基于逆向工程的吸塵器接頭創新設計

（河南工學院機械工程學院，河南 新鄉 453003）

隨著科技日新月異的發展，產品創新是企業競爭力的關鍵，而高效率的創新設計則更為重要。逆向工程是實現產品快速創新的一個重要途徑，基于逆向設計的產品創新方法，通過三維掃描系統對實物模型進行掃描，將掃描后的點云數據處理，然后基于點云數據進行三維模型重建并在此基礎上對原有實物進行創新設計，最后3D 打印出實物模型[1-3]。這種產品創新設計方法在原有實物模型的基礎上，吸收了原模型的先進技術并對其進行再創新，不僅達到了產品創新的目的，而且提高了產品的設計和生產效率[4]。

1 點云數據采集技術

1.1 掃描系統標定

圖1 三維掃描儀

該掃描系統由高精密工業級立體視覺傳感器、激光發生器、三維數據處理系統軟件、標定系統、筆記本電腦等組成，三維掃描儀如圖1 所示。掃描距離為300mm，幀掃描區域為280mm×250mm，掃描速率為40 000 次/s，掃描分辨率為0.1mm，測量精度為0.03 mm 。

在三維掃描儀首次使用之前，一般都需要標定。首先擺放好標定板，第一次標定需要將標定板的大點朝上，啟動Free Scan x3 掃描軟件和硬件系統，點擊工具欄中的標定，彈出標定界面進行標定。系統需要采集18 個位置[5]。通過調整掃描系統激光發生器的高度和位置，使標定界面中指示器的滑塊在有效范圍內，從而實現標定過程，如圖2所示。

圖2 三維掃描儀標定界面

1.2 掃描前模型處理

為了將工件掃描完整，需要對工件進行多角度掃描。掃描時，采用在工件上粘貼標志點的方法實現對點云數據的自動拼接[6]。標志點應盡量避免粘貼在離工件邊界較近的地方，盡量避免出現標志點對稱粘貼或在一條直線上的情況，標志點應使相機在盡可能多的角度可以同時看到[7]。

根據該吸塵器接頭的大小、形狀特征及復雜程度確定該工件的掃描次序及掃描策略，且需保證本次掃描與之前掃描數據至少有三個公共標志點。由于該工件屬于扁平狀物體，將模型較寬兩面貼點，工件表面標志點粘貼如圖3 所示。由于兩側面較窄難以粘貼標志點，對模型較窄部分進行掃描時，需利用黑色墊塊固定該工件并在墊塊上粘貼標志點，避免因公共點較少而影響掃描。同時為防止掃描過程中產生過多背景雜點，增加點云數據處理的工作量，在掃描工件之前，需放置物體于黑色墊布上。工件掃描位置如圖4 所示。

圖3 工件標志點粘貼圖

圖4 工件掃描位置圖

1.3 三維掃描形成點云數據

啟動掃描系統，轉動工件以及三維掃描儀，每當掃描完一個區域需要移動掃描儀的位置繼續掃描，直到將整個工件掃描完整，掃描完成后，按掃描鍵停止掃描。在掃描過程中，對點云數據進行預覽，若有部分掃描數據缺失，則啟動掃描儀繼續掃描，直至數據掃描完整。由于該模型屬于扁平狀物體，掃描設備不能一次性很好的采集到工件表面的完整數據，為了點云數據的準確性，需要從不同方向、不同位置對工件進行分區掃描，并在點云處理階段對各個局部數據進行拼接[8]，最終將各局部掃描數據保存為ASC 格式，如圖5 所示。

圖5 局部掃描數據

2 點云數據處理

利用Geomagic Studio 軟件，打開吸塵器接頭的點云數據。為了消除在數據采集過程中由于隨機或人為因素等原因引起的數據誤差，影響被測物體模型重構的精度，利用“非連接項”和“體外孤點”命令對點云數據進行處理；將多片點云數據進行手動對齊，并將多余點云數據刪除，最后點擊“聯合點對象”“封裝”，將點云數據轉為三角面片。

通過“網格醫生”對大部分自相交、釘狀物等錯誤網格進行修復。因掃描過程中誤差和前期點云數據的處理，三角面片難免會存在銳邊變鈍、平滑曲線變粗糙的現象，應用“松弛”命令對三角面片進行光順處理。同時由于工件表面粘貼的標志點，會在工件表面形成孔，利用“填充孔”工具欄對工件表面的孔進行填充，以還原實物原型的真實信息，最終將數據保存為STL 格式，以便后續對模型重構，如圖6 所示。

圖6 點云數據處理圖

3 三維模型重構

1）將處理過的點云數據，導入Geomagic Design X 進行模型重構[9]。

2）通過領域組將點云數據劃分成多個領域。分析該吸塵器接頭結構并找出其代表性的輪廓。通過面片草圖繪制出該工件的輪廓并利用拉伸、抽殼等命令，構建該吸塵器接頭的結構特征，最后通過求和、倒圓角得出完整的模型，如圖7 所示。

圖7 模型重構圖

4 吸塵器接頭創新設計

由于目前市場上吸塵器的作用只是能吸除輕浮在地面和墻面上的灰塵，對粘附在狹縫和孔洞內灰塵難以祛除，為了能剔除狹縫和孔洞內灰塵，需要借助刷子、吹氣等工具，這些清除方法會導致灰塵再次飄落到房間其他地方，形成二次污染。為了解決這個問題，本次創新對原有吸塵器的接頭進行了改進，保留原有接頭與吸塵器連接部分的形狀與尺寸，將吸塵器接頭吸塵部分改變為螺紋孔，使之可以安裝快換接頭。改進后吸塵器接頭裝置包括吸塵器接頭和安裝在吸塵器接頭上的快換接頭、軟管，吸塵器接頭左側與吸塵器連接，右側有螺紋孔和快換接頭通過螺紋連接，軟管與快換接頭連接。通過快速接頭連接軟管吸出灰塵，清潔、衛生、方便、環保，起到了吸除狹縫和孔洞中灰塵的目的，如圖8 所示。

圖8 吸塵器接頭創新設計

5 3D 打印與實際應用

將設計后吸塵器接頭的三維模型STL 格式導入切片軟片Dazzle 中，并設置模型的成型方向、打印參數并添加支撐等。系統內置三種打印精度，“普通打印”“高精度打印”和“超高精度打印”分別對應0.1mm、0.05mm、0.025mm三種打印層厚。厚度越小，打印模型越精細同時耗時也越長，在此選擇“高精度打印”層厚為0.05mm 即可，打印過程、最終打印實物模型分別如圖9、圖10 所示，實際應用效果如圖11 所示。

圖9 打印過程圖

圖10 3D 打印實物圖

圖11 實際應用效果圖

6 結語

本文介紹了一種基于逆向工程設計的產品創新設計方法，使用便攜式掃描儀對吸塵器接頭數據進行采集，并對點云數據預處理，以點云數據為基礎進行產品模型重構、產品創新以及3D 打印，同時在實際應用過程中取得了很好的效果。結果表明這種產品創新設計方法很好的吸收了原模型的先進設計理念，并在此基礎上進行了設計創新，縮短了產品開發周期，降低了產品開發成本。