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河北华利机械配件有限公司

逆向工程技术在剥线钳手柄模型设计制造中的应用

2013/7/19 14:56:13

 

范振波,骆美芝

1.浙江工业大学机电工程学院,浙江杭州3100322.金华工字牌车辆制造有限公司,浙江金华3210003.金华市技师学院模具技术教研室,浙江金华321017

摘要:阐述了应用逆向工程技术设计制造剥线钳手柄模型的过程,着重解决了剥线钳手柄的数据采集、数据处理、CAD 数字模型重建和手柄模型的快速制造,说明逆向工程能快速有效解决模型的设计制造的应用问题,对企业缩短新产品研制周期、降低研制成本、增强市场竞争力有着重要意义。

关键词:逆向工程;剥线钳手柄;模型设计制造;CAD 数字模型

中图分类号:TP391.7 文献标识码:B 文章编号:1672- 545X201005- 0150- 02

模具(型)制造技术,运用传统的方法不但周期长,还受模具(型)复杂程度的限制,即使使用CAD/CAM有时也难于实现[1]。而运用逆向工程技术,能快速将实物原型转变为CAD 数字模型,通过CAD 重构技术,对模型的特征参数进行调整和修改,以达到最大限度地逼近实物模型,以CAD 数字模型为依据,进行快速原型制造(RPM)。运用逆向工程技术,可以使产品的研制周期缩短40%以上[2],极大地提高了生产率,降低了开发研制成本,对企业增强市场竞争力,有着十分重要的意义。

1 逆向工程简介

逆向工程(Reverse Engineering,RE)又名反向工程、反求工程[3]。是在20 世纪80 年代发展起来的数据分析与制造技术,是以产品及设备的实物、软件(图样、程序及技术文件等)或影响(图片、照片等)等作为研究对象,反求出初始的设计意图,包括形状、材料、工艺、强度等诸多方面[4]。逆向工程将现代坐标测量设备作为检测手段,与快速原型制造(RPM)、计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)相结合,形成产品设计制造的闭环系统,将有效提高产品的快速制造能力[7]。

三维数据采集、数据处理、构建CAD 数字模型,是逆向工程的三大关键技术,也是逆向工程技术的主要内容[5]。2 基于逆向工程的剥线钳手柄模型设计制造剥线钳是一种应用非常广泛的电工工具。手柄是剥线钳中较重要的零部件,其中塑料剥线钳手柄样品如图1。2.1 剥线钳手柄的三维数据采集在逆向工程技术中,三维数据采集是第一个环节,是数据处理、CAD 数字模型构建的基础。

1)测量设备。产品的数据采集,一般可通过两种方式:一种是采用常规的测量工具进行测量,如游标卡尺、千分尺等,但是这种测量只能获得简单的外形尺寸数据,对于一些细槽、三维轮廓等特征的数据无法测量,同时精度也相对较低;另一种是采用激光扫描仪或是接触式测量机进行测量,这样几乎可以获得任何形状的产品外形和内部数据,且其精度相对较高,一般能达到数个微米。剥线钳手柄的结构相对简单、尺寸较小,所以我们选择了复合式三坐标测量机(型号BQC654)进行测量。

2)测量方法。这里采用测针进行点数据的采集。测量前工件的定位要注意尽量与坐标平行或垂直,测点位置要与造型方法相一致,一般先测大的主要轮廓再测细节,最后是圆角。采集后的点云数据如图2 所示。

2.2 数据处理

在测量过程中,会发生误测、数据丢失等现象,为保证后期模型重构的质量,通常要对采集的数据点云进行处理,如去噪、数据精简、光顺处理等。数据的处理方法很多,这里我们采用的是逆向工程专用软件Imageware,该软件提供了用于评估和处理已采集数据的工具,用户可以对关键特征和边进行清理、取样、过滤、合并、横截面截取以及尺寸计算处理。在处理采集的成千上万个点时,这尤其重要。

2.2.1 剔除杂点

一般来说,采集的数据(点云)中,会有一些误测或者是对建模而言无用处的点,我们称为杂点,如图3 中圈内的点明显就是杂点。这些点我们需要剔除,方法主要有两种:点选和圈选。点选如图3,而图4 所示为圈选点的操作,去除的是外侧的其他坏点。

3)物理冲突及其解决原理。物理冲突是指为了实现某种功能,一个子系统或元件应具有一种特性,但同时又出现了与此特性相反的特性。例如:飞机的机翼应有大的面积以便起飞与降落,但又要较小,以便调整飞行。这种要求机翼具有大小面积同时存在的情况,对于机翼的设计就是物理冲突。TRIZ 理论在总结上述研究方法的基础上,提出4 种分离原理来解决物理冲突,即:空间分离,时间分离,基于条件的分离,整体和部分的分离。

4)冲突的确定及物质—场分析。相对于技术冲突,物理冲突是尖锐的冲突,但设计中如果能确定物理冲突,较容易解决。物理冲突可通过对问题的详细分析,及深刻理解的基础上确定,也可通过对已有的技术冲突的进一步分析来确定。对技术冲突的确定,可以采用经验法,即针对具体问题,由设计人员根据经验对冲突提出的文字描述。TRIZ 理论中确定技术冲突的重要工具,是物质—场分析。它用符号、图形技术描述待设计系统。TRIZ 认为,系统中的所有功能,都可以由2 种物质和1 种场共3 个元件组成。“物质”的定义很广泛,可以是复杂的技术系统或过程,如汽车、机床;也可以是简单的物体或零件,如轴承、螺钉等。“场”则表示两物体之间相互作用、控制所需的能量,可以是核能、电能、机械能、磁能、热能等。物质—场的分析模型如图1 所示。其中F 是场,Sl( 包含图中的S1.1、S1.2 )、S2 是物质。Sl 是被作用体,S2 是作用体(常称为工具),场通过S2 作用S1 并改变Sl。图中作用体到被作用体之间的直线箭头,表示希望得到的有用效应,而波浪形箭头,表示在加强或完善有用效应的同时,所产生的有害效应。通过物质—场分析,建立起待设计系统的描述模型,从而确定技术冲突,找出问题的症结。事实上,设计师正是利用以上的方法,解决了这一难题。使飞机的油箱都对称地配置在机翼内,且油箱不占机身容积,有利于提高飞机的客货运输能力,使飞机顺利完成了长距离的飞行。

3 结束语

运用TRIZ 理论和工具,可以帮助设计人员克服设计过程中的心理惯性、有限知识等因素对创新方案形成的限制,快速形成概念创新方案,是应用于概念设计阶段的有效工具。但并不意味着有了TRIZ 理论,就有了一把万能的钥匙。应用TRIZ理论时,应根据具体的问题进行具体研究和分析,在TRIZ 理论给出的一般解的基础上,利用特定的知识和经验去发掘需要的解决方案。同时TRIZ 理论在我国的研究和应用,还处于初期阶段,TRIZ 理论本身的研究,还需进一步完善,其应用还需大力推广。

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