面向鐘表制造業的RE/RP/CAM集成技術應用

2014-12-19 01:46:34葉凱

制造業自動化 2014年18期

關鍵詞：產品模型設計

葉凱

YE Kai

（漳州職業技術學院，漳州 363000)

0 引言

隨著市場產品的日益豐富，消費者對鐘表產品的要求不斷提高，要求產品造型美觀、功能齊全、交貨時間短，面對市場的激烈競爭，制造企業需要一個從消費需求概念的產生到產品快速實現的設計技術平臺，以響應市場的需求。

1 RE/RP/CAM技術集成的工作原理及流程

RE/RP/CAM技術集成，是指RE、RP、CAM技術的一體化應用，是一種全新的設計和制造模式[1]。

RE為逆向工程技術的縮寫，就是利用3D數字化測量儀器對原始物理模型或樣品，準確、快速測得其輪廓坐標，進行曲面重構，在此基礎上，通過CAD進行創新設計，生成數字化虛擬產品模型，再利用RP技術將虛擬模型通過3D打印生成產品物理模型，進行功能驗證，最后應用CAM技術加工出產品模具或批量加工產品[2]。

RE/RP/CAM技術集成應用的工作流程如圖1所示。

圖1 工作流程圖

1.1 模型掃描及數據采集

該階段是通過測量設備和測量方法獲取模型表面離散點的幾何數據，將其幾何形狀數字化，具體做法就是將模型置于測量機的測量空間內，通過三維掃描技術獲得原始點云數據，高效、高精度獲取模型的數字化信息是實現逆向工程的基礎，逆向建模的成功與否的關鍵在于三維掃描所獲得的點云數據[3]。

1.2 點云數據處理

數據處理決定了后續CAD建模過程能否方便、準確進行,所有的測量方式和測量系統都存在誤差，掃描階段采集的數據帶有很多雜點和嘈聲點，會影響到后續模型的重建，在三維數字建模之前，必須對所采集的數據進行處理，數據處理工作方法有：數據格式轉換、雜點剔除、數據降噪、點云的拼接、缺失補全、特征提取等，點云數據處理后可以建立特征網格模型；將網格化模型進行擬合，生成多個封閉光滑的曲面，再通過拼接、過渡、裁剪、光順等編輯手段對這些曲面進行處理，獲得完整光順的曲面模型。

1.3 三維數字建模

該階段是通過三維建模軟件對上述曲面進一步修整、編輯，進而得到與實物原件很接近的CAD模型數據，必要時還要對CAD進行誤差分析和修正。

1.4 產品創新設計

實物模型或樣件的曲面重構完成后，進入逆向工程再設計環節即產品的創新設計，該環節充分運用設計者的工程設計經驗、知識，把正向設計和逆向工程有機結合起來進行優化再設計，設計者不僅要了解產品的幾何特征、數據特點、功能需求，還要了解快速成型、模具制作加工等后續應用。

創新設計借鑒了逆向建模模型的某些幾何特征、結構，融入了新產品開發設計的創新要求，是逆向工程的靈魂、核心。

1.5 物理模型的快速成生與驗證

借助3D打印技術可將產品創新設計的三維數字模型快速、精確、而又經濟地生成可觸摸的物理模型，且其成型的工件形狀幾乎沒有限制,它比將三維幾何造型展示于二維屏幕或圖紙上具有更高的直觀性和啟示性，可以用打印出來的物理模型進行產品形狀和尺寸評判、外觀評審、功能探討、裝配實驗、動態分析、用戶認可,發現設計中的錯誤或不足，以進一步修正、優化設計方案。

1.6 模具制造

當創新設計方案確定后，可利用模具設計軟件進行模具設計，獲得模具CAD模型，然后利用CAM，生成數控加工NC文件，在數控機床加工出模具。模具CAD模型完成后也可以直接輸入RP系統，得到快速模具；或者利用RP系統制得零件成型件作為母模，再用傳統的方法通過數次翻模得到快速模具。

完成模具制造后，即可投入產品的批量生產。

2 RE/RP/CAM技術集成在鐘表產品研發中的意義

我國鐘表業已躋進了世界鐘表生產和消費大國的行列,產品產量也位居世界前列,但卻并非鐘表強國。

目前外鐘表的發展趨勢已越來越脫離單純的計時功能，對外觀的審美要求與日俱進，鐘表的設計核心不僅僅是表機芯等技術，表殼等外觀設計也十分重要，作為技術和藝術結合的產物，鐘表造型越來越傾向工業設計理念，外觀更加人性化、藝術化，禮品功能、裝飾功能日益凸現。設計人員要針對不同的市場需求，提煉消費者需求中的元素，組合成為不同的概念，再進行針對性研發，進而快速制造。然而由于鐘表工業的工業設計水平低,我國鐘表行業在國際市場同日本、瑞士的競爭處于劣勢，在國內市場由于獨特的設計風格，無法刺激消費者新的消費欲望[5]。

針對鐘表現狀，為使我國鐘表工業繼續得到健康發展，中國鐘表工業協會提出的今后技術政策要點中指出“加強外觀件的技術改造,研究開發外觀件生產的新技術、新工藝和新材料,提高鐘表產品的外觀檔次和質量水平”。2013年底，首屆“中國（藍光杯）鐘表設計大賽”在“中國鐘表之城”福建省漳州市舉辦，獲獎的時鐘產品設計、時鐘概念作品讓人們感受到工業設計在提升鐘表外型中的魅力[6]。

漳州是中國乃至世界最大的石英鐘、石英鐘機芯生產基地，生產廠家超過一百家，大型企業有三十余家，從業人數近2萬人，產業鏈十分完整[7]。在對漳州鐘表行業的調研中，我們感到，設計人員在產品外觀設計時，已逐漸融入了工業設計的理念，但概念設計時技術手段落后，缺乏實現概念設計的技術平臺，進而影響到設計概念轉化為現實產品的進程及效果。

鐘表產品的外觀通常是復雜的造型，設計師的創作靈感可來指某些工藝品、玩具、日常用品以及用戶的感官，從三維建模的角度看，這些造型通常是由復雜的自由曲面拼接而成，因此在概念設計階段難以用嚴密、統一的數學語言來描述。逆向工程技術(RE)可根據已經存在的產品模型，反向推出產品設計數據，在此基礎上進行創新設計，利用3D打印機(RP)打印出實體模型，獲得客戶的認可及功能驗證后，即可用數控機床加工出產品模具，從設計概念到產品生產，周期1-2天即可。可以看出，RE/RP/CAM技術集成為鐘表行業的工業設計提供了技術支撐。

3 RE/RP/CAM技術集成在鐘表制造業工業設計中的應用

本項目以汽車模型為原型，通過RE/RP/CAM集成技術，快速研制出帶時鐘顯示的紀念品。

3.1 汽車模型原型掃描

在三維掃描儀的轉盤上貼上標志點，注意不能貼出等邊三角形和有規則的點。將汽車模型原型放置在轉動盤上，旋轉若干次，觀察采集樣本的點云是否完整，若不完整單獨掃描欠缺的部分使之完整，點云文件如圖2所示。將完整的點云數據保存成txt格式文件。

3.2 點云文件處理

通過Geomagic Studio軟件對導入的TXT點云文件進行處理。首先手動除去大面積無關點云，例如轉盤轉動所產生的噪音點；用過斷開組件，去除體外孤點（若采集的點云較為準確可降低體外孤點的敏感數值）；減少噪音；統一采樣，本模型體積較小曲面拐角較多所以采樣時點間距應小于0.2mm左右；對達到理想的點云數據進行封裝處理；對封裝完的三角形面片進行去除特征，光順表面等等處理，對貼點的地方進行去除特征處理；保存成STL格式，處理后的點云如圖3所示。

圖2 原型掃描

圖3 點云文件處理

3.3 逆向建模

通過軟件Geomagic Design X 2014進行逆向建模。首選對導入的STL格式文件進行領域組分析，對其領域進行人性化的判斷修正；對齊坐標系；通過3D面片草圖找出主要輪廓線并將其繪制出來，在3D面片草圖的基礎上繪制3D草圖得到曲率平緩光順的曲面，再通過放樣，面填充，掃描等曲面命令建出整體模型，最后對其曲率不理想的地方進行修剪并填充，用igs保存其片體和草圖（如圖4所示）。