以逆向工程技術(shù)為基礎(chǔ)的工業(yè)設(shè)計及應(yīng)用*

劉興亮，胡彥萍，王建儒，劉傳成

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué) 機械工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730060)

0 引 言

目前，逆向工程技術(shù)在整個工業(yè)領(lǐng)域有很大的應(yīng)用價值，它能夠幫助工業(yè)設(shè)計人員快速滿足用戶的需求，工業(yè)產(chǎn)品也因為逆向工程技術(shù)變得更加集成化、小型化和數(shù)字化。逆向工程技術(shù)結(jié)合自動化和信息化技術(shù)，為我國工業(yè)制造領(lǐng)域帶來了全新的發(fā)展機遇，不但促進了機械制造業(yè)的發(fā)展，而且使得機械產(chǎn)品的制造變得更加智能，今后也必將更好地為工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計服務(wù)[1]。筆者以2022年甘肅省職業(yè)院校技能大賽工業(yè)設(shè)計技術(shù)賽卷為例，介紹了以逆向工程技術(shù)為基礎(chǔ)的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計的整個過程。大賽讓學(xué)生體驗了數(shù)字化、智能化的產(chǎn)品開發(fā)和創(chuàng)新設(shè)計的真實工作過程[2]，為師生創(chuàng)建了創(chuàng)新設(shè)計的思想交流與分享的平臺，有利于實現(xiàn)企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)理念與理論教學(xué)的有效對接，也為企業(yè)提供了一種創(chuàng)新設(shè)計的方法與思路。

“工業(yè)設(shè)計技術(shù)”賽項過程為：學(xué)生利用三維掃描儀獲得給定產(chǎn)品外形數(shù)據(jù)的點云后，對點云數(shù)據(jù)進行三維逆向建模和產(chǎn)品創(chuàng)新再設(shè)計，生成產(chǎn)品裝配圖及零件圖，采用CNC機床和3D打印設(shè)備將“創(chuàng)新產(chǎn)品”零部件加工出來，再進行“創(chuàng)新產(chǎn)品”裝配驗證，實現(xiàn)從“實樣”到“創(chuàng)新產(chǎn)品”的研發(fā)和制造過程。這項比賽可以全面考核高職學(xué)生三維數(shù)據(jù)采集、逆向建模、創(chuàng)新設(shè)計、CNC 編程與加工、3D 打印、裝配驗證等前沿的知識、技術(shù)技能以及職業(yè)素養(yǎng)能力，全面檢驗學(xué)生工業(yè)設(shè)計的創(chuàng)新能力和工程實踐能力。

1 設(shè)計研究任務(wù)

2022年甘肅省職業(yè)院校技能大賽高職組工業(yè)設(shè)計技術(shù)的賽題是大容量電動毛球修剪器的創(chuàng)新設(shè)計與試制，本賽項實施過程力求與全國職業(yè)院校技能大賽緊密對接，賽項規(guī)程嚴(yán)格按照2021年國賽規(guī)程設(shè)置。整個比賽分三個階段共6個任務(wù)，分別是數(shù)據(jù)采集、逆向建模、創(chuàng)新設(shè)計、CNC編程與加工、3D打印與裝配驗證。要求參賽選手根據(jù)給定的毛球修剪器主體，如圖1所示，完成研究任務(wù)。

圖1 修剪器主體

利用三維掃描儀得到修剪器的點云數(shù)據(jù)后，借助逆向建模軟件得到修剪器的數(shù)字模型，然后根據(jù)數(shù)字模型，創(chuàng)新設(shè)計出毛球修剪器的儲絮倉和放置毛球修剪器的墻面掛架。儲絮倉要求用3D打印機打印出來，掛架要求用數(shù)控機床加工出來，最后完成整體的裝配驗證。

2 設(shè)計研究過程

2.1 三維數(shù)據(jù)采集(任務(wù)1)

選手根據(jù)賽場提供的三維掃描儀對給定的毛球修剪器主體部分進行掃描，為了方便獲取外形點云數(shù)據(jù)，需要對修剪器表面噴顯像劑，掃描完成后進行去噪處理，然后進行封裝操作，將點云數(shù)據(jù)變成三角面片數(shù)據(jù)，最后用wrap軟件進行簡單的數(shù)據(jù)處理就可以了，圖2所示為最終的stl文件圖。

圖2 修剪器數(shù)據(jù)處理后的面片 圖3 逆向建模后的修剪器實體模型

2.2 逆向建模(任務(wù)2)

選手利用完成的修剪器面片，采用Geomagic Design X軟件對修剪器進行逆向建模。首先將stl文件導(dǎo)入DX軟件中進行坐標(biāo)對齊，然后借助放樣、修剪等命令得到修剪器的實體模型，如圖3所示，建模完成后需要檢測逆向結(jié)果與面片數(shù)據(jù)的誤差，圖4是逆向建模后的精度分析圖，綠色代表精度在允許的公差范圍內(nèi)，圖5是斑馬紋分析圖，紋路看起來平滑連續(xù)就表示曲率連續(xù)。最后利用Geomagic Control X 軟件將逆向出來的實體模型與導(dǎo)入的stl文件進行數(shù)字模型精度對比(包含3D比較、 2D比較、創(chuàng)建2D尺寸等)，輸出pdf分析報告。這項任務(wù)主要是考核學(xué)生數(shù)模合理還原的能力。

圖4 精度分析圖 圖5 斑馬紋分析圖

2.3 創(chuàng)新設(shè)計(任務(wù)3)

按照競賽要求，需要設(shè)計兩個產(chǎn)品：儲絮倉和掛架。儲絮倉要求大容量，應(yīng)能與修剪器主體完美貼合，方便安裝和拆卸，且安裝后不易從主體上自動脫落，選手設(shè)計時需要考慮打印工藝，支撐及后處理；掛架需要通過現(xiàn)場給定的螺釘固定在墻面上，毛球修剪器放置在掛架上定位要恰當(dāng)，放置穩(wěn)固可靠，掛架設(shè)計時需要考慮數(shù)控加工工藝，且有輕量化要求。選手可以自己選擇軟件進行創(chuàng)新設(shè)計，并輸出裝配圖與零件圖。

2.4 CNC編程與加工(任務(wù)4)

根據(jù)創(chuàng)新設(shè)計的墻面掛架，確定加工工藝過程，編制加工工藝卡，然后利用自動編程軟件編制數(shù)控加工程序，最后使用提供的機床和編制的數(shù)控程序完成掛架樣件的數(shù)控加工。這項任務(wù)主要是考核學(xué)生數(shù)控加工工藝應(yīng)用、CNC編程與加工的能力。選手可以自己選擇編程軟件，文中采用CAXA制造工程師對掛架進行自動編程，并輸出CNC程序，然后利用西門子數(shù)控銑床完成樣件數(shù)控加工。圖6是經(jīng)數(shù)控銑床加工完成的掛架樣件。

圖6 掛架數(shù)控加工完成圖 圖7 儲絮盒打印完成圖

2.5 3D打印樣件(任務(wù)5)

將儲絮倉stl文件導(dǎo)入切片軟件UP Studio中，完成精度、速度等打印參數(shù)設(shè)置后進行3D打印，然后進行去支撐、表面修整等后處理，保證零件質(zhì)量達(dá)到要求。文中采用基于FDM原理的UP BOX+打印機完成儲絮倉的3D打印，圖7是去除支撐后的儲絮倉。

2.6 樣件安裝及裝配驗證(任務(wù)6)

將數(shù)控加工得到的掛架樣件和3D打印的儲絮倉樣件，與給定的修剪器主體裝配為一個整體機構(gòu)，開機驗證創(chuàng)新設(shè)計的效果，要求儲絮倉安裝牢固，且修剪器放置穩(wěn)固，不滑落。圖8是最終裝配驗證效果圖。這項任務(wù)主要是考核學(xué)生零件組裝和機構(gòu)裝配驗證方面的能力。

圖8 裝配驗證效果圖

3 設(shè)計創(chuàng)新總結(jié)

“工業(yè)設(shè)計技術(shù)”競賽以《中國制造2025》提出的“創(chuàng)新驅(qū)動、質(zhì)量為先”理念為指導(dǎo)方針，突出工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計、數(shù)控加工、增材制造等崗位的技術(shù)技能需求，實踐性和綜合性強，試題本身就是典型的工作任務(wù)。文中以2022年甘肅省職業(yè)院校技能大賽高職組“工業(yè)設(shè)計技術(shù)”賽項為例，介紹了工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計與制造的全過程。此賽項以工業(yè)產(chǎn)品在實際使用過程中遇到的問題作為案例，利用三維數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)，針對復(fù)雜曲面的工業(yè)產(chǎn)品及零部件[3]，進行數(shù)字化建模、創(chuàng)新設(shè)計和制造，這種“以賽促教”的人才培養(yǎng)模式，對教師和學(xué)生的科研水平、創(chuàng)新精神與實踐能力都有很大的提升，同時能很大程度上促進學(xué)生個人素質(zhì)的全面發(fā)展，通過競賽也給了企業(yè)挑選人才的新平臺，從而進一步提高了學(xué)生的就業(yè)質(zhì)量。

4 結(jié) 語

“工業(yè)設(shè)計技術(shù)”競賽將逆向建模、創(chuàng)新設(shè)計和現(xiàn)代數(shù)控加工與增材制造相融合，實現(xiàn)復(fù)雜曲面的工業(yè)產(chǎn)品的建模、創(chuàng)新與制造，不但可以培養(yǎng)學(xué)生工業(yè)設(shè)計技術(shù)實踐能力和創(chuàng)新精神，還可以提升學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)和就業(yè)能力，同時促進“雙師型”師資隊伍建設(shè)，推動工業(yè)設(shè)計、數(shù)字化設(shè)計與制造等專業(yè)人才培養(yǎng)模式與課程體系改革，提高專業(yè)建設(shè)水平，提升學(xué)生從事工業(yè)設(shè)計相關(guān)崗位的適崗性，也有利于選拔出具有大國工匠素質(zhì)的技術(shù)技能人才。