基于逆向構件成型的小焊接集成裝置設計

文/劉秀林　趙廣才　姜淑鳳　胡夢　范宇航

在“大眾創業,萬眾創新”的大背景下,隨著國民文化水平的提高,創新這個詞匯經常出現在國民的生產生活中，科技創新作為我國創新事業的重要一項，不再是少數人的專業，而是多數人的機會。烙鐵作為發明制作的重要工具之一，在電子器件制作、機械設備維修等領域有著廣泛的應用。然而對于平民百姓來說，同專業人士相比，他們的使用條件相對簡陋，使用目的更加單一，他們沒有專業人士那樣專業的實驗室或操作臺，也沒有專業人士那樣的資金去購買專業的設備，他們需要一種價格低廉、功能豐富、節省空間、使用方便、安全性高、并且能夠隨用隨收不需要等待冷卻的焊接裝備。

然而，對于電烙鐵的結構改進，要么集中于提高其能源利用效率，要么致力于增強其電子控制性能，并沒有針對于焊接設備的整體應用性改進。本文提出一個新的思路，以逆向工程的方法設計一種滿足現代家用需求的新型焊接設備。

逆向工程又稱為反向工程，是一種對產品設計過程的整體概念描述。逆向工程是對正常設計過程進行完全顛覆，將正常產品設計程序倒置，進行反向技術研究，縮短研發周期，節省設計成本，依靠3D打印技術，樣件易得，在生產制造業領域有廣泛應用。

本文利用逆向建模設計樣件和整裝過程，解決了上述困擾，提供一種帶源烙鐵集成裝置整體設計。該裝置將烙鐵架、被焊接件支架、照明裝置、隔熱散熱裝置、USB充電裝置、低壓直流電壓表、過熱保護裝置集中于一體的小焊接設備。

1　主體設計

普通烙鐵功能單一，沒有開關控制，沒有過熱保護，安全問題無法保證；焊接工具十分零散，整理十分不方便，有些使用者除了烙鐵和焊錫，甚至沒有任何工具來輔助焊接，同時使用后因為烙鐵余熱，可能對人員造成傷害，也存在火災隱患。為此本文設計了該裝置將烙鐵架、被焊接件支架、LED燈、過熱保護裝置、USB充電裝置、電壓表等集成于（25×18×5.5）mm的盒中，部件按功能分區：

（1）烙鐵架、被焊接件支架鉸接于裝置內，烙鐵架自由起落，支架用途多樣，用于固定烙鐵，穩固裝置。

（2）設節能LED燈光線不足時可以為焊接提供光源，也可作為普通臺燈供其他用途使用。

（3）采用隔熱材料及散熱孔，熱源傳感器，隔熱散熱裝置提供了過熱保護，避免因為遺忘使烙鐵工作時間過長持續通電造成隱患。烙鐵用后回歸溫度過高，會產生提示，避免安全隱患。

（4）裝置內設置鋰離子電池，連接升壓電路，可使該裝置不進行作業時作為移動電源使用，實現了一物多用的創新。

（5）設置了外接電源連線，可充電也可有源使用。

裝置的整體結構如圖1所示，如此安排內部結構使多個器件集合裝置內，利于集中管理，防止丟失，攜帶方便。

2　技術路線研究分析

2.1　樣件的三維建模基礎分析

通過三維掃描儀，采集到樣件的三維點云數據。基于點云的預處理方法，合理地對獲得的點云數據進行預處理。在研究Bezier曲面建模理論和NURBS曲面建模理論的基礎上，提出適合的曲面建模方法并進行優化，完成樣件的三維建模。

應用InspireS250-3D工業級打印機，根據上述理論選取合適的打印方位、分層厚度和STL精度等，實現模型的快速制造.同時軟件提供相關的加工情況報告，檢測加工過程中可能出現的碰撞和干涉等問題.

2.2　樣件建模的過程

2.2.1點云數據獲取與處理

本研究通過分析需要樣件特型，在現實工具中選取樣件，通過三坐標測量機等設備獲取零部件的三維坐標值，即掃描獲得點云數據，根據點云數據利用 CAD 軟件將其擬合成曲線，三維數據信息的提取是本研究采樣的逆向工程中的重要內容，采樣后按照設計需要尺寸和樣型處理數據，獲得點云數據模型。

圖3：三維樣件模擬圖形

圖4：使用過程分解圖示

2.2.2依據提取的特征數據集設計參數

附以創新設計思想進行特征重構和運算，零件建模前，需對點云數據進行預處理，此環節對建模質量有直接的影響，建模后進行仿真模擬再設計。獲得樣件建模圖形。

2.2.3加工制造

建模完成后，在選擇的 CAM 軟件中，根據曲面的形狀選擇加工方式、確定刀具型號，選擇所需的加工工藝參數，實施切削加工，并對加工路線進行優化分析和改進。

2.2.4測量檢驗

零件的數字化處理及三維建模均具有較高的精確度，但由于加工系統的誤差，如機床和刀具的誤差等，加工出的零件會存在一定的誤差，即逆向產品的加工生產誤差.其測量檢驗方法是將產品的數據文件導入 UG 軟件中，將其與 UG生成的數據（如零件的曲線）作比對，進行誤差的定性和定量分析，從而實現產品的量化檢驗，三維重建后樣品模型與制造實物模型如圖2，圖3所示。

通過實驗測試、理論分析和計算機仿真等手段，采用逆向工程三維重建以數字樣品為核心的三維CAD建模方法進行研究，并應用到實際物品設計制造中，然后將參數、圖形分別進行比較，再通過3D打印技術與機加切削制造的模型和產品，質量和效果優勢明顯，如圖4所示。

3　結論

本文為解決電烙鐵不便于無基礎人員日常應用等問題，通過逆向建模設計樣件和整裝過程等方法，研究并設計了一種新的焊接設備，得出以下結論：

（1）運用整體建模的思路，將烙鐵架、被焊接件支架、LED燈、過熱保護裝置、USB充電裝置、電壓表等集成于（25×18×5.5）mm的盒中，使多個器件集合裝置內，利于集中管理，防止丟失，攜帶方便。

（2）通過三維建模等方法，獲取各個零部件的三維坐標值，并利用 CAD 軟件將其擬合成曲線。根據曲面的形狀選擇合適的加工方式以及加工工藝參數，可實施切削加工與3D打印技術共用。

（3）通過實驗測試和計算機仿真等手段，對以數字樣品為核心的三維CAD建模方法進行研究，通過3D打印技術制造的模型和產品。研究表明新的焊接設備具有便于器件集中管理，不易丟失，安全性高，攜帶方便等優點，有廣泛的應用價值。