面向钟表制造业的RE/RP/CAM集成技术应用

2014-12-19叶凯

制造业自动化 2014年18期

关键词：钟表曲面逆向

叶凯

YE Kai

（漳州职业技术学院，漳州 363000)

0 引言

随着市场产品的日益丰富，消费者对钟表产品的要求不断提高，要求产品造型美观、功能齐全、交货时间短，面对市场的激烈竞争，制造企业需要一个从消费需求概念的产生到产品快速实现的设计技术平台，以响应市场的需求。

1 RE/RP/CAM技术集成的工作原理及流程

RE/RP/CAM技术集成，是指RE、RP、CAM技术的一体化应用，是一种全新的设计和制造模式[1]。

RE为逆向工程技术的缩写，就是利用3D数字化测量仪器对原始物理模型或样品，准确、快速测得其轮廓坐标，进行曲面重构，在此基础上，通过CAD进行创新设计，生成数字化虚拟产品模型，再利用RP技术将虚拟模型通过3D打印生成产品物理模型，进行功能验证，最后应用CAM技术加工出产品模具或批量加工产品[2]。

RE/RP/CAM技术集成应用的工作流程如图1所示。

图1 工作流程图

1.1 模型扫描及数据采集

该阶段是通过测量设备和测量方法获取模型表面离散点的几何数据，将其几何形状数字化，具体做法就是将模型置于测量机的测量空间内，通过三维扫描技术获得原始点云数据，高效、高精度获取模型的数字化信息是实现逆向工程的基础，逆向建模的成功与否的关键在于三维扫描所获得的点云数据[3]。

1.2 点云数据处理

数据处理决定了后续CAD建模过程能否方便、准确进行,所有的测量方式和测量系统都存在误差，扫描阶段采集的数据带有很多杂点和嘈声点，会影响到后续模型的重建，在三维数字建模之前，必须对所采集的数据进行处理，数据处理工作方法有：数据格式转换、杂点剔除、数据降噪、点云的拼接、缺失补全、特征提取等，点云数据处理后可以建立特征网格模型；将网格化模型进行拟合，生成多个封闭光滑的曲面，再通过拼接、过渡、裁剪、光顺等编辑手段对这些曲面进行处理，获得完整光顺的曲面模型。

1.3 三维数字建模

该阶段是通过三维建模软件对上述曲面进一步修整、编辑，进而得到与实物原件很接近的CAD模型数据，必要时还要对CAD进行误差分析和修正。

1.4 产品创新设计

实物模型或样件的曲面重构完成后，进入逆向工程再设计环节即产品的创新设计，该环节充分运用设计者的工程设计经验、知识，把正向设计和逆向工程有机结合起来进行优化再设计，设计者不仅要了解产品的几何特征、数据特点、功能需求，还要了解快速成型、模具制作加工等后续应用。

创新设计借鉴了逆向建模模型的某些几何特征、结构，融入了新产品开发设计的创新要求，是逆向工程的灵魂、核心。

1.5 物理模型的快速成生与验证

借助3D打印技术可将产品创新设计的三维数字模型快速、精确、而又经济地生成可触摸的物理模型，且其成型的工件形状几乎没有限制,它比将三维几何造型展示于二维屏幕或图纸上具有更高的直观性和启示性，可以用打印出来的物理模型进行产品形状和尺寸评判、外观评审、功能探讨、装配实验、动态分析、用户认可,发现设计中的错误或不足，以进一步修正、优化设计方案。

1.6 模具制造

当创新设计方案确定后，可利用模具设计软件进行模具设计，获得模具CAD模型，然后利用CAM，生成数控加工NC文件，在数控机床加工出模具。模具CAD模型完成后也可以直接输入RP系统，得到快速模具；或者利用RP系统制得零件成型件作为母模，再用传统的方法通过数次翻模得到快速模具。

完成模具制造后，即可投入产品的批量生产。

2 RE/RP/CAM技术集成在钟表产品研发中的意义

我国钟表业已跻进了世界钟表生产和消费大国的行列,产品产量也位居世界前列,但却并非钟表强国。

目前外钟表的发展趋势已越来越脱离单纯的计时功能，对外观的审美要求与日俱进，钟表的设计核心不仅仅是表机芯等技术，表壳等外观设计也十分重要，作为技术和艺术结合的产物，钟表造型越来越倾向工业设计理念，外观更加人性化、艺术化，礼品功能、装饰功能日益凸现。设计人员要针对不同的市场需求，提炼消费者需求中的元素，组合成为不同的概念，再进行针对性研发，进而快速制造。然而由于钟表工业的工业设计水平低,我国钟表行业在国际市场同日本、瑞士的竞争处于劣势，在国内市场由于独特的设计风格，无法刺激消费者新的消费欲望[5]。

针对钟表现状，为使我国钟表工业继续得到健康发展，中国钟表工业协会提出的今后技术政策要点中指出“加强外观件的技术改造,研究开发外观件生产的新技术、新工艺和新材料,提高钟表产品的外观档次和质量水平”。2013年底，首届“中国（蓝光杯）钟表设计大赛”在“中国钟表之城”福建省漳州市举办，获奖的时钟产品设计、时钟概念作品让人们感受到工业设计在提升钟表外型中的魅力[6]。

漳州是中国乃至世界最大的石英钟、石英钟机芯生产基地，生产厂家超过一百家，大型企业有三十余家，从业人数近2万人，产业链十分完整[7]。在对漳州钟表行业的调研中，我们感到，设计人员在产品外观设计时，已逐渐融入了工业设计的理念，但概念设计时技术手段落后，缺乏实现概念设计的技术平台，进而影响到设计概念转化为现实产品的进程及效果。

钟表产品的外观通常是复杂的造型，设计师的创作灵感可来指某些工艺品、玩具、日常用品以及用户的感官，从三维建模的角度看，这些造型通常是由复杂的自由曲面拼接而成，因此在概念设计阶段难以用严密、统一的数学语言来描述。逆向工程技术(RE)可根据已经存在的产品模型，反向推出产品设计数据，在此基础上进行创新设计，利用3D打印机(RP)打印出实体模型，获得客户的认可及功能验证后，即可用数控机床加工出产品模具，从设计概念到产品生产，周期1-2天即可。可以看出，RE/RP/CAM技术集成为钟表行业的工业设计提供了技术支撑。

3 RE/RP/CAM技术集成在钟表制造业工业设计中的应用

本项目以汽车模型为原型，通过RE/RP/CAM集成技术，快速研制出带时钟显示的纪念品。

3.1 汽车模型原型扫描

在三维扫描仪的转盘上贴上标志点，注意不能贴出等边三角形和有规则的点。将汽车模型原型放置在转动盘上，旋转若干次，观察采集样本的点云是否完整，若不完整单独扫描欠缺的部分使之完整，点云文件如图2所示。将完整的点云数据保存成txt格式文件。

3.2 点云文件处理

通过Geomagic Studio软件对导入的TXT点云文件进行处理。首先手动除去大面积无关点云，例如转盘转动所产生的噪音点；用过断开组件，去除体外孤点（若采集的点云较为准确可降低体外孤点的敏感数值）；减少噪音；统一采样，本模型体积较小曲面拐角较多所以采样时点间距应小于0.2mm左右；对达到理想的点云数据进行封装处理；对封装完的三角形面片进行去除特征，光顺表面等等处理，对贴点的地方进行去除特征处理；保存成STL格式，处理后的点云如图3所示。

图2 原型扫描

图3 点云文件处理

3.3 逆向建模

通过软件Geomagic Design X 2014进行逆向建模。首选对导入的STL格式文件进行领域组分析，对其领域进行人性化的判断修正；对齐坐标系；通过3D面片草图找出主要轮廓线并将其绘制出来，在3D面片草图的基础上绘制3D草图得到曲率平缓光顺的曲面，再通过放样，面填充，扫描等曲面命令建出整体模型，最后对其曲率不理想的地方进行修剪并填充，用igs保存其片体和草图（如图4所示）。