黃加福

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基于逆向工程的蘋果鐘表數(shù)字化設(shè)計與樣機制造

黃加福

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程系，福建 漳州 363000)

逆向工程技術(shù)及3D打印技術(shù)近年來得到突出猛進的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于新產(chǎn)品的開發(fā)與試制。通過3D掃描儀掃描蘋果模型，采用逆向軟件對蘋果的點云數(shù)據(jù)進行逆向工程數(shù)字化設(shè)計，利用正向設(shè)計軟件進行創(chuàng)新設(shè)計，以3D打印技術(shù)進行樣機試制。逆向工程技術(shù)可縮減產(chǎn)品的設(shè)計時間。

數(shù)字化設(shè)計；逆向工程；仿生設(shè)計；3D打印

引言

鐘表的作用主要是能提高人們的時間觀念和生活、工作的裝飾用品。鐘表主要有機械和石英鐘等種類。經(jīng)過多年的發(fā)展，鐘表的機芯近乎成熟，但由于市場競爭激烈，產(chǎn)品的外觀設(shè)計也能起到很好的效果，致使產(chǎn)品的生命周期越來越短，很多企業(yè)采用新技術(shù)來提高產(chǎn)品的外觀設(shè)計和制造效率，以縮短研發(fā)周期。而對于復(fù)雜曲面產(chǎn)品，尤其是仿生設(shè)計的產(chǎn)品，若直接采用傳統(tǒng)的正向設(shè)計方法建模，不僅操作程序復(fù)雜、繁瑣，而且難于設(shè)計出與仿生物外觀一致的產(chǎn)品。利用逆向工程技術(shù)的3D測量技術(shù)和三維建模獲取原型的三維數(shù)據(jù)，結(jié)合正向設(shè)計方法對三維數(shù)據(jù)進行新特征創(chuàng)建、造型修改等，不僅能設(shè)計出更好的、滿足特定功能的產(chǎn)品，還能加快產(chǎn)品的造型設(shè)計速度，縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期。[1]

1 數(shù)字化設(shè)計流程

該研究通過掃描蘋果獲取點云數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理和逆向建摸得到能用于建模成殼體的蘋果三維數(shù)字模型，再采用正向設(shè)計方法創(chuàng)建用于裝配的功能特征，最后通過3D打印進行樣機的試制和裝配效果的驗證。蘋果鐘表設(shè)計的流程如圖1所示。

圖1 蘋果鐘表的逆向設(shè)計流程

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 蘋果的數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)蘋果尺寸及其構(gòu)造特點，蘋果外形的數(shù)據(jù)獲取采取Win3DD白光單目掃描儀，該掃描儀采用斜射式三角法測量原理，[2，3]其具體測量原理如圖2所示。

圖2 斜射式三角法測量原理

為增強掃描效果，數(shù)據(jù)采集過程中需完成噴粉、粘貼標志點、調(diào)整設(shè)備參數(shù)等步驟。蘋果數(shù)據(jù)獲取過程中，會帶來一定的噪音、表面雜質(zhì)等。同時在掃描過程中，由于標志點粘貼的問題，也難免會帶來微細的錯層問題。這些問題將可通過點云數(shù)據(jù)處理進行解決。

2.2 蘋果的數(shù)字處理技術(shù)

目前，點云數(shù)據(jù)的處理軟件主要有：Imageware、Geomagic Wrap、掃描儀自帶的軟件等。本研究采用數(shù)據(jù)處理采用Geomagic Wrap進行數(shù)據(jù)處理，主要去除掃描過程中的模型表面帶來的雜點及外界環(huán)境帶來的噪聲，填補標志點帶來的破洞及掃描儀獲取不到的數(shù)據(jù)等。由于蘋果模型本身就是一個天然的自由體，不同蘋果其造型都有微細區(qū)別，因此在數(shù)據(jù)處理過程中，可對其原始數(shù)據(jù)進行適當?shù)娜∩帷?/p>

2.3 蘋果的模型重構(gòu)技術(shù)

目前，逆向建摸軟件有：Geomagic Design X、Imageware、Geomagic Studio、UG、Creo、CATIA、中望等。本研究蘋果的模型重構(gòu)采用Geomagic Design X進行蘋果三維數(shù)據(jù)的數(shù)字化建模，需對處理好的數(shù)據(jù)完成如下工藝手段：對齊坐標系、創(chuàng)建平面、繪制和編輯樣條曲線、創(chuàng)建曲面、編輯曲面、縫合曲面等。為了驗證三維逆向建模的造型和掃描數(shù)據(jù)是否吻合，本研究對建模后的蘋果模型進行精度驗證，效果如圖3所示。為了后續(xù)產(chǎn)品的正向建模，本文將創(chuàng)建好的三維模型進行抽殼特征的處理。

2.4 蘋果鐘表的創(chuàng)新設(shè)計

上述創(chuàng)建的蘋果外形可在Geomagic Design X進行正向設(shè)計，不同軟件有各自的優(yōu)勢，有些軟件方便于逆向建模，有些軟件方便于正向建模。本研究采用將Geomagic Design X逆向創(chuàng)新好的蘋果模型殼體特征導(dǎo)入到Creo正向創(chuàng)新軟件進行創(chuàng)新設(shè)計。設(shè)計過程中除考慮到產(chǎn)品的裝配和功能的實現(xiàn)外，還應(yīng)考慮能夠用于批量生產(chǎn)的能夠直接開模的產(chǎn)品外殼，設(shè)計出的產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 精度分析

圖4 蘋果鬧鐘的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3 蘋果鐘表的樣機試制與驗證

將創(chuàng)新設(shè)計的蘋果外殼保存成stl格式的文件，即可通過分層處理軟件（如：3D打印機公司開發(fā)的軟件、Cura、CraftWare、FreeCAD等）進行切片處理，再導(dǎo)入相匹配的3D打印機進行樣機的試制。目前多數(shù)3D打印機公司都會研發(fā)與其打印機配套的3D打印軟件，而且操作越來越簡單化和智能化。本研究將創(chuàng)新好的蘋果鐘表外殼數(shù)字模型導(dǎo)入Up Studio軟件進行分層處理，并利用UP box的3D打印機進行樣機的試制。將鐘表機芯等配件裝入后可以得到完整功能的產(chǎn)品。最終效果如圖5所示。

圖5 鬧鐘樣機

4 結(jié)語

逆向工程技術(shù)及3D打印技術(shù)近年來得到突飛猛進的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于新產(chǎn)品的開發(fā)與試制，是現(xiàn)代設(shè)計與制造企業(yè)在市場競爭中生產(chǎn)與發(fā)展的強力支撐。[4]逆向工程技術(shù)及3D打印技術(shù)可大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，如本文所研究的蘋果鬧鐘的試制，從產(chǎn)品的掃描到樣機的試制完成大約需要8小時的時間，大大縮短鬧鐘的開發(fā)周期，節(jié)約了仿生設(shè)計的開發(fā)成本。本文所提出的蘋果鬧鐘的數(shù)字化設(shè)計方法也可推廣到其他產(chǎn)品的設(shè)計與試制。

[1] 孫肖霞,藍霏,辛緒華. 基于正逆向建模技術(shù)的汽車后視鏡設(shè)計[J].科技信息,2011(29): 126-127.

[2] K Harding.Calibraiton Methods for 3D Measurement Systems[J].Intelligent Systems & Smart Manufacturing, 2001, 4189: 239-247．

[3] Godin, Rioux, Beraldin, Levoy, Coumoyer, Blais．An Assessment of Laser Range Measurement on Marble Surfaces[J]．5th Conference on Optical 3D Measunement Techniques, Vienna, Austria, 2001．

[4] 郭晟,等.基于逆向技術(shù)的剃毛器三維建模與數(shù)控加工[J].機械工程與自動化,2018(1): 211-212.

（責(zé)任編輯：黃文麗）

Digital design and prototype manufacture of Apple clock based on Reverse Engineering

HUANG Jia-fu

(Zhangzhou Institute of Technology, Zhangzhou, Fujian, 363000, China)

Reverse engineering technology and 3D printing technology have been developing rapidly in recent years, are widely used in the development and trial production of new products. In this paper, the 3D scanner is used to scan the apple model. Reverse software is used to digitally design the reverse engineering of Apple's point cloud data by reverse software, and the forward design software is used for innovative design. 3D printing technology is used for prototype trial production. The paper reaches a conclusion，Reverse engineering technology can reduce the design time of products.

digital design; reverse engineering; bionic design; 3D printing

2018－07－05

漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院2015年科研課題（ZZY1507）。

黃加福（1984—），男，福建龍海人，講師，碩士，研究方向：逆向工程設(shè)計。

1673-1417（2018）03-0084-04

10.13908/j.cnki.issn1673-1417.2018.03.0018

TH64

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