逆向工程技術(shù)打蛋器殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

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【摘要】傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)往往采用設(shè)計(jì)—驗(yàn)證—改進(jìn)等步驟，產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)成本高。文章使用手持式激光掃描儀獲取打蛋器殼體模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用GeomagicWrap與GeomagicDesignX軟件進(jìn)行點(diǎn)云處理與CAD模型生成，逆向出的產(chǎn)品在創(chuàng)新設(shè)計(jì)之后利用Solidworks2017對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。優(yōu)化之后的結(jié)構(gòu)不但滿足強(qiáng)度要求，質(zhì)量也有較大幅度的減輕，優(yōu)化效果明顯，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率。

【關(guān)鍵詞】點(diǎn)云數(shù)據(jù)；逆向；靜力學(xué)分析 

1引言

傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是根據(jù)用戶的需求與產(chǎn)品的定位提出概念構(gòu)思，借助手工或軟件建模，通過試制的產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)設(shè)計(jì)之后進(jìn)行產(chǎn)品的加工生產(chǎn)。現(xiàn)今社會(huì)要求產(chǎn)品的更新周期越來越短，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念已無法適應(yīng)快節(jié)奏的產(chǎn)品更新和升級(jí)要求。逆向工程技術(shù)是相對(duì)傳統(tǒng)正向設(shè)計(jì)而言[1，2]，采用三維掃描技術(shù)將實(shí)體模型生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再利用逆向設(shè)計(jì)軟件將點(diǎn)云進(jìn)行處理，點(diǎn)云處理完成生成三角面片導(dǎo)入相應(yīng)軟件生成三維模型，模型在進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)后導(dǎo)入分析軟件，通過靜力學(xué)分析獲得零件適宜的模型數(shù)據(jù)。采用逆向工程技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)可有效減少產(chǎn)品開發(fā)的周期與成本，在產(chǎn)品創(chuàng)新過程中采用Solidworks2017軟件對(duì)其進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，獲得最佳的結(jié)構(gòu)與最少的材料。本文以某款打蛋器為例，通過工業(yè)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云處理、逆向建模、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、受力分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)完成產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，通過靜力學(xué)分析驗(yàn)證模型的質(zhì)量，最后再利用快速成型技術(shù)打印出成品觀察驗(yàn)證。該產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程可提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，同時(shí)降低生產(chǎn)成本[3]。

2打蛋器殼體的逆向建模

2.1Win3D三維掃描儀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

本次實(shí)驗(yàn)使用海克斯康Tango-SPlus手持式激光掃描儀對(duì)打蛋器殼體進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。具體的掃描流程為：（1）掃描儀標(biāo)定；（2）將掃描對(duì)象放置在貼好標(biāo)志點(diǎn)的轉(zhuǎn)盤上，利用橡皮泥進(jìn)行固定并掃描；（3）上表面掃描完成后再將工件翻面進(jìn)行掃描。在本次實(shí)驗(yàn)中，打蛋器的細(xì)節(jié)特征多，曲率變化小，整體呈白色，無需噴顯像劑；在打蛋器殼體上貼標(biāo)志點(diǎn)時(shí)可以貼在平面或平緩過渡的曲面處，且不少于三個(gè)。

2.2GeomagicWrap點(diǎn)云處理

2.2.1點(diǎn)階段處理在采集點(diǎn)云時(shí)，由于掃描原理、環(huán)境因素或者工作人員經(jīng)驗(yàn)等原因，會(huì)使點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含大量雜點(diǎn)。點(diǎn)云處理流程為全局注冊(cè)、點(diǎn)云著色、聯(lián)合點(diǎn)對(duì)象、刪除標(biāo)志點(diǎn)、刪除非連接項(xiàng)、刪除體外孤點(diǎn)、減少噪音、曲率采樣與封裝。

2.2.2多邊形階段處理封裝后的模型是由多個(gè)三角形面片組合而成，模型表面會(huì)存在孔隙和褶皺，所以要對(duì)封裝后的面片再進(jìn)行處理，三角面片處理流程為填充孔、去除特征、刪除釘狀物、松弛、網(wǎng)格醫(yī)生、減少噪音。處理完成后模型表面應(yīng)光順平滑無明顯缺陷，模型也不能過于追求平滑而導(dǎo)致偏離原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)[4]。

2.3GeomagicDesignX的逆向建模與比對(duì)

將面片數(shù)據(jù)導(dǎo)入GeomagicDesignX軟件中，建立一個(gè)坐標(biāo)系，再通過領(lǐng)域?qū)δＰ瓦M(jìn)行劃分，利用曲面特征或創(chuàng)建實(shí)體對(duì)模型快速建模；通過修剪指令對(duì)多余曲面模型去除，封閉曲面模型轉(zhuǎn)換成實(shí)體模型。逆向建模完成的模型需要與原點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，需要注意如果逆向出模型連接的光順度與點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合度出現(xiàn)矛盾時(shí)，首先確保模型連接的光順度[4]。模型的比對(duì)結(jié)果擬合偏差在±0.1mm之間，誤差較小。

3逆向建模產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與Solidworks2017優(yōu)化分析

3.1創(chuàng)新設(shè)計(jì)

（1）產(chǎn)品分析。打蛋器在日常使用過程中會(huì)產(chǎn)生一定的扭矩，然而這款打蛋器把手位置太過光滑，不方便抓握；打蛋器開關(guān)位置的檔位鍵與攪拌棒的退出鍵設(shè)計(jì)在一起，需要用拇指單獨(dú)操作，控制困難，且開關(guān)為異形件，制造困難造價(jià)高。（2）創(chuàng)新思路。將把手設(shè)置為凹凸依次布置的形式更符合人體工學(xué)，抓握穩(wěn)定；將檔位鍵與攪拌棒的退出鍵分開布置，且選用三檔撥動(dòng)式開關(guān)，零件成本更低，安全性更高。（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。手指抓握位置的圓角尺寸較大，且抓握位置的尺寸間隙從上至下依此減小，更符合人體的手指尺寸結(jié)構(gòu)；將原有開關(guān)更改為撥動(dòng)式開關(guān)，防止操作人員因失誤造成的傷害，提高設(shè)備的安全性。

3.2正向建模

利用UG10.0軟件根據(jù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的思路在原模型上進(jìn)行正向創(chuàng)新建模。

3.3Solidworks2017優(yōu)化分析

利用Solidworks軟件對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)之后的產(chǎn)品進(jìn)行靜力學(xué)分析，具體的參數(shù)設(shè)置如表1所示。（1）新建算例。為研究外殼應(yīng)變、位移、應(yīng)力、及安全系數(shù)新建算例，使用常規(guī)模擬中的靜應(yīng)力分析。（2）應(yīng)用材料。在進(jìn)行分析之前需要為模型指定材料，此次打蛋器外殼采用ABS，具體參數(shù)如表1。（3）添加夾具及其外部載荷。本產(chǎn)品在使用過程中由操作者手持使用，所以打蛋器把手受手掌抓握力和攪拌棒高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭矩，而成年人的右手平均握力在500N左右，但對(duì)產(chǎn)品本身不需要過大的握力，取最大握力1/10約50N，并以攪拌雞蛋為例，測(cè)得扭矩在10Nm-20Nm之間[5]。（4）網(wǎng)格劃分。為進(jìn)行靜力學(xué)分析，對(duì)外殼進(jìn)行網(wǎng)格劃分，調(diào)整網(wǎng)格參數(shù)，共設(shè)置節(jié)點(diǎn)總數(shù)69049個(gè)，單元總數(shù)34859個(gè)。（5）靜力學(xué)分析結(jié)果。通過SolidWorksSimulation靜力學(xué)分析結(jié)果展示了打蛋器外殼受力后的應(yīng)力值、應(yīng)變值和位移量。打蛋器的最大應(yīng)力和應(yīng)變主要集中在把手位置，最大應(yīng)力為114.8MPa、最大應(yīng)變?yōu)?.9%、最大位移量在1.02mm。打蛋器外殼材料為ABS，其拉伸強(qiáng)度為450MPa，拉伸斷裂伸長(zhǎng)率為38%?？梢钥闯觯虻捌魍鈿ふw所受的應(yīng)力值和應(yīng)變，均沒有超出材料的許用應(yīng)力和許用應(yīng)變值，均在材料的許可范圍內(nèi)，能夠滿足打蛋器的日常應(yīng)用，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)產(chǎn)品外觀及尺寸的預(yù)期值[6]。（6）設(shè)計(jì)算例優(yōu)化分析。依據(jù)simulation已經(jīng)得到了合理的設(shè)計(jì)方案，但在工程設(shè)計(jì)中，需要通過進(jìn)行多方案對(duì)比分析得到產(chǎn)品的最優(yōu)方案。通過設(shè)計(jì)算例，可以設(shè)置定量和變量，一次性完成多個(gè)方案的直接對(duì)比，以最低的成本獲得最好的效益，提高設(shè)計(jì)效率[7]。此次設(shè)計(jì)殼體零件，目的是在確保滿足力學(xué)性能要求的前提下，盡可能減少使用的材料，故將壁厚設(shè)為變量，依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，壁厚不應(yīng)小于1mm以保證產(chǎn)品可以承受本身重量，同時(shí)不應(yīng)高于2.5mm以防止注塑過程產(chǎn)生過度收縮，步長(zhǎng)0.1mm，握力在50N，扭矩為10Nm的情況下觀察在11種方案下模型的質(zhì)量、應(yīng)力、位移情況，確保在應(yīng)力與位移條件符合的情況下，質(zhì)量最小。結(jié)果如表2所示。由表2可得在打蛋器殼體壁厚在1.4mm的情況下，產(chǎn)品質(zhì)量為96.75g，承受的應(yīng)力為103.26MPa，小于114.8MPa，此時(shí)力矩作用下位移為0.94mm，小于1.02mm，符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。為了設(shè)備使用的安全性，設(shè)計(jì)安全系數(shù)為1.2，故當(dāng)壁厚為1.7mm時(shí)，打蛋器殼體即可滿足使用要求，且比壁厚為2mm時(shí)質(zhì)量減少18.05g，材料成本降低約14.26%。

4結(jié)語

通過對(duì)已有產(chǎn)品的掃描逆向出該產(chǎn)品的三維模型，通過對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)之后的產(chǎn)品進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，最終得到了打蛋器殼體的一種比較合理的材料分布狀態(tài)，在保證產(chǎn)品力學(xué)性能同時(shí)，打蛋器殼體的重量從126.62g下降到了108.57g，減重比例達(dá)到了14.26%，降低了生產(chǎn)成本，提高了設(shè)計(jì)效率。

參考文獻(xiàn)

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作者：姜 單位：濰坊職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院