以逆向工程技術為基礎的工業設計及應用*

劉興亮，胡彥萍，王建儒，劉傳成

(蘭州石化職業技術大學 機械工程學院，甘肅 蘭州 730060)

0 引 言

目前，逆向工程技術在整個工業領域有很大的應用價值，它能夠幫助工業設計人員快速滿足用戶的需求，工業產品也因為逆向工程技術變得更加集成化、小型化和數字化。逆向工程技術結合自動化和信息化技術，為我國工業制造領域帶來了全新的發展機遇，不但促進了機械制造業的發展，而且使得機械產品的制造變得更加智能，今后也必將更好地為工業產品設計服務[1]。筆者以2022年甘肅省職業院校技能大賽工業設計技術賽卷為例，介紹了以逆向工程技術為基礎的工業產品設計的整個過程。大賽讓學生體驗了數字化、智能化的產品開發和創新設計的真實工作過程[2]，為師生創建了創新設計的思想交流與分享的平臺，有利于實現企業產品研發理念與理論教學的有效對接，也為企業提供了一種創新設計的方法與思路。

“工業設計技術”賽項過程為：學生利用三維掃描儀獲得給定產品外形數據的點云后，對點云數據進行三維逆向建模和產品創新再設計，生成產品裝配圖及零件圖，采用CNC機床和3D打印設備將“創新產品”零部件加工出來，再進行“創新產品”裝配驗證，實現從“實樣”到“創新產品”的研發和制造過程。這項比賽可以全面考核高職學生三維數據采集、逆向建模、創新設計、CNC 編程與加工、3D 打印、裝配驗證等前沿的知識、技術技能以及職業素養能力，全面檢驗學生工業設計的創新能力和工程實踐能力。

1 設計研究任務

2022年甘肅省職業院校技能大賽高職組工業設計技術的賽題是大容量電動毛球修剪器的創新設計與試制，本賽項實施過程力求與全國職業院校技能大賽緊密對接，賽項規程嚴格按照2021年國賽規程設置。整個比賽分三個階段共6個任務，分別是數據采集、逆向建模、創新設計、CNC編程與加工、3D打印與裝配驗證。要求參賽選手根據給定的毛球修剪器主體，如圖1所示，完成研究任務。

圖1 修剪器主體

利用三維掃描儀得到修剪器的點云數據后，借助逆向建模軟件得到修剪器的數字模型，然后根據數字模型，創新設計出毛球修剪器的儲絮倉和放置毛球修剪器的墻面掛架。儲絮倉要求用3D打印機打印出來，掛架要求用數控機床加工出來，最后完成整體的裝配驗證。

2 設計研究過程

2.1 三維數據采集(任務1)

選手根據賽場提供的三維掃描儀對給定的毛球修剪器主體部分進行掃描，為了方便獲取外形點云數據，需要對修剪器表面噴顯像劑，掃描完成后進行去噪處理，然后進行封裝操作，將點云數據變成三角面片數據，最后用wrap軟件進行簡單的數據處理就可以了，圖2所示為最終的stl文件圖。

圖2 修剪器數據處理后的面片 圖3 逆向建模后的修剪器實體模型

2.2 逆向建模(任務2)

選手利用完成的修剪器面片，采用Geomagic Design X軟件對修剪器進行逆向建模。首先將stl文件導入DX軟件中進行坐標對齊，然后借助放樣、修剪等命令得到修剪器的實體模型，如圖3所示，建模完成后需要檢測逆向結果與面片數據的誤差，圖4是逆向建模后的精度分析圖，綠色代表精度在允許的公差范圍內，圖5是斑馬紋分析圖，紋路看起來平滑連續就表示曲率連續。最后利用Geomagic Control X 軟件將逆向出來的實體模型與導入的stl文件進行數字模型精度對比(包含3D比較、 2D比較、創建2D尺寸等)，輸出pdf分析報告。這項任務主要是考核學生數模合理還原的能力。

圖4 精度分析圖 圖5 斑馬紋分析圖

2.3 創新設計(任務3)

按照競賽要求，需要設計兩個產品：儲絮倉和掛架。儲絮倉要求大容量，應能與修剪器主體完美貼合，方便安裝和拆卸，且安裝后不易從主體上自動脫落，選手設計時需要考慮打印工藝，支撐及后處理；掛架需要通過現場給定的螺釘固定在墻面上，毛球修剪器放置在掛架上定位要恰當，放置穩固可靠，掛架設計時需要考慮數控加工工藝，且有輕量化要求。選手可以自己選擇軟件進行創新設計，并輸出裝配圖與零件圖。

2.4 CNC編程與加工(任務4)

根據創新設計的墻面掛架，確定加工工藝過程，編制加工工藝卡，然后利用自動編程軟件編制數控加工程序，最后使用提供的機床和編制的數控程序完成掛架樣件的數控加工。這項任務主要是考核學生數控加工工藝應用、CNC編程與加工的能力。選手可以自己選擇編程軟件，文中采用CAXA制造工程師對掛架進行自動編程，并輸出CNC程序，然后利用西門子數控銑床完成樣件數控加工。圖6是經數控銑床加工完成的掛架樣件。

圖6 掛架數控加工完成圖 圖7 儲絮盒打印完成圖

2.5 3D打印樣件(任務5)

將儲絮倉stl文件導入切片軟件UP Studio中，完成精度、速度等打印參數設置后進行3D打印，然后進行去支撐、表面修整等后處理，保證零件質量達到要求。文中采用基于FDM原理的UP BOX+打印機完成儲絮倉的3D打印，圖7是去除支撐后的儲絮倉。

2.6 樣件安裝及裝配驗證(任務6)

將數控加工得到的掛架樣件和3D打印的儲絮倉樣件，與給定的修剪器主體裝配為一個整體機構，開機驗證創新設計的效果，要求儲絮倉安裝牢固，且修剪器放置穩固，不滑落。圖8是最終裝配驗證效果圖。這項任務主要是考核學生零件組裝和機構裝配驗證方面的能力。

圖8 裝配驗證效果圖

3 設計創新總結

“工業設計技術”競賽以《中國制造2025》提出的“創新驅動、質量為先”理念為指導方針，突出工業產品設計、數控加工、增材制造等崗位的技術技能需求，實踐性和綜合性強，試題本身就是典型的工作任務。文中以2022年甘肅省職業院校技能大賽高職組“工業設計技術”賽項為例，介紹了工業產品設計與制造的全過程。此賽項以工業產品在實際使用過程中遇到的問題作為案例，利用三維數字化設計與制造技術，針對復雜曲面的工業產品及零部件[3]，進行數字化建模、創新設計和制造，這種“以賽促教”的人才培養模式，對教師和學生的科研水平、創新精神與實踐能力都有很大的提升，同時能很大程度上促進學生個人素質的全面發展，通過競賽也給了企業挑選人才的新平臺，從而進一步提高了學生的就業質量。

4 結 語

“工業設計技術”競賽將逆向建模、創新設計和現代數控加工與增材制造相融合，實現復雜曲面的工業產品的建模、創新與制造，不但可以培養學生工業設計技術實踐能力和創新精神，還可以提升學生職業素養和就業能力，同時促進“雙師型”師資隊伍建設，推動工業設計、數字化設計與制造等專業人才培養模式與課程體系改革，提高專業建設水平，提升學生從事工業設計相關崗位的適崗性，也有利于選拔出具有大國工匠素質的技術技能人才。