基于逆向設(shè)計技術(shù)的射釘槍修復(fù)與改良*

□ 郭 晟 □ 賴 嘯 □ 劉 勇 □ 劉存平

宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川宜賓 644003

1 研究背景

許多常用的手工工具使用時間長,受外界摩擦與侵蝕多,加之原始生產(chǎn)數(shù)據(jù)丟失,造成修復(fù)困難。近幾年,得到迅速發(fā)展的逆向工程技術(shù)因優(yōu)異的還原特性被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品還原修復(fù)、局部改良優(yōu)化及新產(chǎn)品開發(fā)。逆向工程技術(shù)與數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)相結(jié)合,能夠快速實現(xiàn)實體建模、仿真、優(yōu)化及新產(chǎn)品開發(fā),具有高質(zhì)、高效的可操作性與便捷性[1-2]。筆者以射釘槍為研究對象,將逆向設(shè)計軟件Geomagic DesignX與數(shù)字化設(shè)計制造軟件Unigraphics相結(jié)合,實現(xiàn)射釘槍的修復(fù)與改良[3]。

射釘槍是廣泛應(yīng)用于建筑施工、木工等工作場合的手工工具,借助射釘槍,能夠?qū)⑨斪訐羧肽静摹⒒炷痢⒋u砌體、巖石、鋼鐵等基體中,從而對構(gòu)件和基體進行固定。

射釘槍老舊產(chǎn)品如圖1所示,因在工地使用多年,表面大量腐蝕、損傷。這一射釘槍的原始生產(chǎn)數(shù)據(jù)已丟失,實體質(zhì)量難以保證,并且老舊的非人性化設(shè)計無法滿足當代大眾手感佳的要求,使用不方便,也不美觀。對此,筆者利用逆向工程技術(shù)對這一射釘槍的原始數(shù)據(jù)進行采集與分析,并反求建模。在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用先進的數(shù)字化逆向與正向設(shè)計軟件對射釘槍數(shù)字模型進行重構(gòu)。在優(yōu)化射釘槍的性能時,對射釘槍原始模型部分位置的結(jié)構(gòu)與參數(shù)進行相應(yīng)的局部改良和創(chuàng)新設(shè)計,以滿足現(xiàn)代大眾對射釘槍實用性、美觀性的需求。

▲圖1 射釘槍老舊產(chǎn)品

2 修復(fù)與改良思路

作為現(xiàn)代設(shè)計與制造技術(shù)的支撐,逆向工程技術(shù)與數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)的結(jié)合得到越來越深入的研究[4]。筆者通過三維掃描儀對射釘槍進行點云數(shù)據(jù)掃描,將物理模型轉(zhuǎn)換為測量數(shù)據(jù)點[5],通過點云處理軟件Geomagic Studio將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為非均勻有理B樣條曲面模型,結(jié)合逆向設(shè)計軟件Geomagic DesignX實現(xiàn)射釘槍的逆向建模,并對所生成的模型進行精度檢驗。

在修復(fù)的同時,基于逆向技術(shù)對射釘槍進行局部改良,重點對手柄、填料腔、外殼形體、柄尾、板機等五個部分進行局部改良和創(chuàng)新設(shè)計。整體修復(fù)與改良步驟如下[6-7]:① 選取射釘槍原始模型進行顯影劑噴涂,噴涂顯影劑有助于實現(xiàn)反光和灰暗處顯像;② 正確貼標志點,使點云的完整度得到保障;③ 運用三維掃描儀進行點云數(shù)據(jù)的采集;④ 運用 Geomagic Studio 軟件進行點云面片數(shù)據(jù)的修補和完善;⑤ 運用Geomagic DesignX軟件對射釘槍實體數(shù)字模型進行重構(gòu);⑥ 運用Unigraphics軟件對射釘槍實體數(shù)字模型進行進一步完善、裝配和外觀改良。逆向設(shè)計基本思路如圖2所示。

▲圖2 逆向設(shè)計基本思路

3 數(shù)字模型構(gòu)建

在射釘槍數(shù)字模型的構(gòu)建過程中,關(guān)鍵步驟有三維數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)字模型重構(gòu)、模型裝配成型等。筆者采用三維掃描儀進行數(shù)據(jù)采集,采集時依據(jù)產(chǎn)品具體結(jié)構(gòu)特點擬定方案,并綜合運用顯影劑、貼標、橡皮泥、轉(zhuǎn)盤等工具進行操作,確保數(shù)據(jù)的完整性與精確度在允許誤差范圍內(nèi)[8]。

應(yīng)用三維掃描儀獲取離散的初始點云數(shù)據(jù)后,需要在數(shù)據(jù)處理軟件中通過降噪、去除孤點、去除重疊、填充孔、去除特征、松馳、網(wǎng)格醫(yī)生、精簡等工具對數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理[9],最后進行封裝。

封裝后進入實體模型逆向重構(gòu)階段,此時,在Geomagic DesignX軟件中通過預(yù)處理、輪廓重構(gòu)、圓角處理、領(lǐng)域組、視圖對齊、提取、擬合、生成等手段完成射釘槍實體模型的逆向建模,以及局部改良優(yōu)化重建工作[10]。

最后應(yīng)用Unigraphics軟件完成整個射釘槍的裝配成型設(shè)計,其裝配爆炸效果如圖3所示。

4 局部改良創(chuàng)新點

通過逆向技術(shù)對射釘槍初始的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行采集保樣,在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計,便于數(shù)字化生產(chǎn)管理[11-13]。融入人性化設(shè)計理念,從實用、舒適的角度著手,進行了五個方面的局部改良和創(chuàng)新設(shè)計,創(chuàng)新點解析如圖4所示。

(1) 原射釘槍手柄舒適度與手感較差,基于成年男子的食指形態(tài)與參數(shù),優(yōu)化了手柄形狀曲面與手柄大小,以確保人性化設(shè)計,滿足大眾的需求。

▲圖3 射釘槍裝配爆炸效果

▲圖4 創(chuàng)新點解析

(2) 在原射釘槍的基礎(chǔ)上加大了填料腔的進程深度,增強了射擊力度,釘子能夠擊穿更厚的鋼板。

(3) 在原射釘槍的基礎(chǔ)上,基于人機理念進行了一定的外觀人性化設(shè)計,給人更加協(xié)調(diào)的感覺。

(4) 手柄尾部結(jié)構(gòu)由原有的圓頭結(jié)構(gòu)改為方頭結(jié)構(gòu),并增加了兩顆緊定螺釘,具有更好的固定效果,避免振動引起松動。

(5) 扳機處將原有的完全圈定結(jié)構(gòu)更改為2/3環(huán)柄結(jié)構(gòu),增強了扣板機時的自由度與舒適度,更具有人性化。

經(jīng)局部改良并創(chuàng)新設(shè)計后,射釘槍的使用更為舒適、方便,結(jié)構(gòu)更趨合理,且產(chǎn)品外形更為美觀,對比效果如圖5所示。

▲圖5 射釘槍局部改良效果對比

5 結(jié)束語

筆者以實際生產(chǎn)應(yīng)用廣泛的射釘槍為研究載體,基于逆向設(shè)計技術(shù),進行射釘槍的修復(fù)與改良。

在研究中,進行三維數(shù)據(jù)采集,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,應(yīng)用計算機軟件完成射釘槍三維數(shù)字化模型的構(gòu)建,進而提取較為完整的原始生產(chǎn)信息。對射釘槍的工作曲面進行創(chuàng)新設(shè)計,使其更具人性化。對射釘槍的結(jié)構(gòu)進行局部改良設(shè)計,使結(jié)構(gòu)更為緊湊,功能更為強大和完善。筆者的研究為現(xiàn)代機械產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計提供了一條可行的技術(shù)應(yīng)用途徑。