劉晉斌

摘要：工業(yè)4.0是科技進步的一場革命，縱觀全球，三維數(shù)字化技術已經成為各大企業(yè)提升創(chuàng)新能力、優(yōu)化研制流程、提升研發(fā)效能的有效途徑。三維數(shù)字化技術針對的大多是應用軟件，三維數(shù)字化軟件基于大數(shù)據數(shù)據模型計算分析，可以進行三維建模，完成原物體的三維模型。三維建模中三維逆向建模是還原原物體形狀的一種建模方式，以點云為基礎，對片面進行劃分合理的領域的過程，此技術能夠大大增加產品建模的精度，應用于工業(yè)產品設計、模具造型設計、醫(yī)療器械等精密度要求較高的領域中，并結合先進制造技術可以加工出形狀各異的高精度產品。本課題以面盆龍頭為例，研究三維數(shù)字化技術在工業(yè)產品中的應用。

關鍵詞：三維數(shù)字化;逆向建模;工業(yè)產品;創(chuàng)新設計;制造

1 概述

隨著社會發(fā)展的不斷更新?lián)Q代，傳統(tǒng)的技術已經無法滿足產品外型及產品精度的要求。三維數(shù)字化建模技術是由計算機進行搭建三維建模的新方式，大幅提高了傳統(tǒng)的建模技術。而三維逆向建模則是在計算機分析仿真的基礎上對產品進行建模，并模擬出精度誤差分析的過程，大大提高了產品的質量，從而在現(xiàn)代社會中被廣泛的使用。

在工業(yè)產品中，面盆龍頭是安裝在面盆上用于日常洗漱的產品，功能是通過混水閥調節(jié)自來水的大小與冷熱，達到用戶的使用標準?，F(xiàn)有一款面盆臺面單把手雙孔面盆龍頭組件實物（圖1），把手部分和相關產品技術資料缺失，現(xiàn)計劃重新生產該款龍頭，需要對閥體組件重新建模。根據閥體模型設計制造把手樣件與面盆龍頭體進行試配驗證，并投入到消費市場。產品設計制造存在的難點：（1）面盆龍頭曲面多，面片難以擬合。（2）設計龍頭主件難以模擬仿真。（3）加工時表面粗糙度難以控制。（4）創(chuàng)新設計的把手要符合裝配要求。以三維數(shù)字化技術為基礎來解決此問題，做出產品，滿足要求。

2 面盆龍頭產品設計與工業(yè)產品創(chuàng)新設計過程

2.1面盆龍頭的點云采集

點云是逆向建模的基礎數(shù)據，有了點云素材才能根據點云素材進行建模。點云的采集通過掃描儀進行，我們選用的掃描儀器是北京三維天下WIN3DD三維掃描儀（圖2），該掃描儀配置三維數(shù)字化相機與光柵，掃描的方式以拍照式自動拼接成型[1]。掃描的空間誤差小、精度高。此掃描儀能夠滿足產品點云的數(shù)據采集。

要采集準確的點云數(shù)據，首先調整好掃描儀的擺放角度，如果角度調整不好，很容易出現(xiàn)點云不全的現(xiàn)象，導致后續(xù)無法進行。之后再調整相機的參數(shù)，參數(shù)按照說明書中介紹的設置。再進行標定，標定是不可缺少的重要部分，就像是畫圖的基準面一樣，標定的質量直接影響建模的精度。掃描過程中，掃描的模式分為拼合掃描、非拼合掃描、框架點掃描，掃描時應選擇合理的掃描方式進行掃描。因面盆龍頭表面金屬反光并表面有些薄面，掃描儀無法準確地采集到點云素材，所以選擇拼合掃描，這樣才能迅速捕捉到物體的形狀，采集點云。最后通過掃描儀得到的點云素材格式為（.asc），導人GeomagicWrap軟件中。

G eomagicWrap軟件的特點是能支持多種的掃描設備，基于點云數(shù)據進行編輯并快速創(chuàng)建精準的多邊形模型[2]的軟件。由于面盆龍頭的外型曲面較多，處理點云的時候先清除無關的雜點，保證面盆龍頭的外型點云。再進行點云的平滑，使面盆龍頭的點云外型變得更加光滑，之后去躁點，把點精簡，保證在250000個點左右，簡化后的2D效果圖如圖3。接下來就要進行三角網格片面的修補，把破掉的地方補起來，使物體完整，之后進行點面片優(yōu)化，保存完整的點云（圖4）。此時的點云數(shù)據與用三坐標測量儀測量的原始面盆龍頭得出的數(shù)據進行對比，對比誤差見表1（單位毫米），誤差僅為0.04毫米。

2.2 面盆龍頭的三維逆向建模

通過以上處理的點云素材是已經達到建模的標準了。點云素材導入到G eomagicDesignX軟件中進行逆向建模。建模思路：導入點云，劃分領域組，根據模型情況調整敏感度，通過識別原始掃描數(shù)據的3D特征，進行自動分割。如果自動分割領域組后的數(shù)據分區(qū)，不能滿足后期建模的要求，需要對分區(qū)后的數(shù)據進行重新分割，分割后重新組建合理的領域組[3，4]。在建模的過程中沒有坐標系是萬萬不行的，坐標系選擇以大面為基準，手動對齊坐標系，建立主視圖，根據順序安排其它的視圖，確定X軸、Y軸、Z軸的方向。構造曲面，面盆龍頭被分割為5個領域組，所以要建立3大部分（圖1）。第一部分是面盆龍頭的兩肩大面，可用平面草圖，設置基準平面，單擊“曲面放樣”放樣出兩肩的大面，之后對底面進行一段拉升，直至延長后的曲面能完全覆蓋面盆龍頭兩肩的原始數(shù)據。利用同樣的方法把另外一面也做出來。第二部分是面盆龍頭的出水龍頭，利用草圖繪制，繪制出出水龍頭的視圖，然后進行放樣其表面，對有形狀的邊進行倒圓角，圓角的半徑應該與點云的點相近。最后拉升一段出水口的形狀，出水龍頭就建好了。第三部分是面盆龍頭的連接柱，利用草繪命令，繪出連接柱，再進行旋轉，作出連接柱。相關地方要進行倒角處理，達到精度要求。連接柱要和把手部分配合，這的尺寸要記好，在創(chuàng)新設計部分可以有據可依。最后利用布爾運算把三大部分拼接好，把多余的片面減掉，拼合成面盆龍頭的模型。完成后的三維數(shù)字化模型與點云進行對比的數(shù)據分析（圖5、表2）如下：

通過面盆龍頭檢測色彩對比圖偏差分布報告得出，由三維逆向建模的模型很好地貼合在點云上，精度大約在0.04MM，保證了產品的質量。

2.3面盆龍頭把手的三維數(shù)字化創(chuàng)新設計與說明

面盆龍頭的模型建立好以后，面盆龍頭把手采用UC軟件進行創(chuàng)新設計。UG軟件設計功能強大，對于后續(xù)的加工部分也有很大的幫助。設計思路通過以上的步驟，得到面盆龍頭的模型，導入到UG軟件中，對其要配合的地方進行測量，并記入需要配合的相關尺寸，然后新建草圖進行設計。畫出草圖后拉伸出手柄大致樣貌，通過之前記入的相關尺寸，得到面盆龍頭的活動桿的實體尺寸，在手柄底部平面繪制相應草圖，并再以方形四角為圓點做直徑，得到圖案后向外偏置得到一個封閉式的草圖，經過拉伸與布爾求差得到與活動桿相配合的花孔，然后進行整體的倒角，設計出面盆龍頭把手。最后把面盆龍頭把手與面盆龍頭裝配到一起，進行渲染查看效果。

創(chuàng)新設計的面盆龍頭手柄和面盆龍頭典雅大氣（圖6），在實用性上符合面盆龍頭的一切功能，手柄從底部的孔裝配面盆龍頭的活動桿，能夠實現(xiàn)通過上下活動靈活調節(jié)水流大小，通過左右活動能控制溫水冷水的排出，使用方便快捷，達到了設計要求。創(chuàng)新設計后的水龍頭手柄，底部采用方形結構，四周的人性化倒角設計，把手則采用簡單大氣的v型平面，以圓弧作為前端，避免了用戶無意中的劃傷，整體上看簡約大氣，富有現(xiàn)代氣息[5，6]，后續(xù)的加工中也更容易。連接部分是最重要的地方，通過四孔設計解決了活動桿的四角因配合出現(xiàn)的裝配過渡或者局部間隙等問題，使其與活動桿的裝配更緊固，更可靠，制造材料可使用不銹鋼材質。不銹鋼材料的特點：抗沖擊、抗腐蝕、不具有危害物質，使用時間長，調節(jié)溫度方便快捷，經濟實用。

2.4 面盆龍頭把手的制造過程

產品制造主要有三種方式：一種是去除材料的方式制造，如數(shù)控機床切削金屬制造零件的方式。一種是增材制造方式，如3D打印機的疊加式制造。一種是焊接制造。面盆龍頭把手的制造過程選取去除材料的方式進行制造。采用數(shù)控機床VCD-850型號FANUC系統(tǒng)的加工中心，此型號的機床剛性好，系統(tǒng)穩(wěn)定，使用性能強。軟件應用三維建模軟件UC的編程模塊及對應的后處理[7]，采用7075毛胚鋁件進行加工。

指定好毛胚的機床坐標系，確認加工時的裝夾位置，設定好安全距離。之后確定工件幾何體，指定部件與毛胚，進行編程。第一步：先對部件下端的特征進行編程，這樣能夠保證把手調頭裝夾的穩(wěn)定性。采用定心鉆對毛胚表面的四個深孔進行定心并編寫鉆孔程序。完成四孔的鉆孔編程后進行毛胚的第一次粗加工。使用型腔銑指令，調用立銑刀開粗，設置每刀切削深度及加工的參數(shù)，確認并生成加工刀路，完成后進行對花孔部分的加工，使用型腔銑指令，調用立銑刀開粗，設置加工的參數(shù)，確認并生成加工刀路。完成之后，進行毛胚的第一次精加工，使用深度輪廓銑指令，調用球刀精加工，指定倒角部分的切削區(qū)域，設置加工倒角參數(shù)僅為陡峭，設置圓弧刀具半徑，確認并生成加工刀路進行加工。第二步：完成后工件調頭，虎鉗夾住底部方形部分，開始對剩余的毛胚部分進行加工編程，指定工件幾何體，指定部件與毛胚。對剩余部分調用型腔銑指令，調用立銑刀進行開粗，設置底部余量，以螺旋的方式進刀，設置順銑深度的切削參數(shù)，確認并生成加工刀路，完成后進行毛胚的第二次精加工，使用深度輪廓銑指令，指定倒角部分與整個平面部分的切削區(qū)域，設置每刀切削深度恒定，生成加工刀路。完成所有的程序編寫后，選擇每條程序依次通過UG軟件的后處理器，調取FAUNC的后處理程序，輸出NC拓展名文件，則所有程序后處理完成[8]。通過編程軟件，可將處理過的程序傳輸?shù)綑C床里運行加工。

加工時刀具要進行對刀，開始程序輸入，將后處理程序導人數(shù)控編程軟件。輸入程序時要把倍率調低，單步運行。點擊啟動鍵，軟件即可輸入程序，在運行程序的過程中，要觀察機床是否會撞刀，運行正常后則打開切削液，開始加工。每個子程序重復以上的步驟，直至正反面所有加工的結束，并用氣槍清理后取出。最后將加工好的面盆龍頭把手與面盆龍頭相配合（圖7），能夠很好地達到產品的外觀效果和功能。

3 總結

在這個瞬息萬變的時代，主要的工業(yè)國家都制定了科學的發(fā)展戰(zhàn)略，將工業(yè)迅速推進到數(shù)字化時代。三維數(shù)字化技術對工業(yè)產品創(chuàng)新設計的影響也是很大的，從上文可以得出：

（1）通過高端的掃描設備、先進的建模技術，能夠實現(xiàn)精準的原物還原。

（2）創(chuàng)新設計是通過三維軟件設計出來，而不是傳統(tǒng)的手工繪制。新方式的設計過程直觀、鮮明，裝配方式一目了然，解決了產品的精度、配合、外型渲染等前期工作，減少了產品研發(fā)的周期。

（3）傳統(tǒng)的鉗工加工工藝已被先進的數(shù)控機床取代，大大地提高了企業(yè)開發(fā)產品的效率與質量。

參考文獻：

[1]劉玲玲，王雪夢.基于RapidForm逆向工程軟件的汽車外拉手產品設計和數(shù)控加工[J]汽車零部件，2018

[2]呂翼峰.FSAE項目駕控布局及踏板裝置逆向工程研究[D]揚州大學碩士論文，2018.

[3]楊曉雪，閆學文.GeomagicDesignX三維建模案例教程[M]機械工業(yè)出版社，2016

[4]張德海.三維數(shù)字化建模與逆向工程[M]北京大學出版社，2016

[5]楊梅.工業(yè)產品造型設計[M]化學工業(yè)出版社，2014

[6]江帆，陳江棟，戴杰濤.創(chuàng)新方法與創(chuàng)新設計[M]機械工業(yè)出版社，2019

[7]高雨辰，汪海溟.UG NXlO.O三維數(shù)字化輔助產品設計[M].清華大學出版社，2018

[8]于濟群.先進制造技術與機械制造工藝分析[J]南方農機，2019