逆向工程與3D打印在自動(dòng)牙線盒正向設(shè)計(jì)中的應(yīng)用＊

徐桂才，陳學(xué)斌，陳葉娣，楊潼

（江蘇常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院模具技術(shù)學(xué)院，江蘇常州213164）

1 引言

逆向工程是一種反求工程,它是在二維或三維抄數(shù)得到實(shí)體模型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上用造型軟件構(gòu)建數(shù)字模型，通過修改、調(diào)整特征的方式來開發(fā)同一類型的產(chǎn)品，此技術(shù)基于反向推理的方式，運(yùn)用于傳統(tǒng)正向設(shè)計(jì)理念相反的思路來解決產(chǎn)品的快速研發(fā)。隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，需要這樣的工程來縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期、加快產(chǎn)品的更新?lián)Q代，但是正向設(shè)計(jì)無法解決這樣的問題。所以，逆向設(shè)計(jì)可以說是大勢所趨，它已經(jīng)運(yùn)用到航空、模具、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、文物修復(fù)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等領(lǐng)域。

基于一枚市場上買到的牙線，用逆向工程的技術(shù)，求出它的三維數(shù)字模型，并以這枚牙線的數(shù)字模型為起點(diǎn)，正向設(shè)計(jì)出大容量，取拿方便，衛(wèi)生的自動(dòng)牙線盒。為此類新產(chǎn)品的孵化，提供思路。

2 抄數(shù)

由于牙線體積小，所以用固定拍照式掃描儀進(jìn)行抄數(shù)就可以。先在牙線表面噴涂上顯像劑，目的是為了得到更清晰，精度更高的掃描數(shù)據(jù)，掃描細(xì)節(jié)越細(xì)致，數(shù)據(jù)量也越大。等顯像劑干燥后就可以開始掃描，拍照式掃描儀的數(shù)據(jù)是一幅幅的掃描數(shù)據(jù)拼接注冊融合而成的，由于牙線體積小，特征簡單，放在轉(zhuǎn)盤上，掃一幅即可，厚度用卡尺量出來。對于體積大，特征多物體的掃描，還需要在其表面上粘貼一些標(biāo)志點(diǎn)，在承載物體的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤上，有時(shí)也需要貼上標(biāo)記點(diǎn)，通過這些粘貼的標(biāo)志點(diǎn)完成自動(dòng)拼接過程，直到整個(gè)的表面數(shù)據(jù)掃描完成，獲得完整的三維數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件格式很多，選擇用“obj”格式保存，如圖1所示。

圖1 牙線的拍照式掃描

3 數(shù)據(jù)處理

（1）在Geomagic studio軟件中導(dǎo)入掃描獲取的牙線的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)處理過程如下：導(dǎo)入“obj”格式的數(shù)據(jù)模型，首先，通過噪聲點(diǎn)的剔除和失真點(diǎn)的查找，如圖2a所示。其次通過數(shù)據(jù)的精簡，以提供完整的牙線零件表面三維信息，如圖2b所示。最后產(chǎn)品的封裝，如圖2c所示。

將數(shù)據(jù)保存為*.STL格式的三角形網(wǎng)格文件導(dǎo)出保存。

4 逆向設(shè)計(jì)

圖2 牙線掃描的處理

圖3 牙線的構(gòu)造過程

牙線采用UG10.0軟件進(jìn)行逆向建模，如圖3所示。在獲取處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，根據(jù)牙線的結(jié)構(gòu)特征，首先擺正坐標(biāo)系，構(gòu)造塑件外表面，如圖3a所示，創(chuàng)建草圖，使用直線，圓弧，圓角命令，繪出牙線的輪廓線，如圖3a所示。通過拉伸命令構(gòu)建出實(shí)體，如圖3b所示。完成模型數(shù)據(jù)從“stl”到“stp”的轉(zhuǎn)換，如圖3c所示。

5 正向設(shè)計(jì)牙線盒

目前市場上的牙線盒大都具有取拿不方便，易造成交叉感染，功能過于簡單的缺點(diǎn)，在餐飲行業(yè)很少看得到牙線的身影，不利于牙線這樣一個(gè)護(hù)理牙齒的優(yōu)秀產(chǎn)品的推廣，設(shè)計(jì)出一款創(chuàng)新的產(chǎn)品，從而解決生活中的痛點(diǎn)，讓優(yōu)秀的產(chǎn)品服務(wù)于大眾，是每個(gè)設(shè)計(jì)從業(yè)人員的使命，好的牙線盒產(chǎn)品更是在當(dāng)下新冠疫情的氛圍下具有特殊的意義。這是一種由功能驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品概念方案進(jìn)化設(shè)計(jì)方法，由功能驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品概念方案進(jìn)化設(shè)計(jì)框架，著重在功能驅(qū)動(dòng)、問題定義、方案求解、進(jìn)化模式等方面尋求突破，以及基于創(chuàng)新迭代的進(jìn)化設(shè)計(jì)求解等關(guān)鍵方法。在方案進(jìn)化求解中，運(yùn)用創(chuàng)新方法迭代形成設(shè)計(jì)方案，以適應(yīng)當(dāng)今生產(chǎn)技術(shù)蓬勃發(fā)展的現(xiàn)狀。筆者在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)產(chǎn)品的特性，在每一階段給出對應(yīng)的方法或工具，提高了最終概念方案的科學(xué)性，驗(yàn)證進(jìn)化設(shè)計(jì)在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)中的可行性，同時(shí)為設(shè)計(jì)者提供了設(shè)計(jì)思路，有助于提高設(shè)計(jì)效率，對企業(yè)實(shí)施產(chǎn)品定制具有參考價(jià)值。

在牙線前期設(shè)計(jì)階段，即概念階段，研究有效消除設(shè)計(jì)認(rèn)知差異性和提高方案創(chuàng)新性的產(chǎn)品進(jìn)化設(shè)計(jì)方法，推動(dòng)產(chǎn)品從功能模塊結(jié)構(gòu)到整體型結(jié)構(gòu)的進(jìn)化演變，達(dá)到提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率和創(chuàng)新性，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)市場，最終提高企業(yè)利潤的目的。

（1）逆向設(shè)計(jì)出牙線的實(shí)體模型后，如圖4所示，牙線盒的正向設(shè)計(jì)就有了依據(jù)。同樣是在UG10.0軟件里繼續(xù)建模，不過下面的過程是正向的。此牙線盒的設(shè)計(jì)靈感源于牙線盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)（見圖5）。為了便于觀察，先把牙線的顏色修改成銀白色，牙線擺放位置如圖6所示。

（2）設(shè)計(jì)之初由于考慮到牙線盒的密封性，因此設(shè)計(jì)這種按鍵式的原因是操作簡易，如圖7a所示，簡單的按鈕加上卡后，操作非常方便。設(shè)計(jì)彈簧的作用是利用彈簧的彈性，如圖7b所示，當(dāng)按鈕的使用后可自動(dòng)彈起，按鈕頂端的突出結(jié)構(gòu)是卡口，方便在密封牙線盒內(nèi)牙線的彈出，再通過彈簧的自動(dòng)彈起。

圖4 牙線結(jié)構(gòu)

圖5 牙線盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖6 牙線的擺放位置

圖7 彈簧按鈕結(jié)構(gòu)

（3）如圖8所示，將擠壓板設(shè)計(jì)成與牙線相似的結(jié)構(gòu)，避免與牙線的接觸后滑開。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的方式，聯(lián)想到彈簧結(jié)構(gòu)，通過彈簧的彈性力和一端與擠壓板的連接，如圖9所示，能夠?qū)D9中整體擺列的牙線依次自動(dòng)的進(jìn)入到彈簧按鈕，當(dāng)一個(gè)牙線的彈起，在長彈簧的作用下，另一個(gè)牙線進(jìn)入到彈簧按鈕內(nèi)部。根據(jù)長彈簧的彈力還有固定牙線的作用。通過市場上普遍存在的長彈簧結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出這樣擠壓板方便與彈簧的連接。

圖8 擠壓板結(jié)構(gòu)

圖9 長彈簧與擠壓板的連接方式

（4）由于設(shè)計(jì)的時(shí)候長彈簧的一端與擠壓板可拆卸連接，因此，在牙線盒的內(nèi)部設(shè)計(jì)一個(gè)固定的連接板（見圖10），根據(jù)長彈簧的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)如圖10所示的固定板來固定長彈簧。

圖10 長彈簧與固定板的連接方式

（5）由于對牙線的逆向設(shè)計(jì)，牙線的基本數(shù)據(jù)都已清楚，如圖11所示，將牙線的出口設(shè)計(jì)在彈簧按鈕的旁邊，使得牙線盒結(jié)構(gòu)的簡易，生產(chǎn)成本降低，且牙線能夠彈出。

圖11 牙線出口形狀

6 牙線盒的整體使用

一種自動(dòng)彈壓牙線盒的使用方法，步驟如下：

第一步：當(dāng)裝牙線時(shí)，打開牙線開關(guān)蓋，通過彈簧與擠壓板活動(dòng)連接口,分開擠壓板和長彈簧，抽出擠壓板。

第二步：整齊的放入牙線，再次通過彈簧與擠壓板活動(dòng)連接口連接擠壓板與彈簧，使其擠壓牙線，整齊排列，不易產(chǎn)生錯(cuò)亂，通過密封條圍繞在牙線開關(guān)蓋內(nèi)表面來確保關(guān)上牙線開關(guān)蓋，保證牙線開關(guān)蓋不易掉落，并且密封性好。

第三步：按壓牙線彈起按鈕，根據(jù)牙線的結(jié)構(gòu)，外力作用在牙線尾部的落下，牙線的頭部彈起。手不接觸到牙線的線以及尾部，從而確保牙線的衛(wèi)生清潔。

第四步：取出牙線，當(dāng)牙線彈起按鈕自動(dòng)復(fù)位，由于通過擠壓板和彈簧使牙線卡入到牙線彈起按鈕中。

通過凹槽的形狀使得牙線使用結(jié)束后，方便擠壓板與彈簧的分開和連接來保證下一次的使用。