李小龍，范嘉博，韋 煒

(西安文理學(xué)院機(jī)電工程創(chuàng)新研發(fā)中心，陜西 西安 710065)

車載吸塵器是車內(nèi)保潔的重要工具，吸嘴是其重要部件之一，使用和存放過程中需頻繁拆裝，導(dǎo)致吸嘴易損壞、丟失。當(dāng)出現(xiàn)吸嘴損壞或丟失的情況時，難以單獨(dú)購買到合適的吸嘴，常導(dǎo)致車載吸塵器無法正常使用而造成資源浪費(fèi)。為解決吸嘴難以單獨(dú)購置而成套購買成本較大的問題，尋求一種經(jīng)濟(jì)的吸嘴再制造方式顯得尤為重要。

傳統(tǒng)的車載吸塵器吸嘴開發(fā)遵循正向工程，在設(shè)計(jì)吸嘴和吸塵器外形時參數(shù)特征相互影響，兩者都遵循從概念設(shè)計(jì)到具體模型設(shè)計(jì)的過程，吸嘴后期成型通常采用模具注塑方式。此開發(fā)方式周期長、工藝復(fù)雜、成本高，產(chǎn)品形態(tài)難以預(yù)見，其性能需要多次實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證[1]。模具注塑適用于車間批量生產(chǎn)，然而不同車載吸塵器吸嘴接口結(jié)構(gòu)是不同的，且當(dāng)前各類型吸嘴均是非標(biāo)準(zhǔn)件，因此正向設(shè)計(jì)與模具注塑方式均不適用于吸嘴開發(fā)。而逆向工程不僅可彌補(bǔ)正向工程開發(fā)周期長的問題，也可在吸嘴丟失或嚴(yán)重?fù)p壞導(dǎo)致產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征丟失、遵循正向工程難以二次開發(fā)時，發(fā)揮其優(yōu)勢完成二次開發(fā)。逆向工程可通過對沒有原始結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的產(chǎn)品實(shí)物進(jìn)行測量和工程分析，按照已有產(chǎn)品或部分特征來重構(gòu)產(chǎn)品模型，通過CAD/CAM/CAE軟件分析其性能要求。此開發(fā)過程既能全面掌握產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思路，促進(jìn)其個性化、多樣化發(fā)展，又能結(jié)合FDM(fused deposition modeling)桌面級3D打印機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品成型，使產(chǎn)品成型更加便捷、高效。因此本文將現(xiàn)代逆向設(shè)計(jì)技術(shù)和3D打印技術(shù)相結(jié)合以此實(shí)現(xiàn)吸嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及再制造。

1 整體設(shè)計(jì)方案

本文首先利用光學(xué)三維測量設(shè)備對車載吸塵器吸嘴接口表面進(jìn)行三維掃描從而獲得原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic Studio進(jìn)行點(diǎn)云拼接、噪聲去除、點(diǎn)云精簡、數(shù)據(jù)修補(bǔ)等處理，使接口曲面規(guī)則化。然后基于三維網(wǎng)格模型特征提取法[2]提取接口特征曲面，對特征曲面進(jìn)行邊界優(yōu)化和數(shù)據(jù)精簡[3]，使曲面更加平滑。最后依據(jù)接口特征曲面對吸嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，用三維建模軟件UG使模型實(shí)體化，并將重構(gòu)的吸嘴三維模型以STL格式導(dǎo)入FDM桌面級3D打印機(jī)進(jìn)行打印得到吸嘴實(shí)體。整體設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 車載吸塵器吸嘴的逆向設(shè)計(jì)流程圖

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 采集過程

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集就是通過掃描設(shè)備掃描實(shí)體表面獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)[4](三維坐標(biāo)信息)，數(shù)據(jù)的完整性、精確性以及光順程度都會影響到后期數(shù)據(jù)處理的難易程度和重構(gòu)模型的精度[5]。本文選用操作簡便、精度較高的海克斯康RA7320型三維激光掃描儀對車載吸塵器吸嘴接口進(jìn)行掃描。在裝配調(diào)試好儀器后，將表面清理干凈的吸塵器吸嘴接口放置在儀器可掃描范圍之內(nèi)，開啟設(shè)備對吸塵器接口進(jìn)行全方位、多角度掃描。掃描過程中手柄應(yīng)保持平穩(wěn)、緩慢移動，防止因抖動影響數(shù)據(jù)精度以及數(shù)據(jù)的完整性。由于光滑的接口表面會影響數(shù)據(jù)采集，因此需要采用多次掃描的方式來獲得接口完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[6]。吸塵器吸嘴接口及原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 吸塵器吸嘴接口及原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.2 處理過程

由于掃描過程中存在干擾(物體表面光潔度、儀器精度、環(huán)境因素等)，經(jīng)過掃描獲得的離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在大量非特征點(diǎn)云，因此需對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理操作。

通過點(diǎn)云拼接將不同位置的點(diǎn)云數(shù)據(jù)(坐標(biāo)位置)互換或?qū)R，拼接成完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使離散的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可視化效果和特征更加明顯，便于數(shù)據(jù)處理和模型重構(gòu)等操作。再對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化處理，以消除雜點(diǎn)(非連接選項(xiàng)、體外孤點(diǎn)等)、噪聲點(diǎn)，使特征點(diǎn)云凸顯并減少冗余數(shù)據(jù)。其中的雜點(diǎn)，非連接選項(xiàng)指的是掃描到遠(yuǎn)離主點(diǎn)云的離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)，體外孤點(diǎn)為偏離掃描體表面的非特征點(diǎn)云，兩者都可依據(jù)與主點(diǎn)云間距的大小進(jìn)行篩選，從而提高后續(xù)曲面的重構(gòu)精度和邊界平滑度。針對噪聲點(diǎn)，多采用重新擬合輪廓、降低偏差[7]的方法最大程度保留特征點(diǎn)云，將粗糙的點(diǎn)云壓縮并產(chǎn)生平滑的多邊形對象，讓掃描后出現(xiàn)的點(diǎn)云分層，使點(diǎn)云偏離模型真實(shí)輪廓的情況得以糾正。此時需要通過點(diǎn)采樣[8]去除部分多余數(shù)據(jù)，在不移動任何點(diǎn)的情況下，通過設(shè)置曲率優(yōu)先選項(xiàng)來減少點(diǎn)的密度，有效減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)，便于PC端軟件操作。經(jīng)過以上處理，特征點(diǎn)已初步顯現(xiàn)，但由于數(shù)據(jù)殘缺造成的孔洞不夠明顯，需通過封裝[9]即在點(diǎn)對象上的連接點(diǎn)創(chuàng)建三角形面片，選擇多邊形的個數(shù)生成多邊形，凸顯孔洞以簡化補(bǔ)洞操作。具體數(shù)據(jù)處理流程及初步處理結(jié)果如圖3與圖4所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程

圖4 初步處理結(jié)果

3 曲面重構(gòu)

3.1 接口特征提取

點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后生成多邊形網(wǎng)格，進(jìn)入多邊形階段，為最大程度保證接口特征提取精度和得到平滑完整的接口曲面，需要通過減噪和補(bǔ)洞，進(jìn)一步去除冗余數(shù)據(jù)、非特征點(diǎn)云和微小孔洞。此時的少量噪聲點(diǎn)，可利用三角面片縱橫比和估計(jì)出的曲率與整體平均值對比，進(jìn)行篩選及剔除。補(bǔ)洞時，若孔洞周圍曲率變化較小，直接使用填充工具補(bǔ)洞；曲率變化較大時，需先用清除工具清除孔洞周圍點(diǎn)云，再用填充工具補(bǔ)洞。經(jīng)過以上操作后，基于三維網(wǎng)格模型特征提取接口曲面特征，再通過數(shù)據(jù)平滑使特征提取的結(jié)果更加精確，足以確保重構(gòu)模型的精度。補(bǔ)洞后結(jié)果和特征提取結(jié)果如圖5所示。

圖5 補(bǔ)洞和接口特征提取結(jié)果

3.2 吸嘴曲面造型

針對特征提取結(jié)果，經(jīng)過邊界優(yōu)化、伸出邊界和平面裁剪等操作，即可得到吸嘴初步造型結(jié)果。造型完成后對數(shù)據(jù)點(diǎn)網(wǎng)格進(jìn)行均勻劃分，在每個網(wǎng)格中提取樣本點(diǎn)后將其余點(diǎn)清除，從而再次簡化數(shù)據(jù)以減少軟件計(jì)算時間并且簡化操作過程。樣本點(diǎn)提取時，設(shè)置“減少到百分比”為80%效果最佳，得到的初步造型結(jié)果如圖6(a)所示。

圖6 吸嘴造型

初步造型后的曲面片存在相交路徑、較小曲面片角度、高度角點(diǎn)等情況，嚴(yán)重影響吸嘴的整體性能，因此需要精確和參數(shù)化曲面。通過區(qū)域分類和擬合曲面，得到的是分開的曲面片，對各個曲面片進(jìn)行連接分類、擬合連接，再經(jīng)過裁剪與縫合，即可得到噴嘴曲面模型。將完成造型的模型導(dǎo)出為IGS格式，如圖6(b)所示。

4 3D打印

將IGS格式的吸嘴造型結(jié)果導(dǎo)入U(xiǎn)G建模軟件，經(jīng)過加厚、曲率調(diào)整等操作使模型實(shí)體化，另存為STL格式，即可導(dǎo)入Cura切片軟件進(jìn)行切片操作。切片時，切片方向和切片厚度都會影響打印后模型的力學(xué)性能和精度要求，需根據(jù)模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)合理選擇。如本文設(shè)計(jì)的吸嘴結(jié)構(gòu)，若采用橫向分層，打印時上表面會產(chǎn)生沉積，引起較大體積誤差從而影響打印精度，故采用縱向分層，如圖7(a)所示。針對分層厚度，為滿足吸嘴使用性能要求，采用等厚度分層降低階梯效應(yīng)[10]使體積誤差影響最小化，以此提高打印精度及整體性能。此種分層方式既能保證吸嘴使用過程中氣密性要求及吸嘴與接口配合精度要求，又可提高吸嘴內(nèi)部曲面平滑度,增強(qiáng)其使用性能。切片完成后的模型生成G-Code代碼導(dǎo)入FDM型桌面級3D打印機(jī)，打印機(jī)參數(shù)設(shè)置如圖7(b)所示。

圖7 打印機(jī)參數(shù)設(shè)置和分層方向

打印時主控板控制噴頭沿著切片后的零件截面輪廓與所選擇的填充軌跡運(yùn)動，熔融態(tài)的PLA(polylactice acid)經(jīng)過擠出、冷卻固化與周圍材料粘結(jié)，形成一層零件截面。隨后噴頭上移一層打印，遵循此法使材料逐層累積形成完整實(shí)體，經(jīng)過以上處理，得到吸嘴實(shí)體。經(jīng)測試，該吸嘴可以與接口正常配合，也滿足吸塵器正常工作要求，匹配結(jié)果如圖8所示。

圖8 吸嘴裝配效果示意圖

5 結(jié)束語

基于3D打印的車載吸塵器吸嘴逆向設(shè)計(jì)，可有效解決當(dāng)前車載吸塵器吸嘴難以匹配的問題。這種開發(fā)及再制造的思路，有機(jī)地將新興開發(fā)技術(shù)與新興制造方式聯(lián)系起來，在提高開發(fā)效率的同時，既能降低工藝難度和加工成本，又能對產(chǎn)品創(chuàng)新和改進(jìn)起到促進(jìn)作用。目前，3D打印已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、影視、工業(yè)制造等領(lǐng)域，可以打印人造骨骼、人物模型、發(fā)動機(jī)渦輪葉片等難以加工的產(chǎn)品。隨著3D打印技術(shù)和逆向工程技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，基于3D打印與逆向工程相結(jié)合的開發(fā)模式將向著智能化、大眾化、多元化發(fā)展，為未來制造業(yè)中復(fù)雜零部件開發(fā)與成型制造提供全新的思路和方法。