基于正逆向混合技術的全面供氣式面罩開發(fā)

綦曉倩，張 淼，段承佑，唐 雅，張 倩

(1. 天津城建大學控制與機械工程學院，天津 300384；2. 天津微深聯(lián)創(chuàng)科技有限公司，天津 300384)

0 引言

近幾年，國內外大量學者開始關注正、逆向混合設計。孫肖霞等[1]采用基于正逆向工程的混合設計方法，改進和提高了汽車產品的正向設計效率。黃加福[2]利用正逆向工程方法對打蛋器支架進行設計改造，實現(xiàn)了設計精確度的提升。李巖等[3]通過研究驗證了拓撲優(yōu)化與正、逆向工程模型重構技術相結合的方法在產品輕量化設計中的可行性。成思源等[4]結合正逆向建模技術，提出了針對不同患者小腿受傷部位的醫(yī)療護具快設計的方法。苗盈等[5]采用正逆向混合建模技術，實現(xiàn)了塑料產品的快速還原和二次創(chuàng)新。

本文以全面供氣式面罩模具設計為例，進行個體防護產品逆向重構、正向參數(shù)化建模、創(chuàng)新設計、快速成型試制等開發(fā)實踐，為利用正逆向工程方法迭代設計其他個體防護用品，提高開發(fā)速度和質量提供參考。

1 全面供氣式面罩創(chuàng)新設計流程

呼吸防護用品分為空氣過濾式和供氣式兩種類型[6]，供氣式呼吸防護用品通過自身攜帶的氣源或導氣管供氣，將潔凈空氣輸送至使用者[7]。

本文選取全面供氣式面罩為研究對象，采用正、逆向混合創(chuàng)新設計，并利用快速成型技術完成試制優(yōu)化，具體流程如圖1所示。在樣品模型設計數(shù)據(jù)獲取階段，通過掃描儀標定、標記點粘貼、掃描標記點、設置掃描參數(shù)、掃描激光點、保存數(shù)據(jù)一系列操作流程進行模型數(shù)據(jù)采集；將采集所得的3D點云數(shù)據(jù)導入逆向軟件Geomagic Studio中進行曲面處理，構造出CAD模型，完成數(shù)據(jù)前處理；通過Geomagic Studio處理后的點云數(shù)據(jù)，在CATIA平臺軟件中通過逆向點群編輯模塊導入，分析點云并對其進行再次降噪和過濾處理，完成曲線構建，包括邊界線、點云截面線和特征線創(chuàng)建。對創(chuàng)建的線架構進行光順性檢查、曲面重構、曲面質量分析，完成一系列重建工作。基于此將逆向技術處理后的模型導入正向軟件中進行實體化操作，實現(xiàn)產品的造型、功能等的改進優(yōu)化設計。新產品最終確定后，選用快速成型技術制作出實物樣件，再對其進行實際應用測試，最后完成整個產品的創(chuàng)新優(yōu)化設計。

圖1 正逆向混合設計流程

2 全面供氣式面罩逆向設計

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集指通過特定的測量方法和設備，將物體表面形狀轉換成幾何坐標點。數(shù)據(jù)采集是逆向工程的首要環(huán)節(jié)，直接影響設計產品的精度、完整度和工程的效率[8]。本文采用VTOP-600H激光手持3D掃描儀，該設備通過7束激光線組合掃描，突出特點是使用便捷、速度快、精度高、細節(jié)表現(xiàn)明顯；對環(huán)境條件要求低，可實現(xiàn)深孔和死角掃描；目標點自動定位，不需要再接入額外的機械臂或跟蹤設備；具備白光視覺補償系統(tǒng)，即使在光線較暗的情況下也能正常掃描。

首先進行全面供氣式面罩產品的樣品模型基本參數(shù)數(shù)據(jù)采集，此樣品是由平滑連續(xù)曲面和平面構成的復雜模型，具體步驟為： 掃描儀標定→標記點粘貼→掃描標記點→設置掃描參數(shù)→掃描激光點→保存數(shù)據(jù)。

全面供氣式面罩的點云數(shù)據(jù)采集如圖2所示。

圖2 面罩點云數(shù)據(jù)采集

2.2 掃描數(shù)據(jù)處理及修復

采集到的點云數(shù)據(jù)成千上萬，無可避免會產生測量數(shù)據(jù)上的誤差，尤其是在邊緣位置，如繩扣與進氣管道的連接處、出氣管道與出氣支架之間的卡扣等位置，會存在偏離點集較遠的點，被稱作異常點。這些異常點在三角網格模型階段會導致周邊的曲面片偏離原模型。此外，大量冗余點云對控制整個處理過程的時長影響很大[9]。因此，必須在逆向重構之前進行數(shù)據(jù)處理，以獲得完整、精準的測量數(shù)據(jù)。

通常使用Geomagic Warp軟件進行修復及點云處理。先是點云著色，手動刪除非連接項、體外孤點，減少噪聲，統(tǒng)一采樣及封裝，如圖3所示。在此階段，可以將處理后的點云數(shù)據(jù)以一定規(guī)律連接成多邊形，生成多邊形格式文件，從而實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)向三角片體數(shù)據(jù)轉化，如圖4所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理

圖4 處理成三角片體

由圖3可知： 在封裝過程中，面罩體的部分區(qū)域由于點云數(shù)據(jù)的缺失形成空洞，可采用Geomagic Studio的“網格醫(yī)生”功能、填孔命令對網格質量進行檢測和修復。在此過程中，填充孔又包括選擇全部填充和選擇單個孔填充，可視模型的具體情況而選擇合適的修復方式。經過“網格醫(yī)生”對片體進行漏洞修補，再根據(jù)零件特點建立起特征區(qū)域，完成對3D點云數(shù)據(jù)的后處理。

2.3 曲面重構

曲面階段的處理是指由多邊形模型經過軟件技術處理后得到理想的曲面模型。在Geomagic Studio中有兩種曲面重構方法： 精確曲面重構和參數(shù)曲面重構。精確曲面重構是把一個完整的曲面分割成由多個較小的四邊曲面片組成的集合體，然后將每個曲面片擬合成NURBS曲面，該方法適合復雜曲面重構。參數(shù)曲面重構是通過點云數(shù)據(jù)進行曲率劃分，再對不同曲面的類型進行定義，然后分塊擬合曲面，最后進行連接部位的擬合，形成完整的CAD曲面并輸出，體現(xiàn)原始設計意圖[10]，該方法適合于規(guī)則曲面的重構。

首先，通過截線的方式構造輪廓線。由于全面供氣式面罩外形較復雜，自由曲面較多，采用探測曲率的構造方式，根據(jù)模型表面的曲率變化生成輪廓線，如圖5(a)所示，對各曲面領域劃分。然后對輪廓線進行提取修復再編輯，利用POWERFIT、曲面填充、曲面片移動、松弛等功能，將模型整個表面分為多個獨立的曲面區(qū)域，使其成為一個由較小的四邊形曲面片組成的集合體，如圖5(b)所示。最后，對每個四邊形曲面片的UV參數(shù)化生成網格，將每個曲面片擬合成NURBS曲面，如圖5(c)所示，并通過UV參數(shù)化保證相鄰的曲面片之間的全局連接和G1連續(xù)。最終得到的CAD模型，如圖5(d)所示。

(a) 各曲面領域劃分

(b) 截取輪廓線

(c) 自由曲面控制點調整

(d) 最終實體CAD模型

2.4 3D全尺寸檢測

3D點云全尺寸數(shù)據(jù)檢測通常需要使用Geomagic Control X軟件進行數(shù)據(jù)對比和分析。將掃描的3D點云數(shù)據(jù)和逆向建模的3D點云實體全尺寸數(shù)據(jù)分別進行導入，設定逆向建模數(shù)據(jù)為text文件，并通過最佳配準方式將逆向建模數(shù)據(jù)和掃描數(shù)據(jù)重合在一起，確認無誤后進行3D比較，根據(jù)色譜圖分別測量出誤差較大位置的數(shù)值，最終生成檢測報告，而后根據(jù)檢測報告可以進行后期微調及修改，如圖6、7所示。

圖6 罩體檢測誤差示意圖(1)

將重建后的參數(shù)化模型和修補后的點云數(shù)據(jù)進行3D比較和采樣點分析，得出比較點后，可獲取不同位置的尺寸偏差情況(表1)。一般呼吸防護面罩類軟膠產品允許的尺寸偏差控制在小于0.5 mm范圍內即可，因此，經過逆向處理后的全面供氣式面罩模型完全符合設計意向需求。

表1 修復后的數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)誤差對比

3 全面供氣式面罩正向設計

3.1 全面供氣式面罩設計調研分析

全面供氣式面罩的罩體由于其結構復雜性與功能特殊性，對材質要求較高。面罩材質應無毒、無刺激性、對健康無害，能夠經受一般的消毒處理。面罩應同時具有高、低溫適應性，且經過預處理后的面罩無明顯變形，螺紋連接部分應能與過濾件很好地連接。材質不僅需要保證產品整體結構的強度，同時還應該易于加工生產，滿足對材質成本的控制。面罩邊緣應平滑，無棱角和毛刺，無影響氣密性的缺陷；面罩內應與面部緊密貼合，無明顯壓痛感；面罩固定系統(tǒng)可根據(jù)使用者的不同需求進行調節(jié)，并具有較好的舒適性。

基于馬斯洛需求層次理論對全面供氣式面罩的用戶需求[11]進行設計分析，如表2所示。

表2 用戶需求分析

在用戶使用需求分析的基礎上，構建用戶行為模型，建立創(chuàng)新設計指南。首先，分析用戶從接觸產品、使用產品到維護產品整個過程中會產生的行為動作及相應問題，同時根據(jù)出現(xiàn)的問題對產品進行改進，使產品更好地適配不同用戶。用戶在使用時應選擇合適的規(guī)格，罩體邊緣與頭部貼緊。另外，要保持面罩內氣流暢通無阻，防止導氣管扭彎壓住，影響通氣。在使用之前進行周密、詳盡的檢查： 試戴一下面罩是否合適，視線是否會受到阻擋；呼吸管是否完好，呼吸閥、排氣閥是否可以正常使用；面罩是否出現(xiàn)破損，是否出現(xiàn)漏氣，檢查面具是否有裂痕、破口；檢查呼氣閥片有無變形、破裂及裂縫；檢查頭帶是否有彈性；檢查濾毒盒的密封圈是否完好。用戶使用行為模型構建如表3所示。

表3 用戶行為模型分析

3.2 產品優(yōu)化設計

3.2.1 原產品設計分析

產品創(chuàng)新設計主要針對已確定好的設計方向，對傳統(tǒng)防護性能的全面供氣式面罩的功能及舒適性進行改良，完善結構。改進前的全面供氣式面罩產品罩體長度為130.11 mm，寬度為108.21 mm，過長過寬，罩體與面罩連接后會導致佩戴者的視線受阻。罩體內凹形成橢圓狀，材質為硬塑料，因此，無法與大部分佩戴者的臉型、鼻型相匹配；硬塑料材質還會阻礙產品內部空氣的流通，導致出氣不暢，與人的皮膚摩擦還易造成傷害，如圖8所示。

圖8 原產品罩體內部

受傳統(tǒng)工藝影響，罩體內塑料均偏厚，其中靠近臉部位的材質厚度為2.67 mm，其他部位厚度為1.71 mm，邊緣棱角處理均較粗糙。面罩與罩體的進氣管道與進氣支架連接不牢靠，導致產品生產成本增加，且氣密性較差，如圖9所示。

圖9 原產品材質

3.2.2 產品改進設計

由于不同人臉型大小的差異，用戶在實際佩戴過程中會出現(xiàn)面罩輪廓與臉型貼合不緊密，佩戴舒適性差，適配感不佳等問題。依據(jù)逆向建模后得到的CAD模型特征數(shù)據(jù)，結合最終的設計需求，利用Unigraphics NX或者其他正向建模軟件對面罩樣件的CAD模型進行重構。通過調整3D模型局部數(shù)據(jù)，滿足不同人群的臉型要求。最后對全面供式氣面罩的整體造型、結構進行易安裝、易佩戴，能緊密貼合人臉，實現(xiàn)高密封性的優(yōu)化設計，提升使用體驗感。

1) 改進后的面罩支架與面罩之間的連接方式采用凹凸卡扣，使二者緊密相扣，確保連接處的氣密性良好，如圖10所示。

圖10 改進后的卡扣方式

2) 進氣孔開設在進氣管道上，在保證進氣管道結構強度的同時，相比于傳統(tǒng)全面供氣式面罩更節(jié)省產品成本，如圖11所示。

圖11 改進后的進氣孔

3) 出氣支架圓孔直徑大于出氣管道圓孔直徑，并以凹凸式卡口方式連接，使其在保證罩體內具有良好氣密性的同時，出氣管道也不會因彎折而堵塞，如圖12所示。

圖12 改進后的出氣口

4) 改良后的罩體使用增材制造技術，平均厚度為1 mm，大大節(jié)省了原材料，并且也能保證空氣內部的傳導作用，流動性較好，能防護住外部的有毒氣體，佩戴舒適。改進前的罩體與管道之間夾角為65°，而改進后的夾角為45°，管道直徑略小于罩體寬度，更符合人體工程學設計，如圖13所示。

圖13 改進后的罩體與管道夾角

5) 根據(jù)原有罩體前伸過長的缺點進行再設計，前后長度縮短為31.18 mm，左右寬度調整為81.15 mm，由此罩體前后的延伸尺寸變小，不遮擋用戶視線，改善了傳統(tǒng)全面供氣式面罩體積大，管道延伸長，易遮擋視線，妨礙用戶操作的缺點，如圖14所示。

圖14 改進后的罩體尺寸

6) 面部接觸位置的罩體曲線依據(jù)不同的用戶臉型特征進行優(yōu)化，大大提升了用戶使用的體驗感。改進后的最終全面供氣式面罩如圖15所示。

3.3 采用快速成型技術進行產品試制

快速成型技術使產品的整體結構、造型不受傳統(tǒng)制造工藝的嚴格限制，可直接實現(xiàn)任意復雜外形和結構的3D成型[12]。

圖15 最終方案

通常情況下，如無特殊要求，在保證精度及效果的情況下，選擇SLA光固化技術打印光敏樹脂材料。如圖16所示，通過3D打印面罩的罩體部分，進行結構驗證，結果證明所設計的產品符合設計需求。

圖16 快速成型(3D打印)

4 結論

基于正、逆向設計結合的設計方法，通過逆向工程技術進行原有零部件的模型重構，利用網格模型滿足設計意圖并輔助正向設計，用3D數(shù)字化測量還可實現(xiàn)模型的綜合誤差檢測，驗證逆向設計的可靠性。再根據(jù)機械設計原理和結構要求，對全面供氣式面罩的整體及部分進行再設計。利用光固化快速成型技術進行了全面供氣式面罩產品的快速制造及測試。結果證明： 正逆向混合設計可精準、快速地完成整個產品的創(chuàng)新開發(fā)過程及后期試制裝配，不僅提高了設計精度和適用性，還大大縮短了研發(fā)設計周期，減少了各方面的成本。