基于逆向构件成型的小焊接集成装置设计

文/刘秀林　赵广才　姜淑凤　胡梦　范宇航

在“大众创业,万众创新”的大背景下,随着国民文化水平的提高,创新这个词汇经常出现在国民的生产生活中，科技创新作为我国创新事业的重要一项，不再是少数人的专业，而是多数人的机会。烙铁作为发明制作的重要工具之一，在电子器件制作、机械设备维修等领域有着广泛的应用。然而对于平民百姓来说，同专业人士相比，他们的使用条件相对简陋，使用目的更加单一，他们没有专业人士那样专业的实验室或操作台，也没有专业人士那样的资金去购买专业的设备，他们需要一种价格低廉、功能丰富、节省空间、使用方便、安全性高、并且能够随用随收不需要等待冷却的焊接装备。

然而，对于电烙铁的结构改进，要么集中于提高其能源利用效率，要么致力于增强其电子控制性能，并没有针对于焊接设备的整体应用性改进。本文提出一个新的思路，以逆向工程的方法设计一种满足现代家用需求的新型焊接设备。

逆向工程又称为反向工程，是一种对产品设计过程的整体概念描述。逆向工程是对正常设计过程进行完全颠覆，将正常产品设计程序倒置，进行反向技术研究，缩短研发周期，节省设计成本，依靠3D打印技术，样件易得，在生产制造业领域有广泛应用。

本文利用逆向建模设计样件和整装过程，解决了上述困扰，提供一种带源烙铁集成装置整体设计。该装置将烙铁架、被焊接件支架、照明装置、隔热散热装置、USB充电装置、低压直流电压表、过热保护装置集中于一体的小焊接设备。

1　主体设计

普通烙铁功能单一，没有开关控制，没有过热保护，安全问题无法保证；焊接工具十分零散，整理十分不方便，有些使用者除了烙铁和焊锡，甚至没有任何工具来辅助焊接，同时使用后因为烙铁余热，可能对人员造成伤害，也存在火灾隐患。为此本文设计了该装置将烙铁架、被焊接件支架、LED灯、过热保护装置、USB充电装置、电压表等集成于（25×18×5.5）mm的盒中，部件按功能分区：

（1）烙铁架、被焊接件支架铰接于装置内，烙铁架自由起落，支架用途多样，用于固定烙铁，稳固装置。

（2）设节能LED灯光线不足时可以为焊接提供光源，也可作为普通台灯供其他用途使用。

（3）采用隔热材料及散热孔，热源传感器，隔热散热装置提供了过热保护，避免因为遗忘使烙铁工作时间过长持续通电造成隐患。烙铁用后回归温度过高，会产生提示，避免安全隐患。

（4）装置内设置锂离子电池，连接升压电路，可使该装置不进行作业时作为移动电源使用，实现了一物多用的创新。

（5）设置了外接电源连线，可充电也可有源使用。

装置的整体结构如图1所示，如此安排内部结构使多个器件集合装置内，利于集中管理，防止丢失，携带方便。

2　技术路线研究分析

2.1　样件的三维建模基础分析

通过三维扫描仪，采集到样件的三维点云数据。基于点云的预处理方法，合理地对获得的点云数据进行预处理。在研究Bezier曲面建模理论和NURBS曲面建模理论的基础上，提出适合的曲面建模方法并进行优化，完成样件的三维建模。

应用InspireS250-3D工业级打印机，根据上述理论选取合适的打印方位、分层厚度和STL精度等，实现模型的快速制造.同时软件提供相关的加工情况报告，检测加工过程中可能出现的碰撞和干涉等问题.

2.2　样件建模的过程

2.2.1点云数据获取与处理

本研究通过分析需要样件特型，在现实工具中选取样件，通过三坐标测量机等设备获取零部件的三维坐标值，即扫描获得点云数据，根据点云数据利用 CAD 软件将其拟合成曲线，三维数据信息的提取是本研究采样的逆向工程中的重要内容，采样后按照设计需要尺寸和样型处理数据，获得点云数据模型。

图3：三维样件模拟图形

图4：使用过程分解图示

2.2.2依据提取的特征数据集设计参数

附以创新设计思想进行特征重构和运算，零件建模前，需对点云数据进行预处理，此环节对建模质量有直接的影响，建模后进行仿真模拟再设计。获得样件建模图形。

2.2.3加工制造

建模完成后，在选择的 CAM 软件中，根据曲面的形状选择加工方式、确定刀具型号，选择所需的加工工艺参数，实施切削加工，并对加工路线进行优化分析和改进。

2.2.4测量检验

零件的数字化处理及三维建模均具有较高的精确度，但由于加工系统的误差，如机床和刀具的误差等，加工出的零件会存在一定的误差，即逆向产品的加工生产误差.其测量检验方法是将产品的数据文件导入 UG 软件中，将其与 UG生成的数据（如零件的曲线）作比对，进行误差的定性和定量分析，从而实现产品的量化检验，三维重建后样品模型与制造实物模型如图2，图3所示。

通过实验测试、理论分析和计算机仿真等手段，采用逆向工程三维重建以数字样品为核心的三维CAD建模方法进行研究，并应用到实际物品设计制造中，然后将参数、图形分别进行比较，再通过3D打印技术与机加切削制造的模型和产品，质量和效果优势明显，如图4所示。

3　结论

本文为解决电烙铁不便于无基础人员日常应用等问题，通过逆向建模设计样件和整装过程等方法，研究并设计了一种新的焊接设备，得出以下结论：

（1）运用整体建模的思路，将烙铁架、被焊接件支架、LED灯、过热保护装置、USB充电装置、电压表等集成于（25×18×5.5）mm的盒中，使多个器件集合装置内，利于集中管理，防止丢失，携带方便。

（2）通过三维建模等方法，获取各个零部件的三维坐标值，并利用 CAD 软件将其拟合成曲线。根据曲面的形状选择合适的加工方式以及加工工艺参数，可实施切削加工与3D打印技术共用。

（3）通过实验测试和计算机仿真等手段，对以数字样品为核心的三维CAD建模方法进行研究，通过3D打印技术制造的模型和产品。研究表明新的焊接设备具有便于器件集中管理，不易丢失，安全性高，携带方便等优点，有广泛的应用价值。