基于逆向设计技术的射钉枪修复与改良*

□ 郭 晟 □ 赖 啸 □ 刘 勇 □ 刘存平

宜宾职业技术学院 四川宜宾 644003

1 研究背景

许多常用的手工工具使用时间长,受外界摩擦与侵蚀多,加之原始生产数据丢失,造成修复困难。近几年,得到迅速发展的逆向工程技术因优异的还原特性被广泛应用于产品还原修复、局部改良优化及新产品开发。逆向工程技术与数字化设计制造技术相结合,能够快速实现实体建模、仿真、优化及新产品开发,具有高质、高效的可操作性与便捷性[1-2]。笔者以射钉枪为研究对象,将逆向设计软件Geomagic DesignX与数字化设计制造软件Unigraphics相结合,实现射钉枪的修复与改良[3]。

射钉枪是广泛应用于建筑施工、木工等工作场合的手工工具,借助射钉枪,能够将钉子击入木材、混凝土、砖砌体、岩石、钢铁等基体中,从而对构件和基体进行固定。

射钉枪老旧产品如图1所示,因在工地使用多年,表面大量腐蚀、损伤。这一射钉枪的原始生产数据已丢失,实体质量难以保证,并且老旧的非人性化设计无法满足当代大众手感佳的要求,使用不方便,也不美观。对此,笔者利用逆向工程技术对这一射钉枪的原始数据进行采集与分析,并反求建模。在此基础上,应用先进的数字化逆向与正向设计软件对射钉枪数字模型进行重构。在优化射钉枪的性能时,对射钉枪原始模型部分位置的结构与参数进行相应的局部改良和创新设计,以满足现代大众对射钉枪实用性、美观性的需求。

▲图1 射钉枪老旧产品

2 修复与改良思路

作为现代设计与制造技术的支撑,逆向工程技术与数字化设计制造技术的结合得到越来越深入的研究[4]。笔者通过三维扫描仪对射钉枪进行点云数据扫描,将物理模型转换为测量数据点[5],通过点云处理软件Geomagic Studio将点云数据转换为非均匀有理B样条曲面模型,结合逆向设计软件Geomagic DesignX实现射钉枪的逆向建模,并对所生成的模型进行精度检验。

在修复的同时,基于逆向技术对射钉枪进行局部改良,重点对手柄、填料腔、外壳形体、柄尾、板机等五个部分进行局部改良和创新设计。整体修复与改良步骤如下[6-7]:① 选取射钉枪原始模型进行显影剂喷涂,喷涂显影剂有助于实现反光和灰暗处显像;② 正确贴标志点,使点云的完整度得到保障;③ 运用三维扫描仪进行点云数据的采集;④ 运用 Geomagic Studio 软件进行点云面片数据的修补和完善;⑤ 运用Geomagic DesignX软件对射钉枪实体数字模型进行重构;⑥ 运用Unigraphics软件对射钉枪实体数字模型进行进一步完善、装配和外观改良。逆向设计基本思路如图2所示。

▲图2 逆向设计基本思路

3 数字模型构建

在射钉枪数字模型的构建过程中,关键步骤有三维数据采集与处理、数字模型重构、模型装配成型等。笔者采用三维扫描仪进行数据采集,采集时依据产品具体结构特点拟定方案,并综合运用显影剂、贴标、橡皮泥、转盘等工具进行操作,确保数据的完整性与精确度在允许误差范围内[8]。

应用三维扫描仪获取离散的初始点云数据后,需要在数据处理软件中通过降噪、去除孤点、去除重叠、填充孔、去除特征、松驰、网格医生、精简等工具对数据进行优化处理[9],最后进行封装。

封装后进入实体模型逆向重构阶段,此时,在Geomagic DesignX软件中通过预处理、轮廓重构、圆角处理、领域组、视图对齐、提取、拟合、生成等手段完成射钉枪实体模型的逆向建模,以及局部改良优化重建工作[10]。

最后应用Unigraphics软件完成整个射钉枪的装配成型设计,其装配爆炸效果如图3所示。

4 局部改良创新点

通过逆向技术对射钉枪初始的生产数据进行采集保样,在此基础上进行优化设计,便于数字化生产管理[11-13]。融入人性化设计理念,从实用、舒适的角度着手,进行了五个方面的局部改良和创新设计,创新点解析如图4所示。

(1) 原射钉枪手柄舒适度与手感较差,基于成年男子的食指形态与参数,优化了手柄形状曲面与手柄大小,以确保人性化设计,满足大众的需求。

▲图3 射钉枪装配爆炸效果

▲图4 创新点解析

(2) 在原射钉枪的基础上加大了填料腔的进程深度,增强了射击力度,钉子能够击穿更厚的钢板。

(3) 在原射钉枪的基础上,基于人机理念进行了一定的外观人性化设计,给人更加协调的感觉。

(4) 手柄尾部结构由原有的圆头结构改为方头结构,并增加了两颗紧定螺钉,具有更好的固定效果,避免振动引起松动。

(5) 扳机处将原有的完全圈定结构更改为2/3环柄结构,增强了扣板机时的自由度与舒适度,更具有人性化。

经局部改良并创新设计后,射钉枪的使用更为舒适、方便,结构更趋合理,且产品外形更为美观,对比效果如图5所示。

▲图5 射钉枪局部改良效果对比

5 结束语

笔者以实际生产应用广泛的射钉枪为研究载体,基于逆向设计技术,进行射钉枪的修复与改良。

在研究中,进行三维数据采集,经过数据处理,应用计算机软件完成射钉枪三维数字化模型的构建,进而提取较为完整的原始生产信息。对射钉枪的工作曲面进行创新设计,使其更具人性化。对射钉枪的结构进行局部改良设计,使结构更为紧凑,功能更为强大和完善。笔者的研究为现代机械产品的创新设计提供了一条可行的技术应用途径。