郭 晟，賴 嘯，劉 勇，劉存平

(宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 宜賓 644000)

0 引言

近幾年來(lái)，逆向工程技術(shù)發(fā)展迅速，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(kāi)發(fā)，其結(jié)合CAD/CAM技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)體建模、仿真、優(yōu)化及新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，具有高質(zhì)高效的可操作性及便捷性。逆向技術(shù)在還原修復(fù)過(guò)程中主要是通過(guò)將離散的點(diǎn)云數(shù)據(jù)優(yōu)化處理，然后經(jīng)建模軟件進(jìn)行三維數(shù)據(jù)重構(gòu)，得到具有原始生產(chǎn)信息的數(shù)字模型，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的復(fù)原修復(fù)[1]。本文以射釘槍為研究對(duì)象，結(jié)合Geomagic DesignX軟件在逆向設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及UG的建模技術(shù)，重點(diǎn)介紹產(chǎn)品逆向還原修復(fù)、局部改良優(yōu)化設(shè)計(jì)的具體操作與應(yīng)用，對(duì)產(chǎn)品修復(fù)、改良及新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)具有一定的借鑒作用。

1 產(chǎn)品原型分析

射釘槍在建筑施工、木工等工作場(chǎng)合中應(yīng)用廣泛，是必備的關(guān)鍵工具，能擊發(fā)射釘打入磚砌體、鋼鐵、巖石及混凝土等基體中，從而將需要固定的構(gòu)件與基體進(jìn)行牢固的連接。

本研究對(duì)象為使用多年的老舊產(chǎn)品，這款射釘槍因在工地使用多年，目前表面已腐蝕、損傷，原始的生產(chǎn)數(shù)據(jù)丟失，實(shí)體質(zhì)量已難以保證，同時(shí)手感不佳，使用不方便，不美觀。為此，利用逆向工程技術(shù)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行重構(gòu)，同時(shí)對(duì)原始模型的部分位置和性能做出了相應(yīng)的局部改良和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以保證其適用性和實(shí)用性。圖1為原始產(chǎn)品。

圖1 原始產(chǎn)品

2 射釘槍逆向設(shè)計(jì)與局部改良技術(shù)思路

在逆向工程中，逆向建模是基礎(chǔ)，它主要是針對(duì)現(xiàn)有的制件或模型，運(yùn)用3D數(shù)字化檢測(cè)儀器快速而準(zhǔn)確地獲取其表面三維數(shù)據(jù)，再將這些數(shù)據(jù)處理后通過(guò)3D幾何建模方法重構(gòu)制件CAD數(shù)字模型[2]。本研究以射釘槍為設(shè)計(jì)對(duì)象，通過(guò)Win3DD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)化為測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過(guò)點(diǎn)云處理軟件Geomagic Studio將點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成NURBS曲面模型，然后結(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)生成的模型進(jìn)行精度檢驗(yàn)。

在零件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的應(yīng)用中，相對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，逆向工程是一個(gè)新的嘗試[3]，本研究針對(duì)老舊破損射釘槍進(jìn)行逆向優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對(duì)手柄、填料腔、外殼形體、柄尾、板機(jī)等5個(gè)部分進(jìn)行局部改良創(chuàng)新設(shè)計(jì)。采取的主要逆向工程設(shè)計(jì)步驟為：①選取射釘槍原始模型，噴顯像劑以助于反光和灰暗處的顯像；②標(biāo)志點(diǎn)粘貼，確定標(biāo)志點(diǎn)的位置與數(shù)量以確保點(diǎn)云的完整性與精確性；③運(yùn)用3D掃描儀進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集；④運(yùn)用 Geomagic Studio 12軟件進(jìn)行面片的修補(bǔ)和完善；⑤運(yùn)用Geomagic DesignX 64逆向建模軟件對(duì)需修復(fù)的實(shí)體進(jìn)行三維數(shù)據(jù)模型重構(gòu)和再設(shè)計(jì)；⑥采用UG對(duì)射釘槍進(jìn)行完善、裝配和外觀的改善。逆向工程設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 逆向工程設(shè)計(jì)流程

3 數(shù)字模型建構(gòu)

模型的建構(gòu)主要由三維數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)字模型重構(gòu)、裝配成型等關(guān)鍵步驟組成。逆向設(shè)計(jì)中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集是基礎(chǔ)[4]。本研究采用三維天下有限公司的Win3DD三維掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集時(shí)要依據(jù)產(chǎn)品的具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)擬定采集方案，并綜合運(yùn)用噴顯像劑、貼標(biāo)、橡皮泥等工具與手段進(jìn)行操作，確保數(shù)據(jù)的完整性與精確度在允許范圍內(nèi)，具體如圖3所示。

圖3 三維數(shù)據(jù)采集

獲取離散的初始圖元數(shù)據(jù)后，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，最后進(jìn)行封裝，如圖4所示。

圖4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

封裝后就進(jìn)入到實(shí)體模型重構(gòu)階段，此時(shí)在DX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”等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)射釘槍實(shí)體模型的逆向及局部改良優(yōu)化重建工作，如圖5所示。

圖5 DX逆向建模

最后利用UG完成整個(gè)射釘槍產(chǎn)品的裝配成型，其爆炸圖如圖6所示。

圖6 射釘槍裝配爆炸圖

4 射釘槍逆向局部改良創(chuàng)新點(diǎn)解析

我們通過(guò)逆向技術(shù)對(duì)射釘槍生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集保樣，以便于數(shù)字化生產(chǎn)管理，同時(shí)溶入人性化的設(shè)計(jì)理念，從具體實(shí)用的角度著手進(jìn)行了局部改良與創(chuàng)新，創(chuàng)新點(diǎn)解析如圖7所示。

圖7 創(chuàng)新點(diǎn)解析圖

構(gòu)建的三維數(shù)據(jù)模型主要從如下幾個(gè)方面進(jìn)行了局部創(chuàng)新優(yōu)化改良設(shè)計(jì)：

(1)原射釘槍手柄手感舒適度有些差，基于成年男人的食指形態(tài)與參數(shù)，優(yōu)化了其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。其對(duì)比效果如圖8所示。

圖8 手柄人性化造型設(shè)計(jì)前后對(duì)比效果圖

(2)在原射釘槍的基礎(chǔ)上加大了填料腔，擴(kuò)充了彈簧的壓縮行程，增強(qiáng)了彈簧壓縮力，使擊出的射釘能射穿更厚的鋼板。

(3)手柄尾部由原來(lái)的圓頭改為方頭，該結(jié)構(gòu)便于在此處增加兩顆定位緊固螺釘，使其有更好的固定效果以避免震動(dòng)引起的松動(dòng)，其效果如圖9所示。

圖9 手柄尾部局部改良前后對(duì)比效果圖

(4)扳機(jī)處由原來(lái)的完全封閉圈結(jié)構(gòu)改為五分之三弧形結(jié)構(gòu)，使用時(shí)更為便捷舒適，設(shè)計(jì)更加人性化。其效果對(duì)比如圖10所示。

圖10 扳機(jī)局部改良前后對(duì)比效果圖

(5)在原來(lái)的基礎(chǔ)上對(duì)其外觀做了一定的改進(jìn)，給人的感覺(jué)更加協(xié)調(diào)，具體效果對(duì)比如圖11所示。

圖11 創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)前后對(duì)比效果圖

經(jīng)逆向并創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)后，射釘槍使用更為舒適、方便，結(jié)構(gòu)更趨合理，且產(chǎn)品外形顯得更為美觀。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著逆向技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和迅猛發(fā)展，其已成為現(xiàn)代先進(jìn)工業(yè)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的重要標(biāo)志[5]。本文以實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛的射釘槍產(chǎn)品為研究載體，應(yīng)用逆向技術(shù)進(jìn)行射釘槍的三維數(shù)據(jù)采集，并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，運(yùn)用相應(yīng)軟件完成了產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型的建構(gòu)，進(jìn)而提取較完整的原始生產(chǎn)信息。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的優(yōu)化與改良設(shè)計(jì)，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)行優(yōu)化改良設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)更緊湊，功能更強(qiáng)大更完善。