基于“工業設計技術”技能大賽的創新設計實踐應用

劉興亮，胡彥萍，陳世岡，劉傳成

(蘭州石化職業技術大學 機械工程學院，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

“工業設計技術”是全國職業院校技能大賽的一個賽項，它是按照行業、企業工業設計技術崗位真實工作過程來設計競賽內容的，主要包括三維數據采集、逆向建模、創新設計、CNC編程與加工、3D打印、裝配驗證等6方面內容，這個賽項大力弘揚工匠精神，能全面檢驗學生工業設計的工程實踐能力和創新能力[1]。

近些年，越來越多的職業院校師生參與了這個賽項，大賽通過“以賽促學、以賽促教、以賽促改”，不但可以培養學生工業設計技術的實踐能力和創新精神，還可以提升學生職業素養和就業能力，同時促進“雙師型”師資隊伍建設，推動工業設計、數字化設計與制造等專業人才培養模式與課程體系改革，提高專業建設水平，提升學生從事工業設計相關崗位的適崗性，也有利于選拔出具有大國工匠素質的技術技能人才[2]。

1 工業設計技術任務

“工業設計技術”賽項要求參賽選手利用三維掃描儀掃描獲得給定產品外形的“實樣”點云后，對點云數據進行三維逆向建模和產品創新再設計，生成產品裝配圖及零件圖，采用CNC機床和3D打印設備將“創新產品”零部件加工出來，再進行“創新產品”裝配驗證，實現從“實樣”到“創新產品”的研發和制造過程。整個比賽分三個階段完成6個任務。第一階段為數字化設計，分數據采集、逆向建模與創新設計三個競賽任務；第二階段為CNC加工，主要完成CNC編程與加工競賽任務；第三階段為3D打印與裝配，主要完成3D打印與裝配驗證兩個競賽任務。

2021年甘肅省職業院校技能大賽給定的實物是剃須刀，要求參賽選手利用掃描儀得到剃須刀點云數據后，利用逆向建模軟件得到剃須刀的數字模型，然后根據剃須刀模型，設計一個底座，用于放置剃須刀，最后將底座用數控機床加工出來，完成裝配驗證。下面以剃須刀為例介紹甘肅省賽整個賽項的流程。

2 案例流程分析

2.1 任務1：三維數據采集

賽場提供的是Win3DD單目三維掃描儀，與國賽設備相同，參賽學生要利用標定成功的掃描儀對提供的剃須刀進行掃描，獲取點云數據，并對獲得的點云進行相應取舍，剔除噪點和冗余點后保存點云文件。這個任務主要是考核參賽學生對于復雜表面點云的準確獲取能力。

掃描之前，為了能準確捕捉實物外形數據，需要對剃須刀噴白色顯像劑，并貼上標志點，完成后如圖1所示。掃描完成后會有很多雜點數據，在保存點云文件前需要用Wrap軟件對其進行簡單的去噪處理，處理完成后保存成asc文件(見圖2)，然后對其進行封裝操作，封裝完成后文件就變成了三角面片數據，會有很多漏洞(見圖3)，這是由于某些局部區域沒有掃描到造成的，比如貼點處，需要利用軟件的填孔命令將這些洞補上，經網格醫生分析后(見圖4)，發現面片存在大量釘狀物及自相交等問題，這些利用網格醫生命令就可以完美解決，全部處理完成后將面片數據保存成stl格式文件(見圖5)，這樣任務1就完成了。需要注意的是，文件的命名和格式需要按照下發的比賽任務書的要求完成，否則是不計分的。

2.2 任務2：逆向建模

任務2是利用任務1所采集的點云數據，使用逆向建模軟件，對實物外表面進行三維數字化建模，并對逆向建模的模型進行數字模型精度對比(3D比較、2D比較、創建2D尺寸)，形成pdf分析報告。這項任務主要是考核參賽學生數模合理還原的能力。

本文采用Geomagic Design X軟件對剃須刀進行逆向建模，首先要將任務1中的stl文件導入DX(Geomagic Design X)軟件中，坐標對齊后保存成stl文件，然后利用DX軟件得到剃須刀的實體模型，如圖6所示，比賽要求將實體模型源文件保存，還要輸出stp格式文件進行保存。圖7為逆向建模后的精度分析圖，淺色代表精度在允許的公差范圍(±0.1 mm)內，如果沒有問題，則全部文件按照比賽要求保存。同樣需要注意的是，文件的命名和格式需要按照下發的比賽任務書的要求完成，否則不予計分。

最后利用Geomagic Control X 軟件進行數字模型精度對比，輸出pdf分析報告，至此任務2就完成了。

圖1 剃須刀噴完白色顯像劑和貼上標志點 圖2 剃須刀點云數據 圖3 封裝完成后的面片

圖4 封裝后網格醫生檢查分析

圖5 剃須刀數據處理后的面片

圖6 逆向建模后剃須刀實體模型

圖7 精度分析圖

2.3 任務3：創新設計

任務3是利用給定實物和任務2所建數字化模型，結合機械設計等相關知識，按任務書要求進行結構和功能創新設計，生成裝配圖及零件圖。選手結合設計任務要求采用圖文結合的方式，從設計方案的人性化、美觀性、合理性、可行性、工藝性和經濟性等方面闡述創新設計的思路及設計結果，編寫設計方案說明書。這項任務主要是考核參賽學生結構優化、功能創新的設計能力和專業交流表達能力。

按照文件要求，剃須刀應與水平方向傾斜30°放置在底座上，以剃須刀分型線為分界線，剃須刀正面朝上放置，底面與底座設計的曲面要貼合，這些要求就決定了底座的整體設計思路。底座設計不僅要同時滿足結構性和功能性要求，還要考慮局部結構的合理性、美觀性以及人性化等需求。本文采用UG NX軟件對剃須刀底座進行創新設計，首先將任務2的stp文件導入UG軟件中，然后拉伸一個與比賽要求大小一致的立方體作為毛坯，擺放好位置和角度，最后利用布爾運算等命令設計底座，最終設計完成的底座及裝配圖如圖8和圖9所示。

圖8 底座設計圖 圖9 裝配圖

創新設計通常表現在兩個方面：功能性創新和結構性創新。表1是剃須刀底座創新設計分析表。

表1 剃須刀底座創新設計分析表

2.4 任務4：CNC編程與加工

任務4是根據賽場給定的機床、刀具、毛坯等加工條件，分析指定樣件的工藝，確定加工工藝過程，編制加工工藝卡和工序卡；利用自動編程軟件，根據工藝過程卡和工序卡編制數控加工程序，使用提供的機床和編制的數控程序完成指定樣件加工。這項任務主要是考核參賽學生數控加工工藝應用、CNC編程與加工的能力。

本文采用UG NX的加工模塊對工件進行自動編程，并輸出CNC程序。圖10為曲面粗加工的刀路軌跡，圖11為粗加工的3D動態仿真圖，圖12為精加工的2D動態仿真圖。經過粗加工、半精加工和精加工多道程序驗證后，就可以將程序導入數控機床進行加工了。

圖10 粗加工刀路軌跡 圖11 粗加工3D動態圖 圖12 精加工2D動態圖

2.5 任務5：樣件安裝及裝配驗證

將任務4加工得到的樣件或3D打印的樣件，與給定的實物(剃須刀)裝配為一個整體，驗證創新設計的效果，要求緊定牢固。本項任務主要是考核參賽學生零件組裝和機構裝配驗證方面的能力。

3 總結

“工業設計技術”賽項以“創新驅動、質量為先”作為指導方針，將逆向建模、創新設計和現代數控加工制造與增材制造相融合，實現復雜曲面的工業產品的建模、創新與制造。通過比賽促進科教融合、科研育人，全面提升教師和學生的科研水平、創新精神與實踐能力，讓學生體驗數字化、智能化的產品開發和創新設計的真實工作過程，給企業提供了一個挑選人才的新平臺，也進一步提高了學生的就業質量。