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河北華利機械配件有限公司

逆向工程技術在剝線鉗手柄模型設計制造中的應用

2013/7/19 14:56:13

 

范振波,駱美芝

1.浙江工業大學機電工程學院,浙江杭州310032;2.金華工字牌車輛制造有限公司,浙江金華321000;3.金華市技師學院模具技術教研室,浙江金華321017

摘要:闡述了應用逆向工程技術設計制造剝線鉗手柄模型的過程,著重解決了剝線鉗手柄的數據采集、數據處理、CAD 數字模型重建和手柄模型的快速制造,說明逆向工程能快速有效解決模型的設計制造的應用問題,對企業縮短新產品研制周期、降低研制成本、增強市場競爭力有著重要意義。

關鍵詞:逆向工程;剝線鉗手柄;模型設計制造;CAD 數字模型

中圖分類號:TP391.7 文獻標識碼:B 文章編號:1672- 545X201005- 0150- 02

模具(型)制造技術,運用傳統的方法不但周期長,還受模具(型)復雜程度的限制,即使使用CAD/CAM有時也難于實現[1]。而運用逆向工程技術,能快速將實物原型轉變為CAD 數字模型,通過CAD 重構技術,對模型的特征參數進行調整和修改,以達到最大限度地逼近實物模型,以CAD 數字模型為依據,進行快速原型制造(RPM)。運用逆向工程技術,可以使產品的研制周期縮短40%以上[2],極大地提高了生產率,降低了開發研制成本,對企業增強市場競爭力,有著十分重要的意義。

1 逆向工程簡介

逆向工程(Reverse Engineering,RE)又名反向工程、反求工程[3]。是在20 世紀80 年代發展起來的數據分析與制造技術,是以產品及設備的實物、軟件(圖樣、程序及技術文件等)或影響(圖片、照片等)等作為研究對象,反求出初始的設計意圖,包括形狀、材料、工藝、強度等諸多方面[4]。逆向工程將現代坐標測量設備作為檢測手段,與快速原型制造(RPM)、計算機輔助設計與制造(CAD/CAM)相結合,形成產品設計制造的閉環系統,將有效提高產品的快速制造能力[7]。

三維數據采集、數據處理、構建CAD 數字模型,是逆向工程的三大關鍵技術,也是逆向工程技術的主要內容[5]。2 基于逆向工程的剝線鉗手柄模型設計制造剝線鉗是一種應用非常廣泛的電工工具。手柄是剝線鉗中較重要的零部件,其中塑料剝線鉗手柄樣品如圖1。2.1 剝線鉗手柄的三維數據采集在逆向工程技術中,三維數據采集是第一個環節,是數據處理、CAD 數字模型構建的基礎。

1)測量設備。產品的數據采集,一般可通過兩種方式:一種是采用常規的測量工具進行測量,如游標卡尺、千分尺等,但是這種測量只能獲得簡單的外形尺寸數據,對于一些細槽、三維輪廓等特征的數據無法測量,同時精度也相對較低;另一種是采用激光掃描儀或是接觸式測量機進行測量,這樣幾乎可以獲得任何形狀的產品外形和內部數據,且其精度相對較高,一般能達到數個微米。剝線鉗手柄的結構相對簡單、尺寸較小,所以我們選擇了復合式三坐標測量機(型號BQC654)進行測量。

2)測量方法。這里采用測針進行點數據的采集。測量前工件的定位要注意盡量與坐標平行或垂直,測點位置要與造型方法相一致,一般先測大的主要輪廓再測細節,最后是圓角。采集后的點云數據如圖2 所示。

2.2 數據處理

在測量過程中,會發生誤測、數據丟失等現象,為保證后期模型重構的質量,通常要對采集的數據點云進行處理,如去噪、數據精簡、光順處理等。數據的處理方法很多,這里我們采用的是逆向工程專用軟件Imageware,該軟件提供了用于評估和處理已采集數據的工具,用戶可以對關鍵特征和邊進行清理、取樣、過濾、合并、橫截面截取以及尺寸計算處理。在處理采集的成千上萬個點時,這尤其重要。

2.2.1 剔除雜點

一般來說,采集的數據(點云)中,會有一些誤測或者是對建模而言無用處的點,我們稱為雜點,如圖3 中圈內的點明顯就是雜點。這些點我們需要剔除,方法主要有兩種:點選和圈選。點選如圖3,而圖4 所示為圈選點的操作,去除的是外側的其他壞點。

3)物理沖突及其解決原理。物理沖突是指為了實現某種功能,一個子系統或元件應具有一種特性,但同時又出現了與此特性相反的特性。例如:飛機的機翼應有大的面積以便起飛與降落,但又要較小,以便調整飛行。這種要求機翼具有大小面積同時存在的情況,對于機翼的設計就是物理沖突。TRIZ 理論在總結上述研究方法的基礎上,提出4 種分離原理來解決物理沖突,即:空間分離,時間分離,基于條件的分離,整體和部分的分離。

4)沖突的確定及物質—場分析。相對于技術沖突,物理沖突是尖銳的沖突,但設計中如果能確定物理沖突,較容易解決。物理沖突可通過對問題的詳細分析,及深刻理解的基礎上確定,也可通過對已有的技術沖突的進一步分析來確定。對技術沖突的確定,可以采用經驗法,即針對具體問題,由設計人員根據經驗對沖突提出的文字描述。TRIZ 理論中確定技術沖突的重要工具,是物質—場分析。它用符號、圖形技術描述待設計系統。TRIZ 認為,系統中的所有功能,都可以由2 種物質和1 種場共3 個元件組成。“物質”的定義很廣泛,可以是復雜的技術系統或過程,如汽車、機床;也可以是簡單的物體或零件,如軸承、螺釘等。“場”則表示兩物體之間相互作用、控制所需的能量,可以是核能、電能、機械能、磁能、熱能等。物質—場的分析模型如圖1 所示。其中F 是場,Sl( 包含圖中的S1.1、S1.2 )、S2 是物質。Sl 是被作用體,S2 是作用體(常稱為工具),場通過S2 作用S1 并改變Sl。圖中作用體到被作用體之間的直線箭頭,表示希望得到的有用效應,而波浪形箭頭,表示在加強或完善有用效應的同時,所產生的有害效應。通過物質—場分析,建立起待設計系統的描述模型,從而確定技術沖突,找出問題的癥結。事實上,設計師正是利用以上的方法,解決了這一難題。使飛機的油箱都對稱地配置在機翼內,且油箱不占機身容積,有利于提高飛機的客貨運輸能力,使飛機順利完成了長距離的飛行。

3 結束語

運用TRIZ 理論和工具,可以幫助設計人員克服設計過程中的心理慣性、有限知識等因素對創新方案形成的限制,快速形成概念創新方案,是應用于概念設計階段的有效工具。但并不意味著有了TRIZ 理論,就有了一把萬能的鑰匙。應用TRIZ理論時,應根據具體的問題進行具體研究和分析,在TRIZ 理論給出的一般解的基礎上,利用特定的知識和經驗去發掘需要的解決方案。同時TRIZ 理論在我國的研究和應用,還處于初期階段,TRIZ 理論本身的研究,還需進一步完善,其應用還需大力推廣。

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