特征較多，通過特征線的提取和創建曲面是往復進行。通過“精度分析”和“環境寫真”分別判斷曲面的精度和曲面質量，如圖6（d）所示。若精度和質量較差，可通過重新調整特征線或修剪曲面再進行填補來完成。

（4）補全其他特征并導出成step文件格式

打蛋器中的螺紋孔和排氣槽特征較簡單，可通過拉伸和布爾運算命令來實現。完成后的產品導出保存成step格式，為后續的Siemens NX或Creo等軟件創新設計提供原始模型。

3 打蛋器支座的創新設計

在建立了原打蛋器的數字化模型以后，結合美學、市場等因素，可對原產品進行改良設計。本研究以原有打蛋器的數字模型為基礎，設計出一款用于放置打蛋器的支座。由于Geomagic design X主要用于模型的重構，對于裝配設計功能較薄弱。本研究采用Creo2.0進行正向創新設計。經考慮ABS塑料的強度、注塑模具是否能實現等因素，結合打蛋器底部和配件的形狀及尺寸，在設計打蛋器支座時將個別特征刪除，同時增加某些特征。最終，設計得到如圖7所示的三維模型。

圖7 打蛋器支座創新設計模型

目前，研發新產品需要多人共同合作完成。而多人組合的研發團隊可能對不同的CAD軟件存在不同的熟練程度。同時市場的CAD/CAE軟件各有自己的優勢。本研究采用三個軟件相結合的方法，很好地利用了軟件在點處理階段、三角面處理階段、模型重構階段、創新設計階段的優勢，從而創新設計出新產品，極大的縮短產品的設計周期，減少產品設計成本。

4 打蛋器支座的3D打印與驗證

3D打印近幾年發展很快，現在已有多種不同的3D打印技術，比較成熟的有SLA、SLS、LOM和FDM等方法。近年來，SLA技術迅速發展，但打印出來的強度較差，本次研究用的打印機為工業級3D打印機。打印后的產品通過粘接劑、螺釘等后處理材料粘接起來，并進行打磨處理。通過打印后并將原打蛋器及配件放置在該打印模型如圖8所示。研究表明：設計開發的的支座可與打蛋器很好匹配，說明這種方法可實現設計精確度和效率的提升。

圖8 3D打印最終效果

5 結束語

逆向工程技術，CAM/CAM技術，3D打印技術與產品設計相結合，將對產品設計及制造產生深遠的影響。通過逆向工程技術建立產品數字模型，在數字模型基礎上進行產品改良設計及其配件的設計，可減少產品設計的周期。本文采用對打蛋器的原模型，通過逆向工程設計方法，通過不同軟件的優勢選用不同的模塊，最終設計出一種較為合理的支座，通過打印出的模型與原打蛋器進行裝配比較，從而發現設計的優缺點，為后續的模具設計提供可靠的保證。

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