逆向工程技術打蛋器殼體結構優化設計

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【摘要】傳統的產品設計往往采用設計—驗證—改進等步驟，產品設計周期長成本高。文章使用手持式激光掃描儀獲取打蛋器殼體模型的點云數據，采用GeomagicWrap與GeomagicDesignX軟件進行點云處理與CAD模型生成，逆向出的產品在創新設計之后利用Solidworks2017對其進行靜力學分析優化產品結構。優化之后的結構不但滿足強度要求，質量也有較大幅度的減輕，優化效果明顯，縮短了設計周期，提高了產品設計的效率。

【關鍵詞】點云數據；逆向；靜力學分析 

1引言

傳統的產品設計是根據用戶的需求與產品的定位提出概念構思，借助手工或軟件建模，通過試制的產品進行試驗驗證，改進設計之后進行產品的加工生產。現今社會要求產品的更新周期越來越短，傳統設計理念已無法適應快節奏的產品更新和升級要求。逆向工程技術是相對傳統正向設計而言[1，2]，采用三維掃描技術將實體模型生成點云數據，再利用逆向設計軟件將點云進行處理，點云處理完成生成三角面片導入相應軟件生成三維模型，模型在進行創新設計后導入分析軟件，通過靜力學分析獲得零件適宜的模型數據。采用逆向工程技術進行產品創新設計可有效減少產品開發的周期與成本，在產品創新過程中采用Solidworks2017軟件對其進行拓撲優化，獲得最佳的結構與最少的材料。本文以某款打蛋器為例，通過工業產品數字化設計中的數據采集、點云處理、逆向建模、創新設計、受力分析與優化設計完成產品的創新設計，通過靜力學分析驗證模型的質量，最后再利用快速成型技術打印出成品觀察驗證。該產品設計過程可提高產品的質量和生產效率，同時降低生產成本[3]。

2打蛋器殼體的逆向建模

2.1Win3D三維掃描儀的點云數據采集

本次實驗使用海克斯康Tango-SPlus手持式激光掃描儀對打蛋器殼體進行點云數據采集。具體的掃描流程為：（1）掃描儀標定；（2）將掃描對象放置在貼好標志點的轉盤上，利用橡皮泥進行固定并掃描；（3）上表面掃描完成后再將工件翻面進行掃描。在本次實驗中，打蛋器的細節特征多，曲率變化小，整體呈白色，無需噴顯像劑；在打蛋器殼體上貼標志點時可以貼在平面或平緩過渡的曲面處，且不少于三個。

2.2GeomagicWrap點云處理

2.2.1點階段處理在采集點云時，由于掃描原理、環境因素或者工作人員經驗等原因，會使點云數據包含大量雜點。點云處理流程為全局注冊、點云著色、聯合點對象、刪除標志點、刪除非連接項、刪除體外孤點、減少噪音、曲率采樣與封裝。

2.2.2多邊形階段處理封裝后的模型是由多個三角形面片組合而成，模型表面會存在孔隙和褶皺，所以要對封裝后的面片再進行處理，三角面片處理流程為填充孔、去除特征、刪除釘狀物、松弛、網格醫生、減少噪音。處理完成后模型表面應光順平滑無明顯缺陷，模型也不能過于追求平滑而導致偏離原始點云數據[4]。

2.3GeomagicDesignX的逆向建模與比對

將面片數據導入GeomagicDesignX軟件中，建立一個坐標系，再通過領域對模型進行劃分，利用曲面特征或創建實體對模型快速建模；通過修剪指令對多余曲面模型去除，封閉曲面模型轉換成實體模型。逆向建模完成的模型需要與原點云數據進行比對分析，需要注意如果逆向出模型連接的光順度與點云數據擬合度出現矛盾時，首先確保模型連接的光順度[4]。模型的比對結果擬合偏差在±0.1mm之間，誤差較小。

3逆向建模產品的創新設計與Solidworks2017優化分析

3.1創新設計

（1）產品分析。打蛋器在日常使用過程中會產生一定的扭矩，然而這款打蛋器把手位置太過光滑，不方便抓握；打蛋器開關位置的檔位鍵與攪拌棒的退出鍵設計在一起，需要用拇指單獨操作，控制困難，且開關為異形件，制造困難造價高。（2）創新思路。將把手設置為凹凸依次布置的形式更符合人體工學，抓握穩定；將檔位鍵與攪拌棒的退出鍵分開布置，且選用三檔撥動式開關，零件成本更低，安全性更高。（3）結構設計。手指抓握位置的圓角尺寸較大，且抓握位置的尺寸間隙從上至下依此減小，更符合人體的手指尺寸結構；將原有開關更改為撥動式開關，防止操作人員因失誤造成的傷害，提高設備的安全性。

3.2正向建模

利用UG10.0軟件根據創新設計的思路在原模型上進行正向創新建模。

3.3Solidworks2017優化分析

利用Solidworks軟件對創新設計之后的產品進行靜力學分析，具體的參數設置如表1所示。（1）新建算例。為研究外殼應變、位移、應力、及安全系數新建算例，使用常規模擬中的靜應力分析。（2）應用材料。在進行分析之前需要為模型指定材料，此次打蛋器外殼采用ABS，具體參數如表1。（3）添加夾具及其外部載荷。本產品在使用過程中由操作者手持使用，所以打蛋器把手受手掌抓握力和攪拌棒高速旋轉產生的扭矩，而成年人的右手平均握力在500N左右，但對產品本身不需要過大的握力，取最大握力1/10約50N，并以攪拌雞蛋為例，測得扭矩在10Nm-20Nm之間[5]。（4）網格劃分。為進行靜力學分析，對外殼進行網格劃分，調整網格參數，共設置節點總數69049個，單元總數34859個。（5）靜力學分析結果。通過SolidWorksSimulation靜力學分析結果展示了打蛋器外殼受力后的應力值、應變值和位移量。打蛋器的最大應力和應變主要集中在把手位置，最大應力為114.8MPa、最大應變為3.9%、最大位移量在1.02mm。打蛋器外殼材料為ABS，其拉伸強度為450MPa，拉伸斷裂伸長率為38%。可以看出，打蛋器外殼整體所受的應力值和應變，均沒有超出材料的許用應力和許用應變值，均在材料的許可范圍內，能夠滿足打蛋器的日常應用，完全達到了設計時，對產品外觀及尺寸的預期值[6]。（6）設計算例優化分析。依據simulation已經得到了合理的設計方案，但在工程設計中，需要通過進行多方案對比分析得到產品的最優方案。通過設計算例，可以設置定量和變量，一次性完成多個方案的直接對比，以最低的成本獲得最好的效益，提高設計效率[7]。此次設計殼體零件，目的是在確保滿足力學性能要求的前提下，盡可能減少使用的材料，故將壁厚設為變量，依據設計經驗，壁厚不應小于1mm以保證產品可以承受本身重量，同時不應高于2.5mm以防止注塑過程產生過度收縮，步長0.1mm，握力在50N，扭矩為10Nm的情況下觀察在11種方案下模型的質量、應力、位移情況，確保在應力與位移條件符合的情況下，質量最小。結果如表2所示。由表2可得在打蛋器殼體壁厚在1.4mm的情況下，產品質量為96.75g，承受的應力為103.26MPa，小于114.8MPa，此時力矩作用下位移為0.94mm，小于1.02mm，符合產品設計要求。為了設備使用的安全性，設計安全系數為1.2，故當壁厚為1.7mm時，打蛋器殼體即可滿足使用要求，且比壁厚為2mm時質量減少18.05g，材料成本降低約14.26%。

4結語

通過對已有產品的掃描逆向出該產品的三維模型，通過對創新設計之后的產品進行拓撲優化，最終得到了打蛋器殼體的一種比較合理的材料分布狀態，在保證產品力學性能同時，打蛋器殼體的重量從126.62g下降到了108.57g，減重比例達到了14.26%，降低了生產成本，提高了設計效率。

參考文獻

[1]林晟杰,楊雪榮,成思源,等.基于逆向工程技術的產品創新設計[J].裝備制造技術,2014(9):36-38.

[2]彭廣威.基于逆向工程的汽車前圍板曲面重構[J].機械工程師,2015(4):110-112.

[3]成思源,張中寶,楊雪榮,等.面向產品創新設計的逆向工程技術實驗教學[J].實驗室研究與探索,2019(4):161-168.

[4]劉利,劉江麗.逆向工程實踐課程的研究和探索[J].產業與科技論壇,2019(17):154-155.

[5]黃攀,汪泉,周紅軍,等.基于逆向工程的曲面建模與創新設計[J].產業與科技論壇,2019(17):154-155.

[6]高文杰,翁明盛，廖洪波,等.基于solidThinkinginspire汽車板簧支架優化設計[J].上海汽車,2015(3):57-60.

[7]張濤.基于solidThinkinginspire的控制臂優化設計[J].測試與試驗,2018(23):241-244.

作者：姜 單位：濰坊職業學院機電工程學院