□ 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(shí)間長(zhǎng),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(jì)制造技術(shù)相結(jié)合,能夠快速實(shí)現(xiàn)實(shí)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(duì)象,將逆向設(shè)計(jì)軟件Geomagic DesignX與數(shù)字化設(shè)計(jì)制造軟件Unigraphics相結(jié)合,實(shí)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(chǎng)合的手工工具,借助射釘槍,能夠?qū)⑨斪訐羧肽静?、混凝土、磚砌體、巖石、鋼鐵等基體中,從而對(duì)構(gòu)件和基體進(jìn)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(shí)體質(zhì)量難以保證,并且老舊的非人性化設(shè)計(jì)無(wú)法滿足當(dāng)代大眾手感佳的要求,使用不方便,也不美觀。對(duì)此,筆者利用逆向工程技術(shù)對(duì)這一射釘槍的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與分析,并反求建模。在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用先進(jìn)的數(shù)字化逆向與正向設(shè)計(jì)軟件對(duì)射釘槍數(shù)字模型進(jìn)行重構(gòu)。在優(yōu)化射釘槍的性能時(shí),對(duì)射釘槍原始模型部分位置的結(jié)構(gòu)與參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的局部改良和創(chuàng)新設(shè)計(jì),以滿足現(xiàn)代大眾對(duì)射釘槍實(shí)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(jì)與制造技術(shù)的支撐,逆向工程技術(shù)與數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的結(jié)合得到越來(lái)越深入的研究[4]。筆者通過(guò)三維掃描儀對(duì)射釘槍進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描,將物理模型轉(zhuǎn)換為測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)[5],通過(guò)點(diǎn)云處理軟件Geomagic Studio將點(diǎn)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(jì)軟件Geomagic DesignX實(shí)現(xiàn)射釘槍的逆向建模,并對(duì)所生成的模型進(jìn)行精度檢驗(yàn)。

在修復(fù)的同時(shí),基于逆向技術(shù)對(duì)射釘槍進(jìn)行局部改良,重點(diǎn)對(duì)手柄、填料腔、外殼形體、柄尾、板機(jī)等五個(gè)部分進(jìn)行局部改良和創(chuàng)新設(shè)計(jì)。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(jìn)行顯影劑噴涂,噴涂顯影劑有助于實(shí)現(xiàn)反光和灰暗處顯像;② 正確貼標(biāo)志點(diǎn),使點(diǎn)云的完整度得到保障;③ 運(yùn)用三維掃描儀進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集;④ 運(yùn)用 Geomagic Studio 軟件進(jìn)行點(diǎn)云面片數(shù)據(jù)的修補(bǔ)和完善;⑤ 運(yùn)用Geomagic DesignX軟件對(duì)射釘槍實(shí)體數(shù)字模型進(jìn)行重構(gòu);⑥ 運(yùn)用Unigraphics軟件對(duì)射釘槍實(shí)體數(shù)字模型進(jìn)行進(jìn)一步完善、裝配和外觀改良。逆向設(shè)計(jì)基本思路如圖2所示。

▲圖2 逆向設(shè)計(jì)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(guò)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集,采集時(shí)依據(jù)產(chǎn)品具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)擬定方案,并綜合運(yùn)用顯影劑、貼標(biāo)、橡皮泥、轉(zhuǎn)盤等工具進(jìn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)后,需要在數(shù)據(jù)處理軟件中通過(guò)降噪、去除孤點(diǎn)、去除重疊、填充孔、去除特征、松馳、網(wǎng)格醫(yī)生、精簡(jiǎn)等工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理[9],最后進(jìn)行封裝。

封裝后進(jìn)入實(shí)體模型逆向重構(gòu)階段,此時(shí),在Geomagic DesignX軟件中通過(guò)預(yù)處理、輪廓重構(gòu)、圓角處理、領(lǐng)域組、視圖對(duì)齊、提取、擬合、生成等手段完成射釘槍實(shí)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(gè)射釘槍的裝配成型設(shè)計(jì),其裝配爆炸效果如圖3所示。

4 局部改良創(chuàng)新點(diǎn)

通過(guò)逆向技術(shù)對(duì)射釘槍初始的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集保樣,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),便于數(shù)字化生產(chǎn)管理[11-13]。融入人性化設(shè)計(jì)理念,從實(shí)用、舒適的角度著手,進(jìn)行了五個(gè)方面的局部改良和創(chuàng)新設(shè)計(jì),創(chuàng)新點(diǎn)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(jì),滿足大眾的需求。

▲圖3 射釘槍裝配爆炸效果

▲圖4 創(chuàng)新點(diǎn)解析

(2) 在原射釘槍的基礎(chǔ)上加大了填料腔的進(jìn)程深度,增強(qiáng)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(jī)理念進(jìn)行了一定的外觀人性化設(shè)計(jì),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(dòng)引起松動(dòng)。

(5) 扳機(jī)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(qiáng)了扣板機(jī)時(shí)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(jì)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(duì)比效果如圖5所示。

▲圖5 射釘槍局部改良效果對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者以實(shí)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(jì)技術(shù),進(jìn)行射釘槍的修復(fù)與改良。

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