基于逆向工程的打印机外壳创新设计

2021-04-15郑泽宇李美美康玉辉

南方农机 2021年7期

郑泽宇，李美美，康玉辉

（河南工学院机械工程学院，河南新乡 453003）

“正向工程”即根据产品的所需的功能，提出产品的概念设计，然后绘制产品的三维模型并制造出新产品的过程。“逆向工程”相对于传统的“正向工程”而言，是一种产品设计技术再现过程[1-2]，即对一项目标产品进行分析及研究，利用测量设备，采集该产品的点云数据，并对该产品进行模型重构、创新设计，最后利用快速成型技术生产出该产品的过程，逆向过程如图1所示，该设计方法广泛应用于汽车、飞机、工艺品、家用电器、模具等行业[3-5]。某款打印机在使用过程中出现打印机外壳过热且外壳在拆装的过程中，强度略有不足的情况，针对该问题，本文基于逆向工程创新设计方法，对打印机外壳进行改良设计，结果表明，该设计方法能快速实现产品的创新设计。

图1 逆向设计流程图

1 点云数据采集

在模型重构前，必须获得精确的点云数据，才能保证模型重构的准确性。常见的三维扫描设备根据其扫描方式不同通常分为接触式和非接触式[6-7]。非接触测量设备较传统的接触式三坐标测量机，有效避免了高精度测量力所带来的系统误差和随机误差，并具有高效性、快速性等优点。由于打印机外壳对精度要求不是很高，采用非接触式扫描方式可以快速获得点云数据，大大缩短了打印机外壳创新设计周期。

2 点云数据处理

将点云数据导入Polyworks软件中，由于扫描过程中环境、扫描系统或者人为操作等因素影响，点云数据中会不可避免的引入噪声点，为了尽可能还原实物表面的数据信息，需要对点云数据中的噪声点进行删除，在Polyworks软件对齐模块中，点击“选择单元”，按住Ctrl+shift同时按下鼠标中键，便可以选择需要删除的区域，当选中后，该区域变为红色，按DEL键便可以删除。处理过程如图2所示。将局部点云数据逐个进行噪声点的删除，在删除的过程中尽可能保持点云数据与实物模型的一致，以便后续进行点云数据拼接及模型重构。

在扫描过程中，扫描到不同角度的局部数据，多次扫描的三维数据所对应的坐标系不一致，必须对局部信息进行拼接，从而准确的还原实物信息。利用Polyworks软件中“对齐模块”将片体进行拼接，要求每个片体与相邻片体之间有重叠区域，同时每个片体需包含一个对象形状的变化（如尖角、孔等），在对齐过程中尽量选取特征较明显的部分。图片的对齐方式包括：一点对齐、多点对齐和自动对齐方式。本文中采用了多点对齐，关联点选取较多，耗时较长，对齐效果较好。最终对齐效果如图3所示。数据对齐的效果可利用所有重叠的3D图片距离分布的柱状图来显示，如图4所示。以零点为中心的柱状图表示对齐效果较好，若对齐效果不理想，可对此片体进行重新对齐。

图2 删除噪声点

图3 数据对齐

3 三维模型重构

3.1 创建三角化模型

打开对应模块，导出之前拼接完成的项目文件，开始创建三角化模型，通过整合模块将拼接好的片体进行三角化。三角化是为了使网格质量更好、更稳定，将散乱的点云数据之间以三角形的形式连接起来，实质就是将相邻数据点间的拓扑连接关系以三角化的方式呈现[8]。

由于扫描过程中实物模型本身结构或人为操作等原因，打印机外壳存在部分扫描不到的死角，扫描的点云数据会形成孔洞，构建网络模型时，不仅影响外观，而且会对后续实物模型的重构造成很大的影响[9]，故需要对孔洞进行修补。修补孔的方式很多，如曲面填补孔洞、利用点云直接拟合曲面等。根据不同的孔洞形式，选择相应的填补方式。同时由于前期扫描和点云的处理，部分曲面比较粗糙，为了后续模型重构的精确性，需对曲面进行光顺。数据修补及光顺后的效果，如图5所示。

3.2 提取特征线

通过创建断面来获取模型重要位置的信息即特征线，截取的方式不同，截取到的特征线也不是唯一的，在X、Y、Z三个方向上均可以建立平面进行切割，可以在同一个方向上进行截取，也可以在两个方向上进行截取。对于特征线的提取，可以根据实际需要提取有效的特征线，并将Polyworks软件中提取到的特征线保存为igs格式，输入到Pro/E软件中对曲线进行平滑处理，最终特征线如图6所示。

图4 对齐模块分析柱状图

图5 三角化模型处理图

3.3 模型重构

利用Pro/E软件中“扫描混合”命令，基于Polyworks中已提取到的特征线，对模型进行重构，以还原打印机外壳信息并对重构后的模型精度进行分析，重构模型图及精度分析如图7、图8所示。

图6 提取特征线

图7 模型重构

图8 重构模型精度检测

4 产品创新设计

由于该打印机在拆装的过程中，存在外壳强度略有不足的情况，同时在工作过程中由于散热效果不理想存在外壳过热的现象。为了解决上述问题，本文在吸取了该打印机外壳的基本尺寸与形状的基础上进行了改良设计，在打印机外壳内部添加加强筋，提升外壳强度，延长使用寿命；同时在满足强度的基础上，合理地增加散热孔，提升散热效果。最终优化方案如图9所示。