以逆向工程技术为基础的工业设计及应用*

刘兴亮，胡彦萍，王建儒，刘传成

(兰州石化职业技术大学 机械工程学院，甘肃 兰州 730060)

0 引 言

目前，逆向工程技术在整个工业领域有很大的应用价值，它能够帮助工业设计人员快速满足用户的需求，工业产品也因为逆向工程技术变得更加集成化、小型化和数字化。逆向工程技术结合自动化和信息化技术，为我国工业制造领域带来了全新的发展机遇，不但促进了机械制造业的发展，而且使得机械产品的制造变得更加智能，今后也必将更好地为工业产品设计服务[1]。笔者以2022年甘肃省职业院校技能大赛工业设计技术赛卷为例，介绍了以逆向工程技术为基础的工业产品设计的整个过程。大赛让学生体验了数字化、智能化的产品开发和创新设计的真实工作过程[2]，为师生创建了创新设计的思想交流与分享的平台，有利于实现企业产品研发理念与理论教学的有效对接，也为企业提供了一种创新设计的方法与思路。

“工业设计技术”赛项过程为：学生利用三维扫描仪获得给定产品外形数据的点云后，对点云数据进行三维逆向建模和产品创新再设计，生成产品装配图及零件图，采用CNC机床和3D打印设备将“创新产品”零部件加工出来，再进行“创新产品”装配验证，实现从“实样”到“创新产品”的研发和制造过程。这项比赛可以全面考核高职学生三维数据采集、逆向建模、创新设计、CNC 编程与加工、3D 打印、装配验证等前沿的知识、技术技能以及职业素养能力，全面检验学生工业设计的创新能力和工程实践能力。

1 设计研究任务

2022年甘肃省职业院校技能大赛高职组工业设计技术的赛题是大容量电动毛球修剪器的创新设计与试制，本赛项实施过程力求与全国职业院校技能大赛紧密对接，赛项规程严格按照2021年国赛规程设置。整个比赛分三个阶段共6个任务，分别是数据采集、逆向建模、创新设计、CNC编程与加工、3D打印与装配验证。要求参赛选手根据给定的毛球修剪器主体，如图1所示，完成研究任务。

图1 修剪器主体

利用三维扫描仪得到修剪器的点云数据后，借助逆向建模软件得到修剪器的数字模型，然后根据数字模型，创新设计出毛球修剪器的储絮仓和放置毛球修剪器的墙面挂架。储絮仓要求用3D打印机打印出来，挂架要求用数控机床加工出来，最后完成整体的装配验证。

2 设计研究过程

2.1 三维数据采集(任务1)

选手根据赛场提供的三维扫描仪对给定的毛球修剪器主体部分进行扫描，为了方便获取外形点云数据，需要对修剪器表面喷显像剂，扫描完成后进行去噪处理，然后进行封装操作，将点云数据变成三角面片数据，最后用wrap软件进行简单的数据处理就可以了，图2所示为最终的stl文件图。

图2 修剪器数据处理后的面片 图3 逆向建模后的修剪器实体模型

2.2 逆向建模(任务2)

选手利用完成的修剪器面片，采用Geomagic Design X软件对修剪器进行逆向建模。首先将stl文件导入DX软件中进行坐标对齐，然后借助放样、修剪等命令得到修剪器的实体模型，如图3所示，建模完成后需要检测逆向结果与面片数据的误差，图4是逆向建模后的精度分析图，绿色代表精度在允许的公差范围内，图5是斑马纹分析图，纹路看起来平滑连续就表示曲率连续。最后利用Geomagic Control X 软件将逆向出来的实体模型与导入的stl文件进行数字模型精度对比(包含3D比较、 2D比较、创建2D尺寸等)，输出pdf分析报告。这项任务主要是考核学生数模合理还原的能力。

图4 精度分析图 图5 斑马纹分析图

2.3 创新设计(任务3)

按照竞赛要求，需要设计两个产品：储絮仓和挂架。储絮仓要求大容量，应能与修剪器主体完美贴合，方便安装和拆卸，且安装后不易从主体上自动脱落，选手设计时需要考虑打印工艺，支撑及后处理；挂架需要通过现场给定的螺钉固定在墙面上，毛球修剪器放置在挂架上定位要恰当，放置稳固可靠，挂架设计时需要考虑数控加工工艺，且有轻量化要求。选手可以自己选择软件进行创新设计，并输出装配图与零件图。

2.4 CNC编程与加工(任务4)

根据创新设计的墙面挂架，确定加工工艺过程，编制加工工艺卡，然后利用自动编程软件编制数控加工程序，最后使用提供的机床和编制的数控程序完成挂架样件的数控加工。这项任务主要是考核学生数控加工工艺应用、CNC编程与加工的能力。选手可以自己选择编程软件，文中采用CAXA制造工程师对挂架进行自动编程，并输出CNC程序，然后利用西门子数控铣床完成样件数控加工。图6是经数控铣床加工完成的挂架样件。

图6 挂架数控加工完成图 图7 储絮盒打印完成图

2.5 3D打印样件(任务5)

将储絮仓stl文件导入切片软件UP Studio中，完成精度、速度等打印参数设置后进行3D打印，然后进行去支撑、表面修整等后处理，保证零件质量达到要求。文中采用基于FDM原理的UP BOX+打印机完成储絮仓的3D打印，图7是去除支撑后的储絮仓。

2.6 样件安装及装配验证(任务6)

将数控加工得到的挂架样件和3D打印的储絮仓样件，与给定的修剪器主体装配为一个整体机构，开机验证创新设计的效果，要求储絮仓安装牢固，且修剪器放置稳固，不滑落。图8是最终装配验证效果图。这项任务主要是考核学生零件组装和机构装配验证方面的能力。

图8 装配验证效果图

3 设计创新总结

“工业设计技术”竞赛以《中国制造2025》提出的“创新驱动、质量为先”理念为指导方针，突出工业产品设计、数控加工、增材制造等岗位的技术技能需求，实践性和综合性强，试题本身就是典型的工作任务。文中以2022年甘肃省职业院校技能大赛高职组“工业设计技术”赛项为例，介绍了工业产品设计与制造的全过程。此赛项以工业产品在实际使用过程中遇到的问题作为案例，利用三维数字化设计与制造技术，针对复杂曲面的工业产品及零部件[3]，进行数字化建模、创新设计和制造，这种“以赛促教”的人才培养模式，对教师和学生的科研水平、创新精神与实践能力都有很大的提升，同时能很大程度上促进学生个人素质的全面发展，通过竞赛也给了企业挑选人才的新平台，从而进一步提高了学生的就业质量。

4 结 语

“工业设计技术”竞赛将逆向建模、创新设计和现代数控加工与增材制造相融合，实现复杂曲面的工业产品的建模、创新与制造，不但可以培养学生工业设计技术实践能力和创新精神，还可以提升学生职业素养和就业能力，同时促进“双师型”师资队伍建设，推动工业设计、数字化设计与制造等专业人才培养模式与课程体系改革，提高专业建设水平，提升学生从事工业设计相关岗位的适岗性，也有利于选拔出具有大国工匠素质的技术技能人才。