三維數字化技術在工業產品中的應用

劉晉斌

摘要：工業4.0是科技進步的一場革命，縱觀全球，三維數字化技術已經成為各大企業提升創新能力、優化研制流程、提升研發效能的有效途徑。三維數字化技術針對的大多是應用軟件，三維數字化軟件基于大數據數據模型計算分析，可以進行三維建模，完成原物體的三維模型。三維建模中三維逆向建模是還原原物體形狀的一種建模方式，以點云為基礎，對片面進行劃分合理的領域的過程，此技術能夠大大增加產品建模的精度，應用于工業產品設計、模具造型設計、醫療器械等精密度要求較高的領域中，并結合先進制造技術可以加工出形狀各異的高精度產品。本課題以面盆龍頭為例，研究三維數字化技術在工業產品中的應用。

關鍵詞：三維數字化;逆向建模;工業產品;創新設計;制造

1 概述

隨著社會發展的不斷更新換代，傳統的技術已經無法滿足產品外型及產品精度的要求。三維數字化建模技術是由計算機進行搭建三維建模的新方式，大幅提高了傳統的建模技術。而三維逆向建模則是在計算機分析仿真的基礎上對產品進行建模，并模擬出精度誤差分析的過程，大大提高了產品的質量，從而在現代社會中被廣泛的使用。

在工業產品中，面盆龍頭是安裝在面盆上用于日常洗漱的產品，功能是通過混水閥調節自來水的大小與冷熱，達到用戶的使用標準。現有一款面盆臺面單把手雙孔面盆龍頭組件實物（圖1），把手部分和相關產品技術資料缺失，現計劃重新生產該款龍頭，需要對閥體組件重新建模。根據閥體模型設計制造把手樣件與面盆龍頭體進行試配驗證，并投入到消費市場。產品設計制造存在的難點：（1）面盆龍頭曲面多，面片難以擬合。（2）設計龍頭主件難以模擬仿真。（3）加工時表面粗糙度難以控制。（4）創新設計的把手要符合裝配要求。以三維數字化技術為基礎來解決此問題，做出產品，滿足要求。

2 面盆龍頭產品設計與工業產品創新設計過程

2.1面盆龍頭的點云采集

點云是逆向建模的基礎數據，有了點云素材才能根據點云素材進行建模。點云的采集通過掃描儀進行，我們選用的掃描儀器是北京三維天下WIN3DD三維掃描儀（圖2），該掃描儀配置三維數字化相機與光柵，掃描的方式以拍照式自動拼接成型[1]。掃描的空間誤差小、精度高。此掃描儀能夠滿足產品點云的數據采集。

要采集準確的點云數據，首先調整好掃描儀的擺放角度，如果角度調整不好，很容易出現點云不全的現象，導致后續無法進行。之后再調整相機的參數，參數按照說明書中介紹的設置。再進行標定，標定是不可缺少的重要部分，就像是畫圖的基準面一樣，標定的質量直接影響建模的精度。掃描過程中，掃描的模式分為拼合掃描、非拼合掃描、框架點掃描，掃描時應選擇合理的掃描方式進行掃描。因面盆龍頭表面金屬反光并表面有些薄面，掃描儀無法準確地采集到點云素材，所以選擇拼合掃描，這樣才能迅速捕捉到物體的形狀，采集點云。最后通過掃描儀得到的點云素材格式為（.asc），導人GeomagicWrap軟件中。

G eomagicWrap軟件的特點是能支持多種的掃描設備，基于點云數據進行編輯并快速創建精準的多邊形模型[2]的軟件。由于面盆龍頭的外型曲面較多，處理點云的時候先清除無關的雜點，保證面盆龍頭的外型點云。再進行點云的平滑，使面盆龍頭的點云外型變得更加光滑，之后去躁點，把點精簡，保證在250000個點左右，簡化后的2D效果圖如圖3。接下來就要進行三角網格片面的修補，把破掉的地方補起來，使物體完整，之后進行點面片優化，保存完整的點云（圖4）。此時的點云數據與用三坐標測量儀測量的原始面盆龍頭得出的數據進行對比，對比誤差見表1（單位毫米），誤差僅為0.04毫米。

2.2 面盆龍頭的三維逆向建模

通過以上處理的點云素材是已經達到建模的標準了。點云素材導入到G eomagicDesignX軟件中進行逆向建模。建模思路：導入點云，劃分領域組，根據模型情況調整敏感度，通過識別原始掃描數據的3D特征，進行自動分割。如果自動分割領域組后的數據分區，不能滿足后期建模的要求，需要對分區后的數據進行重新分割，分割后重新組建合理的領域組[3，4]。在建模的過程中沒有坐標系是萬萬不行的，坐標系選擇以大面為基準，手動對齊坐標系，建立主視圖，根據順序安排其它的視圖，確定X軸、Y軸、Z軸的方向。構造曲面，面盆龍頭被分割為5個領域組，所以要建立3大部分（圖1）。第一部分是面盆龍頭的兩肩大面，可用平面草圖，設置基準平面，單擊“曲面放樣”放樣出兩肩的大面，之后對底面進行一段拉升，直至延長后的曲面能完全覆蓋面盆龍頭兩肩的原始數據。利用同樣的方法把另外一面也做出來。第二部分是面盆龍頭的出水龍頭，利用草圖繪制，繪制出出水龍頭的視圖，然后進行放樣其表面，對有形狀的邊進行倒圓角，圓角的半徑應該與點云的點相近。最后拉升一段出水口的形狀，出水龍頭就建好了。第三部分是面盆龍頭的連接柱，利用草繪命令，繪出連接柱，再進行旋轉，作出連接柱。相關地方要進行倒角處理，達到精度要求。連接柱要和把手部分配合，這的尺寸要記好，在創新設計部分可以有據可依。最后利用布爾運算把三大部分拼接好，把多余的片面減掉，拼合成面盆龍頭的模型。完成后的三維數字化模型與點云進行對比的數據分析（圖5、表2）如下：

通過面盆龍頭檢測色彩對比圖偏差分布報告得出，由三維逆向建模的模型很好地貼合在點云上，精度大約在0.04MM，保證了產品的質量。

2.3面盆龍頭把手的三維數字化創新設計與說明

面盆龍頭的模型建立好以后，面盆龍頭把手采用UC軟件進行創新設計。UG軟件設計功能強大，對于后續的加工部分也有很大的幫助。設計思路通過以上的步驟，得到面盆龍頭的模型，導入到UG軟件中，對其要配合的地方進行測量，并記入需要配合的相關尺寸，然后新建草圖進行設計。畫出草圖后拉伸出手柄大致樣貌，通過之前記入的相關尺寸，得到面盆龍頭的活動桿的實體尺寸，在手柄底部平面繪制相應草圖，并再以方形四角為圓點做直徑，得到圖案后向外偏置得到一個封閉式的草圖，經過拉伸與布爾求差得到與活動桿相配合的花孔，然后進行整體的倒角，設計出面盆龍頭把手。最后把面盆龍頭把手與面盆龍頭裝配到一起，進行渲染查看效果。

創新設計的面盆龍頭手柄和面盆龍頭典雅大氣（圖6），在實用性上符合面盆龍頭的一切功能，手柄從底部的孔裝配面盆龍頭的活動桿，能夠實現通過上下活動靈活調節水流大小，通過左右活動能控制溫水冷水的排出，使用方便快捷，達到了設計要求。創新設計后的水龍頭手柄，底部采用方形結構，四周的人性化倒角設計，把手則采用簡單大氣的v型平面，以圓弧作為前端，避免了用戶無意中的劃傷，整體上看簡約大氣，富有現代氣息[5，6]，后續的加工中也更容易。連接部分是最重要的地方，通過四孔設計解決了活動桿的四角因配合出現的裝配過渡或者局部間隙等問題，使其與活動桿的裝配更緊固，更可靠，制造材料可使用不銹鋼材質。不銹鋼材料的特點：抗沖擊、抗腐蝕、不具有危害物質，使用時間長，調節溫度方便快捷，經濟實用。

2.4 面盆龍頭把手的制造過程

產品制造主要有三種方式：一種是去除材料的方式制造，如數控機床切削金屬制造零件的方式。一種是增材制造方式，如3D打印機的疊加式制造。一種是焊接制造。面盆龍頭把手的制造過程選取去除材料的方式進行制造。采用數控機床VCD-850型號FANUC系統的加工中心，此型號的機床剛性好，系統穩定，使用性能強。軟件應用三維建模軟件UC的編程模塊及對應的后處理[7]，采用7075毛胚鋁件進行加工。

指定好毛胚的機床坐標系，確認加工時的裝夾位置，設定好安全距離。之后確定工件幾何體，指定部件與毛胚，進行編程。第一步：先對部件下端的特征進行編程，這樣能夠保證把手調頭裝夾的穩定性。采用定心鉆對毛胚表面的四個深孔進行定心并編寫鉆孔程序。完成四孔的鉆孔編程后進行毛胚的第一次粗加工。使用型腔銑指令，調用立銑刀開粗，設置每刀切削深度及加工的參數，確認并生成加工刀路，完成后進行對花孔部分的加工，使用型腔銑指令，調用立銑刀開粗，設置加工的參數，確認并生成加工刀路。完成之后，進行毛胚的第一次精加工，使用深度輪廓銑指令，調用球刀精加工，指定倒角部分的切削區域，設置加工倒角參數僅為陡峭，設置圓弧刀具半徑，確認并生成加工刀路進行加工。第二步：完成后工件調頭，虎鉗夾住底部方形部分，開始對剩余的毛胚部分進行加工編程，指定工件幾何體，指定部件與毛胚。對剩余部分調用型腔銑指令，調用立銑刀進行開粗，設置底部余量，以螺旋的方式進刀，設置順銑深度的切削參數，確認并生成加工刀路，完成后進行毛胚的第二次精加工，使用深度輪廓銑指令，指定倒角部分與整個平面部分的切削區域，設置每刀切削深度恒定，生成加工刀路。完成所有的程序編寫后，選擇每條程序依次通過UG軟件的后處理器，調取FAUNC的后處理程序，輸出NC拓展名文件，則所有程序后處理完成[8]。通過編程軟件，可將處理過的程序傳輸到機床里運行加工。

加工時刀具要進行對刀，開始程序輸入，將后處理程序導人數控編程軟件。輸入程序時要把倍率調低，單步運行。點擊啟動鍵，軟件即可輸入程序，在運行程序的過程中，要觀察機床是否會撞刀，運行正常后則打開切削液，開始加工。每個子程序重復以上的步驟，直至正反面所有加工的結束，并用氣槍清理后取出。最后將加工好的面盆龍頭把手與面盆龍頭相配合（圖7），能夠很好地達到產品的外觀效果和功能。

3 總結

在這個瞬息萬變的時代，主要的工業國家都制定了科學的發展戰略，將工業迅速推進到數字化時代。三維數字化技術對工業產品創新設計的影響也是很大的，從上文可以得出：

（1）通過高端的掃描設備、先進的建模技術，能夠實現精準的原物還原。

（2）創新設計是通過三維軟件設計出來，而不是傳統的手工繪制。新方式的設計過程直觀、鮮明，裝配方式一目了然，解決了產品的精度、配合、外型渲染等前期工作，減少了產品研發的周期。

（3）傳統的鉗工加工工藝已被先進的數控機床取代，大大地提高了企業開發產品的效率與質量。

參考文獻：

[1]劉玲玲，王雪夢.基于RapidForm逆向工程軟件的汽車外拉手產品設計和數控加工[J]汽車零部件，2018

[2]呂翼峰.FSAE項目駕控布局及踏板裝置逆向工程研究[D]揚州大學碩士論文，2018.

[3]楊曉雪，閆學文.GeomagicDesignX三維建模案例教程[M]機械工業出版社，2016

[4]張德海.三維數字化建模與逆向工程[M]北京大學出版社，2016

[5]楊梅.工業產品造型設計[M]化學工業出版社，2014

[6]江帆，陳江棟，戴杰濤.創新方法與創新設計[M]機械工業出版社，2019

[7]高雨辰，汪海溟.UG NXlO.O三維數字化輔助產品設計[M].清華大學出版社，2018

[8]于濟群.先進制造技術與機械制造工藝分析[J]南方農機，2019