三维数字化技术在工业产品中的应用

刘晋斌

摘要：工业4.0是科技进步的一场革命，纵观全球，三维数字化技术已经成为各大企业提升创新能力、优化研制流程、提升研发效能的有效途径。三维数字化技术针对的大多是应用软件，三维数字化软件基于大数据数据模型计算分析，可以进行三维建模，完成原物体的三维模型。三维建模中三维逆向建模是还原原物体形状的一种建模方式，以点云为基础，对片面进行划分合理的领域的过程，此技术能够大大增加产品建模的精度，应用于工业产品设计、模具造型设计、医疗器械等精密度要求较高的领域中，并结合先进制造技术可以加工出形状各异的高精度产品。本课题以面盆龙头为例，研究三维数字化技术在工业产品中的应用。

关键词：三维数字化;逆向建模;工业产品;创新设计;制造

1 概述

随着社会发展的不断更新换代，传统的技术已经无法满足产品外型及产品精度的要求。三维数字化建模技术是由计算机进行搭建三维建模的新方式，大幅提高了传统的建模技术。而三维逆向建模则是在计算机分析仿真的基础上对产品进行建模，并模拟出精度误差分析的过程，大大提高了产品的质量，从而在现代社会中被广泛的使用。

在工业产品中，面盆龙头是安装在面盆上用于日常洗漱的产品，功能是通过混水阀调节自来水的大小与冷热，达到用户的使用标准。现有一款面盆台面单把手双孔面盆龙头组件实物（图1），把手部分和相关产品技术资料缺失，现计划重新生产该款龙头，需要对阀体组件重新建模。根据阀体模型设计制造把手样件与面盆龙头体进行试配验证，并投入到消费市场。产品设计制造存在的难点：（1）面盆龙头曲面多，面片难以拟合。（2）设计龙头主件难以模拟仿真。（3）加工时表面粗糙度难以控制。（4）创新设计的把手要符合装配要求。以三维数字化技术为基础来解决此问题，做出产品，满足要求。

2 面盆龙头产品设计与工业产品创新设计过程

2.1面盆龙头的点云采集

点云是逆向建模的基础数据，有了点云素材才能根据点云素材进行建模。点云的采集通过扫描仪进行，我们选用的扫描仪器是北京三维天下WIN3DD三维扫描仪（图2），该扫描仪配置三维数字化相机与光栅，扫描的方式以拍照式自动拼接成型[1]。扫描的空间误差小、精度高。此扫描仪能够满足产品点云的数据采集。

要采集准确的点云数据，首先调整好扫描仪的摆放角度，如果角度调整不好，很容易出现点云不全的现象，导致后续无法进行。之后再调整相机的参数，参数按照说明书中介绍的设置。再进行标定，标定是不可缺少的重要部分，就像是画图的基准面一样，标定的质量直接影响建模的精度。扫描过程中，扫描的模式分为拼合扫描、非拼合扫描、框架点扫描，扫描时应选择合理的扫描方式进行扫描。因面盆龙头表面金属反光并表面有些薄面，扫描仪无法准确地采集到点云素材，所以选择拼合扫描，这样才能迅速捕捉到物体的形状，采集点云。最后通过扫描仪得到的点云素材格式为（.asc），导人GeomagicWrap软件中。

G eomagicWrap软件的特点是能支持多种的扫描设备，基于点云数据进行编辑并快速创建精准的多边形模型[2]的软件。由于面盆龙头的外型曲面较多，处理点云的时候先清除无关的杂点，保证面盆龙头的外型点云。再进行点云的平滑，使面盆龙头的点云外型变得更加光滑，之后去躁点，把点精简，保证在250000个点左右，简化后的2D效果图如图3。接下来就要进行三角网格片面的修补，把破掉的地方补起来，使物体完整，之后进行点面片优化，保存完整的点云（图4）。此时的点云数据与用三坐标测量仪测量的原始面盆龙头得出的数据进行对比，对比误差见表1（单位毫米），误差仅为0.04毫米。

2.2 面盆龙头的三维逆向建模

通过以上处理的点云素材是已经达到建模的标准了。点云素材导入到G eomagicDesignX软件中进行逆向建模。建模思路：导入点云，划分领域组，根据模型情况调整敏感度，通过识别原始扫描数据的3D特征，进行自动分割。如果自动分割领域组后的数据分区，不能满足后期建模的要求，需要对分区后的数据进行重新分割，分割后重新组建合理的领域组[3，4]。在建模的过程中没有坐标系是万万不行的，坐标系选择以大面为基准，手动对齐坐标系，建立主视图，根据顺序安排其它的视图，确定X轴、Y轴、Z轴的方向。构造曲面，面盆龙头被分割为5个领域组，所以要建立3大部分（图1）。第一部分是面盆龙头的两肩大面，可用平面草图，设置基准平面，单击“曲面放样”放样出两肩的大面，之后对底面进行一段拉升，直至延长后的曲面能完全覆盖面盆龙头两肩的原始数据。利用同样的方法把另外一面也做出来。第二部分是面盆龙头的出水龙头，利用草图绘制，绘制出出水龙头的视图，然后进行放样其表面，对有形状的边进行倒圆角，圆角的半径应该与点云的点相近。最后拉升一段出水口的形状，出水龙头就建好了。第三部分是面盆龙头的连接柱，利用草绘命令，绘出连接柱，再进行旋转，作出连接柱。相关地方要进行倒角处理，达到精度要求。连接柱要和把手部分配合，这的尺寸要记好，在创新设计部分可以有据可依。最后利用布尔运算把三大部分拼接好，把多余的片面减掉，拼合成面盆龙头的模型。完成后的三维数字化模型与点云进行对比的数据分析（图5、表2）如下：

通过面盆龙头检测色彩对比图偏差分布报告得出，由三维逆向建模的模型很好地贴合在点云上，精度大约在0.04MM，保证了产品的质量。

2.3面盆龙头把手的三维数字化创新设计与说明

面盆龙头的模型建立好以后，面盆龙头把手采用UC软件进行创新设计。UG软件设计功能强大，对于后续的加工部分也有很大的帮助。设计思路通过以上的步骤，得到面盆龙头的模型，导入到UG软件中，对其要配合的地方进行测量，并记入需要配合的相关尺寸，然后新建草图进行设计。画出草图后拉伸出手柄大致样貌，通过之前记入的相关尺寸，得到面盆龙头的活动杆的实体尺寸，在手柄底部平面绘制相应草图，并再以方形四角为圆點做直径，得到图案后向外偏置得到一个封闭式的草图，经过拉伸与布尔求差得到与活动杆相配合的花孔，然后进行整体的倒角，设计出面盆龙头把手。最后把面盆龙头把手与面盆龙头装配到一起，进行渲染查看效果。

创新设计的面盆龙头手柄和面盆龙头典雅大气（图6），在实用性上符合面盆龙头的一切功能，手柄从底部的孔装配面盆龙头的活动杆，能够实现通过上下活动灵活调节水流大小，通过左右活动能控制温水冷水的排出，使用方便快捷，达到了设计要求。创新设计后的水龙头手柄，底部采用方形结构，四周的人性化倒角设计，把手则采用简单大气的v型平面，以圆弧作为前端，避免了用户无意中的划伤，整体上看简约大气，富有现代气息[5，6]，后续的加工中也更容易。连接部分是最重要的地方，通过四孔设计解决了活动杆的四角因配合出现的装配过渡或者局部间隙等问题，使其与活动杆的装配更紧固，更可靠，制造材料可使用不锈钢材质。不锈钢材料的特点：抗冲击、抗腐蚀、不具有危害物质，使用时间长，调节温度方便快捷，经济实用。

2.4 面盆龙头把手的制造过程

产品制造主要有三种方式：一种是去除材料的方式制造，如数控机床切削金属制造零件的方式。一种是增材制造方式，如3D打印机的叠加式制造。一种是焊接制造。面盆龙头把手的制造过程选取去除材料的方式进行制造。采用数控机床VCD-850型号FANUC系统的加工中心，此型号的机床刚性好，系统稳定，使用性能强。软件应用三维建模软件UC的编程模块及对应的后处理[7]，采用7075毛胚铝件进行加工。

指定好毛胚的机床坐标系，确认加工时的装夹位置，设定好安全距离。之后确定工件几何体，指定部件与毛胚，进行编程。第一步：先对部件下端的特征进行编程，这样能够保证把手调头装夹的稳定性。采用定心钻对毛胚表面的四个深孔进行定心并编写钻孔程序。完成四孔的钻孔编程后进行毛胚的第一次粗加工。使用型腔铣指令，调用立铣刀开粗，设置每刀切削深度及加工的参数，确认并生成加工刀路，完成后进行对花孔部分的加工，使用型腔铣指令，调用立铣刀开粗，设置加工的参数，确认并生成加工刀路。完成之后，进行毛胚的第一次精加工，使用深度轮廓铣指令，调用球刀精加工，指定倒角部分的切削区域，设置加工倒角参数仅为陡峭，设置圆弧刀具半径，确认并生成加工刀路进行加工。第二步：完成后工件调头，虎钳夹住底部方形部分，开始对剩余的毛胚部分进行加工编程，指定工件几何体，指定部件与毛胚。对剩余部分调用型腔铣指令，调用立铣刀进行开粗，设置底部余量，以螺旋的方式进刀，设置顺铣深度的切削参数，确认并生成加工刀路，完成后进行毛胚的第二次精加工，使用深度轮廓铣指令，指定倒角部分与整个平面部分的切削区域，设置每刀切削深度恒定，生成加工刀路。完成所有的程序编写后，选择每条程序依次通过UG软件的后处理器，调取FAUNC的后处理程序，输出NC拓展名文件，则所有程序后处理完成[8]。通过编程软件，可将处理过的程序传输到机床里运行加工。

加工时刀具要进行对刀，开始程序输入，将后处理程序导人数控编程软件。输入程序时要把倍率调低，单步运行。点击启动键，软件即可输入程序，在运行程序的过程中，要观察机床是否会撞刀，运行正常后则打开切削液，开始加工。每个子程序重复以上的步骤，直至正反面所有加工的结束，并用气枪清理后取出。最后将加工好的面盆龙头把手与面盆龙头相配合（图7），能够很好地达到产品的外观效果和功能。

3 总结

在这个瞬息万变的时代，主要的工业国家都制定了科学的发展战略，将工业迅速推进到数字化时代。三维数字化技术对工业产品创新设计的影响也是很大的，从上文可以得出：

（1）通过高端的扫描设备、先进的建模技术，能够实现精准的原物还原。

（2）创新设计是通过三维软件设计出来，而不是传统的手工绘制。新方式的设计过程直观、鲜明，装配方式一目了然，解决了产品的精度、配合、外型渲染等前期工作，减少了产品研发的周期。

（3）传统的钳工加工工艺已被先进的数控机床取代，大大地提高了企业开发产品的效率与质量。

参考文献：

[1]刘玲玲，王雪梦.基于RapidForm逆向工程软件的汽车外拉手产品设计和数控加工[J]汽车零部件，2018

[2]吕翼峰.FSAE项目驾控布局及踏板装置逆向工程研究[D]扬州大学硕士论文，2018.

[3]杨晓雪，闫学文.GeomagicDesignX三维建模案例教程[M]机械工业出版社，2016

[4]张德海.三维数字化建模与逆向工程[M]北京大学出版社，2016

[5]杨梅.工业产品造型设计[M]化学工业出版社，2014

[6]江帆，陈江栋，戴杰涛.创新方法与创新设计[M]机械工业出版社，2019

[7]高雨辰，汪海溟.UG NXlO.O三維数字化辅助产品设计[M].清华大学出版社，2018

[8]于济群.先进制造技术与机械制造工艺分析[J]南方农机，2019