三維數(shù)字化技術(shù)在工業(yè)產(chǎn)品中的應(yīng)用

劉晉斌

摘要：工業(yè)4.0是科技進(jìn)步的一場(chǎng)革命，縱觀全球，三維數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)成為各大企業(yè)提升創(chuàng)新能力、優(yōu)化研制流程、提升研發(fā)效能的有效途徑。三維數(shù)字化技術(shù)針對(duì)的大多是應(yīng)用軟件，三維數(shù)字化軟件基于大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)模型計(jì)算分析，可以進(jìn)行三維建模，完成原物體的三維模型。三維建模中三維逆向建模是還原原物體形狀的一種建模方式，以點(diǎn)云為基礎(chǔ)，對(duì)片面進(jìn)行劃分合理的領(lǐng)域的過(guò)程，此技術(shù)能夠大大增加產(chǎn)品建模的精度，應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具造型設(shè)計(jì)、醫(yī)療器械等精密度要求較高的領(lǐng)域中，并結(jié)合先進(jìn)制造技術(shù)可以加工出形狀各異的高精度產(chǎn)品。本課題以面盆龍頭為例，研究三維數(shù)字化技術(shù)在工業(yè)產(chǎn)品中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：三維數(shù)字化;逆向建模;工業(yè)產(chǎn)品;創(chuàng)新設(shè)計(jì);制造

1 概述

隨著社會(huì)發(fā)展的不斷更新?lián)Q代，傳統(tǒng)的技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足產(chǎn)品外型及產(chǎn)品精度的要求。三維數(shù)字化建模技術(shù)是由計(jì)算機(jī)進(jìn)行搭建三維建模的新方式，大幅提高了傳統(tǒng)的建模技術(shù)。而三維逆向建模則是在計(jì)算機(jī)分析仿真的基礎(chǔ)上對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行建模，并模擬出精度誤差分析的過(guò)程，大大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，從而在現(xiàn)代社會(huì)中被廣泛的使用。

在工業(yè)產(chǎn)品中，面盆龍頭是安裝在面盆上用于日常洗漱的產(chǎn)品，功能是通過(guò)混水閥調(diào)節(jié)自來(lái)水的大小與冷熱，達(dá)到用戶的使用標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)有一款面盆臺(tái)面單把手雙孔面盆龍頭組件實(shí)物（圖1），把手部分和相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)資料缺失，現(xiàn)計(jì)劃重新生產(chǎn)該款龍頭，需要對(duì)閥體組件重新建模。根據(jù)閥體模型設(shè)計(jì)制造把手樣件與面盆龍頭體進(jìn)行試配驗(yàn)證，并投入到消費(fèi)市場(chǎng)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造存在的難點(diǎn)：（1）面盆龍頭曲面多，面片難以擬合。（2）設(shè)計(jì)龍頭主件難以模擬仿真。（3）加工時(shí)表面粗糙度難以控制。（4）創(chuàng)新設(shè)計(jì)的把手要符合裝配要求。以三維數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)來(lái)解決此問(wèn)題，做出產(chǎn)品，滿足要求。

2 面盆龍頭產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1面盆龍頭的點(diǎn)云采集

點(diǎn)云是逆向建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，有了點(diǎn)云素材才能根據(jù)點(diǎn)云素材進(jìn)行建模。點(diǎn)云的采集通過(guò)掃描儀進(jìn)行，我們選用的掃描儀器是北京三維天下WIN3DD三維掃描儀（圖2），該掃描儀配置三維數(shù)字化相機(jī)與光柵，掃描的方式以拍照式自動(dòng)拼接成型[1]。掃描的空間誤差小、精度高。此掃描儀能夠滿足產(chǎn)品點(diǎn)云的數(shù)據(jù)采集。

要采集準(zhǔn)確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，首先調(diào)整好掃描儀的擺放角度，如果角度調(diào)整不好，很容易出現(xiàn)點(diǎn)云不全的現(xiàn)象，導(dǎo)致后續(xù)無(wú)法進(jìn)行。之后再調(diào)整相機(jī)的參數(shù)，參數(shù)按照說(shuō)明書(shū)中介紹的設(shè)置。再進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定是不可缺少的重要部分，就像是畫(huà)圖的基準(zhǔn)面一樣，標(biāo)定的質(zhì)量直接影響建模的精度。掃描過(guò)程中，掃描的模式分為拼合掃描、非拼合掃描、框架點(diǎn)掃描，掃描時(shí)應(yīng)選擇合理的掃描方式進(jìn)行掃描。因面盆龍頭表面金屬反光并表面有些薄面，掃描儀無(wú)法準(zhǔn)確地采集到點(diǎn)云素材，所以選擇拼合掃描，這樣才能迅速捕捉到物體的形狀，采集點(diǎn)云。最后通過(guò)掃描儀得到的點(diǎn)云素材格式為（.asc），導(dǎo)人GeomagicWrap軟件中。

G eomagicWrap軟件的特點(diǎn)是能支持多種的掃描設(shè)備，基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯并快速創(chuàng)建精準(zhǔn)的多邊形模型[2]的軟件。由于面盆龍頭的外型曲面較多，處理點(diǎn)云的時(shí)候先清除無(wú)關(guān)的雜點(diǎn)，保證面盆龍頭的外型點(diǎn)云。再進(jìn)行點(diǎn)云的平滑，使面盆龍頭的點(diǎn)云外型變得更加光滑，之后去躁點(diǎn)，把點(diǎn)精簡(jiǎn)，保證在250000個(gè)點(diǎn)左右，簡(jiǎn)化后的2D效果圖如圖3。接下來(lái)就要進(jìn)行三角網(wǎng)格片面的修補(bǔ)，把破掉的地方補(bǔ)起來(lái)，使物體完整，之后進(jìn)行點(diǎn)面片優(yōu)化，保存完整的點(diǎn)云（圖4）。此時(shí)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量的原始面盆龍頭得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比誤差見(jiàn)表1（單位毫米），誤差僅為0.04毫米。

2.2 面盆龍頭的三維逆向建模

通過(guò)以上處理的點(diǎn)云素材是已經(jīng)達(dá)到建模的標(biāo)準(zhǔn)了。點(diǎn)云素材導(dǎo)入到G eomagicDesignX軟件中進(jìn)行逆向建模。建模思路：導(dǎo)入點(diǎn)云，劃分領(lǐng)域組，根據(jù)模型情況調(diào)整敏感度，通過(guò)識(shí)別原始掃描數(shù)據(jù)的3D特征，進(jìn)行自動(dòng)分割。如果自動(dòng)分割領(lǐng)域組后的數(shù)據(jù)分區(qū)，不能滿足后期建模的要求，需要對(duì)分區(qū)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新分割，分割后重新組建合理的領(lǐng)域組[3，4]。在建模的過(guò)程中沒(méi)有坐標(biāo)系是萬(wàn)萬(wàn)不行的，坐標(biāo)系選擇以大面為基準(zhǔn)，手動(dòng)對(duì)齊坐標(biāo)系，建立主視圖，根據(jù)順序安排其它的視圖，確定X軸、Y軸、Z軸的方向。構(gòu)造曲面，面盆龍頭被分割為5個(gè)領(lǐng)域組，所以要建立3大部分（圖1）。第一部分是面盆龍頭的兩肩大面，可用平面草圖，設(shè)置基準(zhǔn)平面，單擊“曲面放樣”放樣出兩肩的大面，之后對(duì)底面進(jìn)行一段拉升，直至延長(zhǎng)后的曲面能完全覆蓋面盆龍頭兩肩的原始數(shù)據(jù)。利用同樣的方法把另外一面也做出來(lái)。第二部分是面盆龍頭的出水龍頭，利用草圖繪制，繪制出出水龍頭的視圖，然后進(jìn)行放樣其表面，對(duì)有形狀的邊進(jìn)行倒圓角，圓角的半徑應(yīng)該與點(diǎn)云的點(diǎn)相近。最后拉升一段出水口的形狀，出水龍頭就建好了。第三部分是面盆龍頭的連接柱，利用草繪命令，繪出連接柱，再進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，作出連接柱。相關(guān)地方要進(jìn)行倒角處理，達(dá)到精度要求。連接柱要和把手部分配合，這的尺寸要記好，在創(chuàng)新設(shè)計(jì)部分可以有據(jù)可依。最后利用布爾運(yùn)算把三大部分拼接好，把多余的片面減掉，拼合成面盆龍頭的模型。完成后的三維數(shù)字化模型與點(diǎn)云進(jìn)行對(duì)比的數(shù)據(jù)分析（圖5、表2）如下：

通過(guò)面盆龍頭檢測(cè)色彩對(duì)比圖偏差分布報(bào)告得出，由三維逆向建模的模型很好地貼合在點(diǎn)云上，精度大約在0.04MM，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。

2.3面盆龍頭把手的三維數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計(jì)與說(shuō)明

面盆龍頭的模型建立好以后，面盆龍頭把手采用UC軟件進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。UG軟件設(shè)計(jì)功能強(qiáng)大，對(duì)于后續(xù)的加工部分也有很大的幫助。設(shè)計(jì)思路通過(guò)以上的步驟，得到面盆龍頭的模型，導(dǎo)入到UG軟件中，對(duì)其要配合的地方進(jìn)行測(cè)量，并記入需要配合的相關(guān)尺寸，然后新建草圖進(jìn)行設(shè)計(jì)。畫(huà)出草圖后拉伸出手柄大致樣貌，通過(guò)之前記入的相關(guān)尺寸，得到面盆龍頭的活動(dòng)桿的實(shí)體尺寸，在手柄底部平面繪制相應(yīng)草圖，并再以方形四角為圓點(diǎn)做直徑，得到圖案后向外偏置得到一個(gè)封閉式的草圖，經(jīng)過(guò)拉伸與布爾求差得到與活動(dòng)桿相配合的花孔，然后進(jìn)行整體的倒角，設(shè)計(jì)出面盆龍頭把手。最后把面盆龍頭把手與面盆龍頭裝配到一起，進(jìn)行渲染查看效果。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)的面盆龍頭手柄和面盆龍頭典雅大氣（圖6），在實(shí)用性上符合面盆龍頭的一切功能，手柄從底部的孔裝配面盆龍頭的活動(dòng)桿，能夠?qū)崿F(xiàn)通過(guò)上下活動(dòng)靈活調(diào)節(jié)水流大小，通過(guò)左右活動(dòng)能控制溫水冷水的排出，使用方便快捷，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。創(chuàng)新設(shè)計(jì)后的水龍頭手柄，底部采用方形結(jié)構(gòu)，四周的人性化倒角設(shè)計(jì)，把手則采用簡(jiǎn)單大氣的v型平面，以圓弧作為前端，避免了用戶無(wú)意中的劃傷，整體上看簡(jiǎn)約大氣，富有現(xiàn)代氣息[5，6]，后續(xù)的加工中也更容易。連接部分是最重要的地方，通過(guò)四孔設(shè)計(jì)解決了活動(dòng)桿的四角因配合出現(xiàn)的裝配過(guò)渡或者局部間隙等問(wèn)題，使其與活動(dòng)桿的裝配更緊固，更可靠，制造材料可使用不銹鋼材質(zhì)。不銹鋼材料的特點(diǎn)：抗沖擊、抗腐蝕、不具有危害物質(zhì)，使用時(shí)間長(zhǎng)，調(diào)節(jié)溫度方便快捷，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

2.4 面盆龍頭把手的制造過(guò)程

產(chǎn)品制造主要有三種方式：一種是去除材料的方式制造，如數(shù)控機(jī)床切削金屬制造零件的方式。一種是增材制造方式，如3D打印機(jī)的疊加式制造。一種是焊接制造。面盆龍頭把手的制造過(guò)程選取去除材料的方式進(jìn)行制造。采用數(shù)控機(jī)床VCD-850型號(hào)FANUC系統(tǒng)的加工中心，此型號(hào)的機(jī)床剛性好，系統(tǒng)穩(wěn)定，使用性能強(qiáng)。軟件應(yīng)用三維建模軟件UC的編程模塊及對(duì)應(yīng)的后處理[7]，采用7075毛胚鋁件進(jìn)行加工。

指定好毛胚的機(jī)床坐標(biāo)系，確認(rèn)加工時(shí)的裝夾位置，設(shè)定好安全距離。之后確定工件幾何體，指定部件與毛胚，進(jìn)行編程。第一步：先對(duì)部件下端的特征進(jìn)行編程，這樣能夠保證把手調(diào)頭裝夾的穩(wěn)定性。采用定心鉆對(duì)毛胚表面的四個(gè)深孔進(jìn)行定心并編寫(xiě)鉆孔程序。完成四孔的鉆孔編程后進(jìn)行毛胚的第一次粗加工。使用型腔銑指令，調(diào)用立銑刀開(kāi)粗，設(shè)置每刀切削深度及加工的參數(shù)，確認(rèn)并生成加工刀路，完成后進(jìn)行對(duì)花孔部分的加工，使用型腔銑指令，調(diào)用立銑刀開(kāi)粗，設(shè)置加工的參數(shù)，確認(rèn)并生成加工刀路。完成之后，進(jìn)行毛胚的第一次精加工，使用深度輪廓銑指令，調(diào)用球刀精加工，指定倒角部分的切削區(qū)域，設(shè)置加工倒角參數(shù)僅為陡峭，設(shè)置圓弧刀具半徑，確認(rèn)并生成加工刀路進(jìn)行加工。第二步：完成后工件調(diào)頭，虎鉗夾住底部方形部分，開(kāi)始對(duì)剩余的毛胚部分進(jìn)行加工編程，指定工件幾何體，指定部件與毛胚。對(duì)剩余部分調(diào)用型腔銑指令，調(diào)用立銑刀進(jìn)行開(kāi)粗，設(shè)置底部余量，以螺旋的方式進(jìn)刀，設(shè)置順銑深度的切削參數(shù)，確認(rèn)并生成加工刀路，完成后進(jìn)行毛胚的第二次精加工，使用深度輪廓銑指令，指定倒角部分與整個(gè)平面部分的切削區(qū)域，設(shè)置每刀切削深度恒定，生成加工刀路。完成所有的程序編寫(xiě)后，選擇每條程序依次通過(guò)UG軟件的后處理器，調(diào)取FAUNC的后處理程序，輸出NC拓展名文件，則所有程序后處理完成[8]。通過(guò)編程軟件，可將處理過(guò)的程序傳輸?shù)綑C(jī)床里運(yùn)行加工。

加工時(shí)刀具要進(jìn)行對(duì)刀，開(kāi)始程序輸入，將后處理程序?qū)藬?shù)控編程軟件。輸入程序時(shí)要把倍率調(diào)低，單步運(yùn)行。點(diǎn)擊啟動(dòng)鍵，軟件即可輸入程序，在運(yùn)行程序的過(guò)程中，要觀察機(jī)床是否會(huì)撞刀，運(yùn)行正常后則打開(kāi)切削液，開(kāi)始加工。每個(gè)子程序重復(fù)以上的步驟，直至正反面所有加工的結(jié)束，并用氣槍清理后取出。最后將加工好的面盆龍頭把手與面盆龍頭相配合（圖7），能夠很好地達(dá)到產(chǎn)品的外觀效果和功能。

3 總結(jié)

在這個(gè)瞬息萬(wàn)變的時(shí)代，主要的工業(yè)國(guó)家都制定了科學(xué)的發(fā)展戰(zhàn)略，將工業(yè)迅速推進(jìn)到數(shù)字化時(shí)代。三維數(shù)字化技術(shù)對(duì)工業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的影響也是很大的，從上文可以得出：

（1）通過(guò)高端的掃描設(shè)備、先進(jìn)的建模技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的原物還原。

（2）創(chuàng)新設(shè)計(jì)是通過(guò)三維軟件設(shè)計(jì)出來(lái)，而不是傳統(tǒng)的手工繪制。新方式的設(shè)計(jì)過(guò)程直觀、鮮明，裝配方式一目了然，解決了產(chǎn)品的精度、配合、外型渲染等前期工作，減少了產(chǎn)品研發(fā)的周期。

（3）傳統(tǒng)的鉗工加工工藝已被先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床取代，大大地提高了企業(yè)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的效率與質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

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