□ 高志華 □ 郭君揚(yáng) □ 潘春生

1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院 河南南陽 473009 2.河南省材料成形裝備智能技術(shù)工程研究中心 河南南陽 473009 3.臥龍電氣南陽防爆集團(tuán)股份有限公司 河南南陽 473008

1 研究背景

逆向工程和三維打印相結(jié)合,是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要技術(shù)手段,目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于家用電器、汽車、航空、模具、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。逆向工程和三維打印相結(jié)合,推動(dòng)了工業(yè)技術(shù)的發(fā)展[1-2],其工作流程如圖1所示。

▲圖1 逆向工程和三維打印相結(jié)合工作流程

車載吸塵器如圖2所示,這一產(chǎn)品外觀時(shí)尚,隨車攜帶方便。使用時(shí),將吸塵器的電源插頭插入汽車點(diǎn)煙器插座,啟動(dòng)吸塵器電源開關(guān),即可操作使用。車載吸塵器可廣泛用于汽車、游船等移動(dòng)設(shè)備的除塵。使用中發(fā)現(xiàn),車載吸塵器電源導(dǎo)線雖然長(zhǎng)達(dá)3 m,但是應(yīng)用于汽車后備箱卻仍不方便。而且雖然附有鴨嘴短管,可用于清除汽車內(nèi)夾角及縫隙處的灰塵雜物,但是由于本身結(jié)構(gòu)的原因,鴨嘴短管開口較大,小縫隙不能徹底清潔。加之鴨嘴短管為硬塑料管,無法彎曲,不能深入設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行吸塵。

▲圖2 車載吸塵器

筆者將逆向工程和三維打印相結(jié)合,對(duì)車載吸塵器進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì),在原鴨嘴短管的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了不同規(guī)格尺寸的接頭,用于連接不同直徑的軟管,實(shí)現(xiàn)小縫隙處的清潔。采用聚乳酸工程塑料,利用熔融沉積模型三維打印設(shè)備將接頭制造出,裝配后進(jìn)行性能試驗(yàn),達(dá)到提升產(chǎn)品性能、進(jìn)一步滿足市場(chǎng)需求的目的。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程為:① 原車載吸塵器三維輪廓數(shù)據(jù)掃描;② 三維輪廓數(shù)據(jù)處理;③ 三維模型重構(gòu);④ 具體創(chuàng)新設(shè)計(jì);⑤ 三維打印樣件;⑥ 裝配。

2 數(shù)據(jù)掃描

利用三維掃描設(shè)備采集車載吸塵器的三維輪廓,獲得車載吸塵器的輪廓數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)以點(diǎn)的形式體現(xiàn),稱為點(diǎn)云。采集點(diǎn)云的質(zhì)量決定了后續(xù)重構(gòu)實(shí)體模型的質(zhì)量和效率。筆者使用Win3DD單目三維激光掃描儀,利用轉(zhuǎn)盤實(shí)現(xiàn)車載吸塵器正反面掃描,然后通過自動(dòng)拼接的方法獲取車載吸塵器的三維輪廓數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)掃描如圖3所示,三維輪廓數(shù)據(jù)如圖4所示。

▲圖3 數(shù)據(jù)掃描

▲圖4 三維輪廓數(shù)據(jù)

三維激光掃描儀受到光反射性能的影響,對(duì)黑色及透明材料等反光物體掃描效果差,需要噴涂顯像劑才能進(jìn)行較好的掃描。觀察發(fā)現(xiàn),車載吸塵器表面為塑料材質(zhì),光滑處會(huì)反射光線,影響掃描效果。因此噴涂一層顯像劑,并借助橡皮泥、轉(zhuǎn)盤等進(jìn)行掃描。

進(jìn)行掃描之前,還需要在車載吸塵器表面上粘貼一些標(biāo)志點(diǎn),以保證三維激光掃描儀多角度掃描后利用公共標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)拼接,從而獲得車載吸塵器的整體輪廓數(shù)據(jù)[3-4]。掃描時(shí),通過上下面都具有旋轉(zhuǎn)功能的轉(zhuǎn)盤來旋轉(zhuǎn)車載吸塵器。在轉(zhuǎn)盤上也粘貼一些標(biāo)志點(diǎn),這樣可以減少車載吸塵器表面標(biāo)志點(diǎn)的數(shù)量,提高掃描的效率。掃描完車載吸塵器的上表面數(shù)據(jù)后,將車載吸塵器從轉(zhuǎn)盤上取下,翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤,同時(shí)將車載吸塵器翻轉(zhuǎn),掃描下表面。通過車載吸塵器上粘貼的標(biāo)志點(diǎn)完成自動(dòng)拼接過程,直到整個(gè)車載吸塵器的表面數(shù)據(jù)掃描完成,獲得完整的車載吸塵器三維輪廓數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)處理

經(jīng)過三維激光掃描儀獲得的車載吸塵器整體點(diǎn)云數(shù)據(jù),可能會(huì)由于掃描儀振動(dòng)等原因產(chǎn)生噪聲點(diǎn)、雜點(diǎn)等,需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,否則會(huì)影響重構(gòu)建模的精度和速度。Geomagic Wrap是一款數(shù)據(jù)處理軟件,主要功能包括雜點(diǎn)去除、噪聲平滑處理、數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化、孔洞填補(bǔ)、網(wǎng)格醫(yī)生等[5]。軟件完成掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)到三角面片的轉(zhuǎn)換過程后,將三角面片保存為.STL格式文件,即可導(dǎo)入逆向設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行三維模型重構(gòu)。數(shù)據(jù)處理后車載吸塵器三角面片模型如圖5所示。

▲圖5 三角面片模型

4 模型重構(gòu)

4.1 重構(gòu)前處理

對(duì)于經(jīng)數(shù)據(jù)處理后的車載吸塵器三角面片模型,需要進(jìn)行模型重構(gòu)前處理,如圖6所示。重構(gòu)的參數(shù)化實(shí)體模型需要滿足光順性和精度要求。Geomagic Design X是一款專業(yè)的參數(shù)化逆向建模軟件,可以與其它三維軟件進(jìn)行無縫對(duì)接,非常適合工業(yè)零部件的逆向設(shè)計(jì)[6]。

▲圖6 模型重構(gòu)前處理

Geomagic DesignX軟件特有的領(lǐng)域組劃分功能能夠使三角面片模型快速擬合,根據(jù)導(dǎo)入模型的幾何形狀自動(dòng)劃分不同的區(qū)域,并以顏色區(qū)分平面、規(guī)則面和自由曲面,進(jìn)而擬合曲面[7-8]。為了便于后續(xù)特征建模,以及與其它三維軟件無縫協(xié)作,需要將導(dǎo)入的三角面片數(shù)據(jù)對(duì)齊,創(chuàng)建工件坐標(biāo)系。分析車載吸塵器模型的特征,選擇底面作為XY平面,繪制與底面垂直的YZ平面,進(jìn)行坐標(biāo)系對(duì)齊。

4.2 模型重構(gòu)

由于車載吸塵器是鏡像對(duì)稱結(jié)構(gòu),因此只需要重構(gòu)1/2,再通過鏡像功能即可得到整體結(jié)構(gòu)。通過領(lǐng)域劃分,利用曲面擬合命令擬合車載吸塵器的外表面,再通過剪切曲面、延長(zhǎng)曲面等命令,得到1/2整體特征,并縫合實(shí)體。利用變化倒圓角功能構(gòu)建車載吸塵器的提手部分特征,利用面片草圖、拉伸曲面、陣列、移動(dòng)面、布爾運(yùn)算等命令構(gòu)建車載吸塵器的接口和吸風(fēng)口等特征,最后通過縫合命令獲得三維實(shí)體。車載吸塵器模型重構(gòu)結(jié)果如圖7所示。

▲圖7 模型重構(gòu)結(jié)果

4.3 重構(gòu)精度檢測(cè)

利用Geomagic Control三維自動(dòng)化檢測(cè)軟件,可以對(duì)比三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型與掃描數(shù)據(jù)之間二維特征和三維特征的精度,并生成檢測(cè)報(bào)告,工業(yè)上主要用于檢測(cè)加工后零件產(chǎn)品掃描數(shù)據(jù)與原始模型之間的尺寸和幾何形狀誤差。筆者對(duì)比逆向重構(gòu)生成的實(shí)體數(shù)據(jù)和掃描的原始數(shù)據(jù),以檢測(cè)逆向重構(gòu)的模型精度是否合格,如圖8所示。

▲圖8 模型精度檢測(cè)

在軟件中分別導(dǎo)入處理后的車載吸塵器點(diǎn)云數(shù)據(jù)和逆向重構(gòu)完成的三維實(shí)體模型,將點(diǎn)云數(shù)據(jù)設(shè)為參考對(duì)象,將實(shí)體模型設(shè)為測(cè)試對(duì)象,通過最佳擬合對(duì)齊命令,對(duì)齊坐標(biāo)系,設(shè)置允許的公差為±0.1mm。整體精度對(duì)比時(shí),色標(biāo)部分表示誤差在公差允許的范圍內(nèi)。同時(shí)可以在三維對(duì)比圖上進(jìn)行三維點(diǎn)坐標(biāo)注釋,并在頁面下方顯示出各注釋點(diǎn)的誤差,見表1。

表1 注釋點(diǎn)誤差

可以在參考模型上創(chuàng)建幾何公差,對(duì)比實(shí)體模型與原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的幾何誤差,如圖9和表2所示。通過對(duì)比可知,車載吸塵器上表面的輪廓度誤差合格,底面的平面度誤差超差。

▲圖9 幾何誤差對(duì)比

表2 幾何誤差

5 具體創(chuàng)新設(shè)計(jì)

車載吸塵器創(chuàng)新設(shè)計(jì)如圖10所示。為了解決車載吸塵器電源線長(zhǎng)度不足的問題,在車載吸塵器底部設(shè)計(jì)凹槽電池倉(cāng)。為保證電池的緊固,在電池倉(cāng)中設(shè)計(jì)隔板與電池定位槽,保證電池的橫向固定與定位。設(shè)計(jì)電池蓋,保證電池倉(cāng)內(nèi)的電池方便取出,不易掉落。同時(shí)設(shè)計(jì)新型鴨嘴短管,鴨嘴短管開口小,可以用于清除車內(nèi)夾角及小縫隙處的灰塵雜物。

▲圖10 創(chuàng)新設(shè)計(jì)

測(cè)量車載吸塵器接口尺寸,設(shè)計(jì)兩種不同直徑的軟管接頭,將設(shè)計(jì)的接頭模型轉(zhuǎn)換為.STL格式文件后,導(dǎo)入Cura切片軟件進(jìn)行切片,利用三維模型的二維層片輪廓生成加工程序,使用熔融沉積模型桌面三維打印機(jī),應(yīng)用逐層疊加的方式實(shí)現(xiàn)普通精度的三維實(shí)體制造,打印時(shí)間為1.25 h。打印的兩種尺寸軟管接頭如圖11所示,與原車載吸塵器裝配后的整體效果如圖12所示。

▲圖11 三維打印軟管接頭

▲圖12 裝配整體效果

6 結(jié)束語

筆者將逆向工程和三維打印相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì),效率高,速度快,能夠縮短產(chǎn)品研發(fā)周期,在機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值[9-10]。筆者以車載吸塵器為例,將逆向工程和三維打印相結(jié)合進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)和制造,為后續(xù)的產(chǎn)品再制造提供了數(shù)據(jù)支持。如果生產(chǎn)的零件是小批量產(chǎn)品,那么不需要開模具,可以利用三維打印的方式直接制作產(chǎn)品,能夠縮短產(chǎn)品改型與創(chuàng)新設(shè)計(jì)的周期,更好地滿足用戶需求。