綦曉倩，張 淼，段承佑，唐 雅，張 倩

(1. 天津城建大學(xué)控制與機(jī)械工程學(xué)院，天津 300384；2. 天津微深聯(lián)創(chuàng)科技有限公司，天津 300384)

0 引言

近幾年，國內(nèi)外大量學(xué)者開始關(guān)注正、逆向混合設(shè)計(jì)。孫肖霞等[1]采用基于正逆向工程的混合設(shè)計(jì)方法，改進(jìn)和提高了汽車產(chǎn)品的正向設(shè)計(jì)效率。黃加福[2]利用正逆向工程方法對(duì)打蛋器支架進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)精確度的提升。李巖等[3]通過研究驗(yàn)證了拓?fù)鋬?yōu)化與正、逆向工程模型重構(gòu)技術(shù)相結(jié)合的方法在產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)中的可行性。成思源等[4]結(jié)合正逆向建模技術(shù)，提出了針對(duì)不同患者小腿受傷部位的醫(yī)療護(hù)具快設(shè)計(jì)的方法。苗盈等[5]采用正逆向混合建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了塑料產(chǎn)品的快速還原和二次創(chuàng)新。

本文以全面供氣式面罩模具設(shè)計(jì)為例，進(jìn)行個(gè)體防護(hù)產(chǎn)品逆向重構(gòu)、正向參數(shù)化建模、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、快速成型試制等開發(fā)實(shí)踐，為利用正逆向工程方法迭代設(shè)計(jì)其他個(gè)體防護(hù)用品，提高開發(fā)速度和質(zhì)量提供參考。

1 全面供氣式面罩創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程

呼吸防護(hù)用品分為空氣過濾式和供氣式兩種類型[6]，供氣式呼吸防護(hù)用品通過自身攜帶的氣源或?qū)夤芄?，將潔凈空氣輸送至使用者[7]。

本文選取全面供氣式面罩為研究對(duì)象，采用正、逆向混合創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并利用快速成型技術(shù)完成試制優(yōu)化，具體流程如圖1所示。在樣品模型設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)獲取階段，通過掃描儀標(biāo)定、標(biāo)記點(diǎn)粘貼、掃描標(biāo)記點(diǎn)、設(shè)置掃描參數(shù)、掃描激光點(diǎn)、保存數(shù)據(jù)一系列操作流程進(jìn)行模型數(shù)據(jù)采集；將采集所得的3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入逆向軟件Geomagic Studio中進(jìn)行曲面處理，構(gòu)造出CAD模型，完成數(shù)據(jù)前處理；通過Geomagic Studio處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在CATIA平臺(tái)軟件中通過逆向點(diǎn)群編輯模塊導(dǎo)入，分析點(diǎn)云并對(duì)其進(jìn)行再次降噪和過濾處理，完成曲線構(gòu)建，包括邊界線、點(diǎn)云截面線和特征線創(chuàng)建。對(duì)創(chuàng)建的線架構(gòu)進(jìn)行光順性檢查、曲面重構(gòu)、曲面質(zhì)量分析，完成一系列重建工作?；诖藢⒛嫦蚣夹g(shù)處理后的模型導(dǎo)入正向軟件中進(jìn)行實(shí)體化操作，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的造型、功能等的改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。新產(chǎn)品最終確定后，選用快速成型技術(shù)制作出實(shí)物樣件，再對(duì)其進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，最后完成整個(gè)產(chǎn)品的創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 正逆向混合設(shè)計(jì)流程

2 全面供氣式面罩逆向設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集指通過特定的測(cè)量方法和設(shè)備，將物體表面形狀轉(zhuǎn)換成幾何坐標(biāo)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集是逆向工程的首要環(huán)節(jié)，直接影響設(shè)計(jì)產(chǎn)品的精度、完整度和工程的效率[8]。本文采用VTOP-600H激光手持3D掃描儀，該設(shè)備通過7束激光線組合掃描，突出特點(diǎn)是使用便捷、速度快、精度高、細(xì)節(jié)表現(xiàn)明顯；對(duì)環(huán)境條件要求低，可實(shí)現(xiàn)深孔和死角掃描；目標(biāo)點(diǎn)自動(dòng)定位，不需要再接入額外的機(jī)械臂或跟蹤設(shè)備；具備白光視覺補(bǔ)償系統(tǒng)，即使在光線較暗的情況下也能正常掃描。

首先進(jìn)行全面供氣式面罩產(chǎn)品的樣品模型基本參數(shù)數(shù)據(jù)采集，此樣品是由平滑連續(xù)曲面和平面構(gòu)成的復(fù)雜模型，具體步驟為： 掃描儀標(biāo)定→標(biāo)記點(diǎn)粘貼→掃描標(biāo)記點(diǎn)→設(shè)置掃描參數(shù)→掃描激光點(diǎn)→保存數(shù)據(jù)。

全面供氣式面罩的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集如圖2所示。

圖2 面罩點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

2.2 掃描數(shù)據(jù)處理及修復(fù)

采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)成千上萬，無可避免會(huì)產(chǎn)生測(cè)量數(shù)據(jù)上的誤差，尤其是在邊緣位置，如繩扣與進(jìn)氣管道的連接處、出氣管道與出氣支架之間的卡扣等位置，會(huì)存在偏離點(diǎn)集較遠(yuǎn)的點(diǎn)，被稱作異常點(diǎn)。這些異常點(diǎn)在三角網(wǎng)格模型階段會(huì)導(dǎo)致周邊的曲面片偏離原模型。此外，大量冗余點(diǎn)云對(duì)控制整個(gè)處理過程的時(shí)長影響很大[9]。因此，必須在逆向重構(gòu)之前進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以獲得完整、精準(zhǔn)的測(cè)量數(shù)據(jù)。

通常使用Geomagic Warp軟件進(jìn)行修復(fù)及點(diǎn)云處理。先是點(diǎn)云著色，手動(dòng)刪除非連接項(xiàng)、體外孤點(diǎn)，減少噪聲，統(tǒng)一采樣及封裝，如圖3所示。在此階段，可以將處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以一定規(guī)律連接成多邊形，生成多邊形格式文件，從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)向三角片體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，如圖4所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理

圖4 處理成三角片體

由圖3可知： 在封裝過程中，面罩體的部分區(qū)域由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的缺失形成空洞，可采用Geomagic Studio的“網(wǎng)格醫(yī)生”功能、填孔命令對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)和修復(fù)。在此過程中，填充孔又包括選擇全部填充和選擇單個(gè)孔填充，可視模型的具體情況而選擇合適的修復(fù)方式。經(jīng)過“網(wǎng)格醫(yī)生”對(duì)片體進(jìn)行漏洞修補(bǔ)，再根據(jù)零件特點(diǎn)建立起特征區(qū)域，完成對(duì)3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后處理。

2.3 曲面重構(gòu)

曲面階段的處理是指由多邊形模型經(jīng)過軟件技術(shù)處理后得到理想的曲面模型。在Geomagic Studio中有兩種曲面重構(gòu)方法： 精確曲面重構(gòu)和參數(shù)曲面重構(gòu)。精確曲面重構(gòu)是把一個(gè)完整的曲面分割成由多個(gè)較小的四邊曲面片組成的集合體，然后將每個(gè)曲面片擬合成NURBS曲面，該方法適合復(fù)雜曲面重構(gòu)。參數(shù)曲面重構(gòu)是通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲率劃分，再對(duì)不同曲面的類型進(jìn)行定義，然后分塊擬合曲面，最后進(jìn)行連接部位的擬合，形成完整的CAD曲面并輸出，體現(xiàn)原始設(shè)計(jì)意圖[10]，該方法適合于規(guī)則曲面的重構(gòu)。

首先，通過截線的方式構(gòu)造輪廓線。由于全面供氣式面罩外形較復(fù)雜，自由曲面較多，采用探測(cè)曲率的構(gòu)造方式，根據(jù)模型表面的曲率變化生成輪廓線，如圖5(a)所示，對(duì)各曲面領(lǐng)域劃分。然后對(duì)輪廓線進(jìn)行提取修復(fù)再編輯，利用POWERFIT、曲面填充、曲面片移動(dòng)、松弛等功能，將模型整個(gè)表面分為多個(gè)獨(dú)立的曲面區(qū)域，使其成為一個(gè)由較小的四邊形曲面片組成的集合體，如圖5(b)所示。最后，對(duì)每個(gè)四邊形曲面片的UV參數(shù)化生成網(wǎng)格，將每個(gè)曲面片擬合成NURBS曲面，如圖5(c)所示，并通過UV參數(shù)化保證相鄰的曲面片之間的全局連接和G1連續(xù)。最終得到的CAD模型，如圖5(d)所示。

(a) 各曲面領(lǐng)域劃分

(b) 截取輪廓線

(c) 自由曲面控制點(diǎn)調(diào)整

(d) 最終實(shí)體CAD模型

2.4 3D全尺寸檢測(cè)

3D點(diǎn)云全尺寸數(shù)據(jù)檢測(cè)通常需要使用Geomagic Control X軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比和分析。將掃描的3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)和逆向建模的3D點(diǎn)云實(shí)體全尺寸數(shù)據(jù)分別進(jìn)行導(dǎo)入，設(shè)定逆向建模數(shù)據(jù)為text文件，并通過最佳配準(zhǔn)方式將逆向建模數(shù)據(jù)和掃描數(shù)據(jù)重合在一起，確認(rèn)無誤后進(jìn)行3D比較，根據(jù)色譜圖分別測(cè)量出誤差較大位置的數(shù)值，最終生成檢測(cè)報(bào)告，而后根據(jù)檢測(cè)報(bào)告可以進(jìn)行后期微調(diào)及修改，如圖6、7所示。

圖6 罩體檢測(cè)誤差示意圖(1)

將重建后的參數(shù)化模型和修補(bǔ)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行3D比較和采樣點(diǎn)分析，得出比較點(diǎn)后，可獲取不同位置的尺寸偏差情況(表1)。一般呼吸防護(hù)面罩類軟膠產(chǎn)品允許的尺寸偏差控制在小于0.5 mm范圍內(nèi)即可，因此，經(jīng)過逆向處理后的全面供氣式面罩模型完全符合設(shè)計(jì)意向需求。

表1 修復(fù)后的數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)誤差對(duì)比

3 全面供氣式面罩正向設(shè)計(jì)

3.1 全面供氣式面罩設(shè)計(jì)調(diào)研分析

全面供氣式面罩的罩體由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性與功能特殊性，對(duì)材質(zhì)要求較高。面罩材質(zhì)應(yīng)無毒、無刺激性、對(duì)健康無害，能夠經(jīng)受一般的消毒處理。面罩應(yīng)同時(shí)具有高、低溫適應(yīng)性，且經(jīng)過預(yù)處理后的面罩無明顯變形，螺紋連接部分應(yīng)能與過濾件很好地連接。材質(zhì)不僅需要保證產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，同時(shí)還應(yīng)該易于加工生產(chǎn)，滿足對(duì)材質(zhì)成本的控制。面罩邊緣應(yīng)平滑，無棱角和毛刺，無影響氣密性的缺陷；面罩內(nèi)應(yīng)與面部緊密貼合，無明顯壓痛感；面罩固定系統(tǒng)可根據(jù)使用者的不同需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，并具有較好的舒適性。

基于馬斯洛需求層次理論對(duì)全面供氣式面罩的用戶需求[11]進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，如表2所示。

表2 用戶需求分析

在用戶使用需求分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建用戶行為模型，建立創(chuàng)新設(shè)計(jì)指南。首先，分析用戶從接觸產(chǎn)品、使用產(chǎn)品到維護(hù)產(chǎn)品整個(gè)過程中會(huì)產(chǎn)生的行為動(dòng)作及相應(yīng)問題，同時(shí)根據(jù)出現(xiàn)的問題對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，使產(chǎn)品更好地適配不同用戶。用戶在使用時(shí)應(yīng)選擇合適的規(guī)格，罩體邊緣與頭部貼緊。另外，要保持面罩內(nèi)氣流暢通無阻，防止導(dǎo)氣管扭彎壓住，影響通氣。在使用之前進(jìn)行周密、詳盡的檢查： 試戴一下面罩是否合適，視線是否會(huì)受到阻擋；呼吸管是否完好，呼吸閥、排氣閥是否可以正常使用；面罩是否出現(xiàn)破損，是否出現(xiàn)漏氣，檢查面具是否有裂痕、破口；檢查呼氣閥片有無變形、破裂及裂縫；檢查頭帶是否有彈性；檢查濾毒盒的密封圈是否完好。用戶使用行為模型構(gòu)建如表3所示。

表3 用戶行為模型分析

3.2 產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.2.1 原產(chǎn)品設(shè)計(jì)分析

產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)主要針對(duì)已確定好的設(shè)計(jì)方向，對(duì)傳統(tǒng)防護(hù)性能的全面供氣式面罩的功能及舒適性進(jìn)行改良，完善結(jié)構(gòu)。改進(jìn)前的全面供氣式面罩產(chǎn)品罩體長度為130.11 mm，寬度為108.21 mm，過長過寬，罩體與面罩連接后會(huì)導(dǎo)致佩戴者的視線受阻。罩體內(nèi)凹形成橢圓狀，材質(zhì)為硬塑料，因此，無法與大部分佩戴者的臉型、鼻型相匹配；硬塑料材質(zhì)還會(huì)阻礙產(chǎn)品內(nèi)部空氣的流通，導(dǎo)致出氣不暢，與人的皮膚摩擦還易造成傷害，如圖8所示。

圖8 原產(chǎn)品罩體內(nèi)部

受傳統(tǒng)工藝影響，罩體內(nèi)塑料均偏厚，其中靠近臉部位的材質(zhì)厚度為2.67 mm，其他部位厚度為1.71 mm，邊緣棱角處理均較粗糙。面罩與罩體的進(jìn)氣管道與進(jìn)氣支架連接不牢靠，導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)成本增加，且氣密性較差，如圖9所示。

圖9 原產(chǎn)品材質(zhì)

3.2.2 產(chǎn)品改進(jìn)設(shè)計(jì)

由于不同人臉型大小的差異，用戶在實(shí)際佩戴過程中會(huì)出現(xiàn)面罩輪廓與臉型貼合不緊密，佩戴舒適性差，適配感不佳等問題。依據(jù)逆向建模后得到的CAD模型特征數(shù)據(jù)，結(jié)合最終的設(shè)計(jì)需求，利用Unigraphics NX或者其他正向建模軟件對(duì)面罩樣件的CAD模型進(jìn)行重構(gòu)。通過調(diào)整3D模型局部數(shù)據(jù)，滿足不同人群的臉型要求。最后對(duì)全面供式氣面罩的整體造型、結(jié)構(gòu)進(jìn)行易安裝、易佩戴，能緊密貼合人臉，實(shí)現(xiàn)高密封性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升使用體驗(yàn)感。

1) 改進(jìn)后的面罩支架與面罩之間的連接方式采用凹凸卡扣，使二者緊密相扣，確保連接處的氣密性良好，如圖10所示。

圖10 改進(jìn)后的卡扣方式

2) 進(jìn)氣孔開設(shè)在進(jìn)氣管道上，在保證進(jìn)氣管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，相比于傳統(tǒng)全面供氣式面罩更節(jié)省產(chǎn)品成本，如圖11所示。

圖11 改進(jìn)后的進(jìn)氣孔

3) 出氣支架圓孔直徑大于出氣管道圓孔直徑，并以凹凸式卡口方式連接，使其在保證罩體內(nèi)具有良好氣密性的同時(shí)，出氣管道也不會(huì)因彎折而堵塞，如圖12所示。

圖12 改進(jìn)后的出氣口

4) 改良后的罩體使用增材制造技術(shù)，平均厚度為1 mm，大大節(jié)省了原材料，并且也能保證空氣內(nèi)部的傳導(dǎo)作用，流動(dòng)性較好，能防護(hù)住外部的有毒氣體，佩戴舒適。改進(jìn)前的罩體與管道之間夾角為65°，而改進(jìn)后的夾角為45°，管道直徑略小于罩體寬度，更符合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)，如圖13所示。

圖13 改進(jìn)后的罩體與管道夾角

5) 根據(jù)原有罩體前伸過長的缺點(diǎn)進(jìn)行再設(shè)計(jì)，前后長度縮短為31.18 mm，左右寬度調(diào)整為81.15 mm，由此罩體前后的延伸尺寸變小，不遮擋用戶視線，改善了傳統(tǒng)全面供氣式面罩體積大，管道延伸長，易遮擋視線，妨礙用戶操作的缺點(diǎn)，如圖14所示。

圖14 改進(jìn)后的罩體尺寸

6) 面部接觸位置的罩體曲線依據(jù)不同的用戶臉型特征進(jìn)行優(yōu)化，大大提升了用戶使用的體驗(yàn)感。改進(jìn)后的最終全面供氣式面罩如圖15所示。

3.3 采用快速成型技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品試制

快速成型技術(shù)使產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)、造型不受傳統(tǒng)制造工藝的嚴(yán)格限制，可直接實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜外形和結(jié)構(gòu)的3D成型[12]。

圖15 最終方案

通常情況下，如無特殊要求，在保證精度及效果的情況下，選擇SLA光固化技術(shù)打印光敏樹脂材料。如圖16所示，通過3D打印面罩的罩體部分，進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)證，結(jié)果證明所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品符合設(shè)計(jì)需求。

圖16 快速成型(3D打印)

4 結(jié)論

基于正、逆向設(shè)計(jì)結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，通過逆向工程技術(shù)進(jìn)行原有零部件的模型重構(gòu)，利用網(wǎng)格模型滿足設(shè)計(jì)意圖并輔助正向設(shè)計(jì)，用3D數(shù)字化測(cè)量還可實(shí)現(xiàn)模型的綜合誤差檢測(cè)，驗(yàn)證逆向設(shè)計(jì)的可靠性。再根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)要求，對(duì)全面供氣式面罩的整體及部分進(jìn)行再設(shè)計(jì)。利用光固化快速成型技術(shù)進(jìn)行了全面供氣式面罩產(chǎn)品的快速制造及測(cè)試。結(jié)果證明： 正逆向混合設(shè)計(jì)可精準(zhǔn)、快速地完成整個(gè)產(chǎn)品的創(chuàng)新開發(fā)過程及后期試制裝配，不僅提高了設(shè)計(jì)精度和適用性，還大大縮短了研發(fā)設(shè)計(jì)周期，減少了各方面的成本。