基于逆向工程的吸尘器接头创新设计

（河南工学院机械工程学院，河南 新乡 453003）

随着科技日新月异的发展，产品创新是企业竞争力的关键，而高效率的创新设计则更为重要。逆向工程是实现产品快速创新的一个重要途径，基于逆向设计的产品创新方法，通过三维扫描系统对实物模型进行扫描，将扫描后的点云数据处理，然后基于点云数据进行三维模型重建并在此基础上对原有实物进行创新设计，最后3D 打印出实物模型[1-3]。这种产品创新设计方法在原有实物模型的基础上，吸收了原模型的先进技术并对其进行再创新，不仅达到了产品创新的目的，而且提高了产品的设计和生产效率[4]。

1 点云数据采集技术

1.1 扫描系统标定

图1 三维扫描仪

该扫描系统由高精密工业级立体视觉传感器、激光发生器、三维数据处理系统软件、标定系统、笔记本电脑等组成，三维扫描仪如图1 所示。扫描距离为300mm，帧扫描区域为280mm×250mm，扫描速率为40 000 次/s，扫描分辨率为0.1mm，测量精度为0.03 mm 。

在三维扫描仪首次使用之前，一般都需要标定。首先摆放好标定板，第一次标定需要将标定板的大点朝上，启动Free Scan x3 扫描软件和硬件系统，点击工具栏中的标定，弹出标定界面进行标定。系统需要采集18 个位置[5]。通过调整扫描系统激光发生器的高度和位置，使标定界面中指示器的滑块在有效范围内，从而实现标定过程，如图2所示。

图2 三维扫描仪标定界面

1.2 扫描前模型处理

为了将工件扫描完整，需要对工件进行多角度扫描。扫描时，采用在工件上粘贴标志点的方法实现对点云数据的自动拼接[6]。标志点应尽量避免粘贴在离工件边界较近的地方，尽量避免出现标志点对称粘贴或在一条直线上的情况，标志点应使相机在尽可能多的角度可以同时看到[7]。

根据该吸尘器接头的大小、形状特征及复杂程度确定该工件的扫描次序及扫描策略，且需保证本次扫描与之前扫描数据至少有三个公共标志点。由于该工件属于扁平状物体，将模型较宽两面贴点，工件表面标志点粘贴如图3 所示。由于两侧面较窄难以粘贴标志点，对模型较窄部分进行扫描时，需利用黑色垫块固定该工件并在垫块上粘贴标志点，避免因公共点较少而影响扫描。同时为防止扫描过程中产生过多背景杂点，增加点云数据处理的工作量，在扫描工件之前，需放置物体于黑色垫布上。工件扫描位置如图4 所示。

图3 工件标志点粘贴图

图4 工件扫描位置图

1.3 三维扫描形成点云数据

启动扫描系统，转动工件以及三维扫描仪，每当扫描完一个区域需要移动扫描仪的位置继续扫描，直到将整个工件扫描完整，扫描完成后，按扫描键停止扫描。在扫描过程中，对点云数据进行预览，若有部分扫描数据缺失，则启动扫描仪继续扫描，直至数据扫描完整。由于该模型属于扁平状物体，扫描设备不能一次性很好的采集到工件表面的完整数据，为了点云数据的准确性，需要从不同方向、不同位置对工件进行分区扫描，并在点云处理阶段对各个局部数据进行拼接[8]，最终将各局部扫描数据保存为ASC 格式，如图5 所示。

图5 局部扫描数据

2 点云数据处理

利用Geomagic Studio 软件，打开吸尘器接头的点云数据。为了消除在数据采集过程中由于随机或人为因素等原因引起的数据误差，影响被测物体模型重构的精度，利用“非连接项”和“体外孤点”命令对点云数据进行处理；将多片点云数据进行手动对齐，并将多余点云数据删除，最后点击“联合点对象”“封装”，将点云数据转为三角面片。

通过“网格医生”对大部分自相交、钉状物等错误网格进行修复。因扫描过程中误差和前期点云数据的处理，三角面片难免会存在锐边变钝、平滑曲线变粗糙的现象，应用“松弛”命令对三角面片进行光顺处理。同时由于工件表面粘贴的标志点，会在工件表面形成孔，利用“填充孔”工具栏对工件表面的孔进行填充，以还原实物原型的真实信息，最终将数据保存为STL 格式，以便后续对模型重构，如图6 所示。

图6 点云数据处理图

3 三维模型重构

1）将处理过的点云数据，导入Geomagic Design X 进行模型重构[9]。

2）通过领域组将点云数据划分成多个领域。分析该吸尘器接头结构并找出其代表性的轮廓。通过面片草图绘制出该工件的轮廓并利用拉伸、抽壳等命令，构建该吸尘器接头的结构特征，最后通过求和、倒圆角得出完整的模型，如图7 所示。

图7 模型重构图

4 吸尘器接头创新设计

由于目前市场上吸尘器的作用只是能吸除轻浮在地面和墙面上的灰尘，对粘附在狭缝和孔洞内灰尘难以祛除，为了能剔除狭缝和孔洞内灰尘，需要借助刷子、吹气等工具，这些清除方法会导致灰尘再次飘落到房间其他地方，形成二次污染。为了解决这个问题，本次创新对原有吸尘器的接头进行了改进，保留原有接头与吸尘器连接部分的形状与尺寸，将吸尘器接头吸尘部分改变为螺纹孔，使之可以安装快换接头。改进后吸尘器接头装置包括吸尘器接头和安装在吸尘器接头上的快换接头、软管，吸尘器接头左侧与吸尘器连接，右侧有螺纹孔和快换接头通过螺纹连接，软管与快换接头连接。通过快速接头连接软管吸出灰尘，清洁、卫生、方便、环保，起到了吸除狭缝和孔洞中灰尘的目的，如图8 所示。

图8 吸尘器接头创新设计

5 3D 打印与实际应用

将设计后吸尘器接头的三维模型STL 格式导入切片软片Dazzle 中，并设置模型的成型方向、打印参数并添加支撑等。系统内置三种打印精度，“普通打印”“高精度打印”和“超高精度打印”分别对应0.1mm、0.05mm、0.025mm三种打印层厚。厚度越小，打印模型越精细同时耗时也越长，在此选择“高精度打印”层厚为0.05mm 即可，打印过程、最终打印实物模型分别如图9、图10 所示，实际应用效果如图11 所示。

图9 打印过程图

图10 3D 打印实物图

图11 实际应用效果图

6 结语

本文介绍了一种基于逆向工程设计的产品创新设计方法，使用便携式扫描仪对吸尘器接头数据进行采集，并对点云数据预处理，以点云数据为基础进行产品模型重构、产品创新以及3D 打印，同时在实际应用过程中取得了很好的效果。结果表明这种产品创新设计方法很好的吸收了原模型的先进设计理念，并在此基础上进行了设计创新，缩短了产品开发周期，降低了产品开发成本。