基于逆向設計技術的射釘槍修復與改良*

□ 郭 晟 □ 賴 嘯 □ 劉 勇 □ 劉存平

宜賓職業技術學院 四川宜賓 644003

1 研究背景

許多常用的手工工具使用時間長,受外界摩擦與侵蝕多,加之原始生產數據丟失,造成修復困難。近幾年,得到迅速發展的逆向工程技術因優異的還原特性被廣泛應用于產品還原修復、局部改良優化及新產品開發。逆向工程技術與數字化設計制造技術相結合,能夠快速實現實體建模、仿真、優化及新產品開發,具有高質、高效的可操作性與便捷性[1-2]。筆者以射釘槍為研究對象,將逆向設計軟件Geomagic DesignX與數字化設計制造軟件Unigraphics相結合,實現射釘槍的修復與改良[3]。

射釘槍是廣泛應用于建筑施工、木工等工作場合的手工工具,借助射釘槍,能夠將釘子擊入木材、混凝土、磚砌體、巖石、鋼鐵等基體中,從而對構件和基體進行固定。

射釘槍老舊產品如圖1所示,因在工地使用多年,表面大量腐蝕、損傷。這一射釘槍的原始生產數據已丟失,實體質量難以保證,并且老舊的非人性化設計無法滿足當代大眾手感佳的要求,使用不方便,也不美觀。對此,筆者利用逆向工程技術對這一射釘槍的原始數據進行采集與分析,并反求建模。在此基礎上,應用先進的數字化逆向與正向設計軟件對射釘槍數字模型進行重構。在優化射釘槍的性能時,對射釘槍原始模型部分位置的結構與參數進行相應的局部改良和創新設計,以滿足現代大眾對射釘槍實用性、美觀性的需求。

▲圖1 射釘槍老舊產品

2 修復與改良思路

作為現代設計與制造技術的支撐,逆向工程技術與數字化設計制造技術的結合得到越來越深入的研究[4]。筆者通過三維掃描儀對射釘槍進行點云數據掃描,將物理模型轉換為測量數據點[5],通過點云處理軟件Geomagic Studio將點云數據轉換為非均勻有理B樣條曲面模型,結合逆向設計軟件Geomagic DesignX實現射釘槍的逆向建模,并對所生成的模型進行精度檢驗。

在修復的同時,基于逆向技術對射釘槍進行局部改良,重點對手柄、填料腔、外殼形體、柄尾、板機等五個部分進行局部改良和創新設計。整體修復與改良步驟如下[6-7]:① 選取射釘槍原始模型進行顯影劑噴涂,噴涂顯影劑有助于實現反光和灰暗處顯像;② 正確貼標志點,使點云的完整度得到保障;③ 運用三維掃描儀進行點云數據的采集;④ 運用 Geomagic Studio 軟件進行點云面片數據的修補和完善;⑤ 運用Geomagic DesignX軟件對射釘槍實體數字模型進行重構;⑥ 運用Unigraphics軟件對射釘槍實體數字模型進行進一步完善、裝配和外觀改良。逆向設計基本思路如圖2所示。

▲圖2 逆向設計基本思路

3 數字模型構建

在射釘槍數字模型的構建過程中,關鍵步驟有三維數據采集與處理、數字模型重構、模型裝配成型等。筆者采用三維掃描儀進行數據采集,采集時依據產品具體結構特點擬定方案,并綜合運用顯影劑、貼標、橡皮泥、轉盤等工具進行操作,確保數據的完整性與精確度在允許誤差范圍內[8]。

應用三維掃描儀獲取離散的初始點云數據后,需要在數據處理軟件中通過降噪、去除孤點、去除重疊、填充孔、去除特征、松馳、網格醫生、精簡等工具對數據進行優化處理[9],最后進行封裝。

封裝后進入實體模型逆向重構階段,此時,在Geomagic DesignX軟件中通過預處理、輪廓重構、圓角處理、領域組、視圖對齊、提取、擬合、生成等手段完成射釘槍實體模型的逆向建模,以及局部改良優化重建工作[10]。

最后應用Unigraphics軟件完成整個射釘槍的裝配成型設計,其裝配爆炸效果如圖3所示。

4 局部改良創新點

通過逆向技術對射釘槍初始的生產數據進行采集保樣,在此基礎上進行優化設計,便于數字化生產管理[11-13]。融入人性化設計理念,從實用、舒適的角度著手,進行了五個方面的局部改良和創新設計,創新點解析如圖4所示。

(1) 原射釘槍手柄舒適度與手感較差,基于成年男子的食指形態與參數,優化了手柄形狀曲面與手柄大小,以確保人性化設計,滿足大眾的需求。

▲圖3 射釘槍裝配爆炸效果

▲圖4 創新點解析

(2) 在原射釘槍的基礎上加大了填料腔的進程深度,增強了射擊力度,釘子能夠擊穿更厚的鋼板。

(3) 在原射釘槍的基礎上,基于人機理念進行了一定的外觀人性化設計,給人更加協調的感覺。

(4) 手柄尾部結構由原有的圓頭結構改為方頭結構,并增加了兩顆緊定螺釘,具有更好的固定效果,避免振動引起松動。

(5) 扳機處將原有的完全圈定結構更改為2/3環柄結構,增強了扣板機時的自由度與舒適度,更具有人性化。

經局部改良并創新設計后,射釘槍的使用更為舒適、方便,結構更趨合理,且產品外形更為美觀,對比效果如圖5所示。

▲圖5 射釘槍局部改良效果對比

5 結束語

筆者以實際生產應用廣泛的射釘槍為研究載體,基于逆向設計技術,進行射釘槍的修復與改良。

在研究中,進行三維數據采集,經過數據處理,應用計算機軟件完成射釘槍三維數字化模型的構建,進而提取較為完整的原始生產信息。對射釘槍的工作曲面進行創新設計,使其更具人性化。對射釘槍的結構進行局部改良設計,使結構更為緊湊,功能更為強大和完善。筆者的研究為現代機械產品的創新設計提供了一條可行的技術應用途徑。