逆向工程技术打蛋器壳体结构优化设计

【摘要】传统的产品设计往往采用设计—验证—改进等步骤，产品设计周期长成本高。文章使用手持式激光扫描仪获取打蛋器壳体模型的点云数据，采用GeomagicWrap与GeomagicDesignX软件进行点云处理与CAD模型生成，逆向出的产品在创新设计之后利用Solidworks2017对其进行静力学分析优化产品结构。优化之后的结构不但满足强度要求，质量也有较大幅度的减轻，优化效果明显，缩短了设计周期，提高了产品设计的效率。

【关键词】点云数据；逆向；静力学分析 

1引言

传统的产品设计是根据用户的需求与产品的定位提出概念构思，借助手工或软件建模，通过试制的产品进行试验验证，改进设计之后进行产品的加工生产。现今社会要求产品的更新周期越来越短，传统设计理念已无法适应快节奏的产品更新和升级要求。逆向工程技术是相对传统正向设计而言[1，2]，采用三维扫描技术将实体模型生成点云数据，再利用逆向设计软件将点云进行处理，点云处理完成生成三角面片导入相应软件生成三维模型，模型在进行创新设计后导入分析软件，通过静力学分析获得零件适宜的模型数据。采用逆向工程技术进行产品创新设计可有效减少产品开发的周期与成本，在产品创新过程中采用Solidworks2017软件对其进行拓扑优化，获得最佳的结构与最少的材料。本文以某款打蛋器为例，通过工业产品数字化设计中的数据采集、点云处理、逆向建模、创新设计、受力分析与优化设计完成产品的创新设计，通过静力学分析验证模型的质量，最后再利用快速成型技术打印出成品观察验证。该产品设计过程可提高产品的质量和生产效率，同时降低生产成本[3]。

2打蛋器壳体的逆向建模

2.1Win3D三维扫描仪的点云数据采集

本次实验使用海克斯康Tango-SPlus手持式激光扫描仪对打蛋器壳体进行点云数据采集。具体的扫描流程为：（1）扫描仪标定；（2）将扫描对象放置在贴好标志点的转盘上，利用橡皮泥进行固定并扫描；（3）上表面扫描完成后再将工件翻面进行扫描。在本次实验中，打蛋器的细节特征多，曲率变化小，整体呈白色，无需喷显像剂；在打蛋器壳体上贴标志点时可以贴在平面或平缓过渡的曲面处，且不少于三个。

2.2GeomagicWrap点云处理

2.2.1点阶段处理在采集点云时，由于扫描原理、环境因素或者工作人员经验等原因，会使点云数据包含大量杂点。点云处理流程为全局注册、点云着色、联合点对象、删除标志点、删除非连接项、删除体外孤点、减少噪音、曲率采样与封装。

2.2.2多边形阶段处理封装后的模型是由多个三角形面片组合而成，模型表面会存在孔隙和褶皱，所以要对封装后的面片再进行处理，三角面片处理流程为填充孔、去除特征、删除钉状物、松弛、网格医生、减少噪音。处理完成后模型表面应光顺平滑无明显缺陷，模型也不能过于追求平滑而导致偏离原始点云数据[4]。

2.3GeomagicDesignX的逆向建模与比对

将面片数据导入GeomagicDesignX软件中，建立一个坐标系，再通过领域对模型进行划分，利用曲面特征或创建实体对模型快速建模；通过修剪指令对多余曲面模型去除，封闭曲面模型转换成实体模型。逆向建模完成的模型需要与原点云数据进行比对分析，需要注意如果逆向出模型连接的光顺度与点云数据拟合度出现矛盾时，首先确保模型连接的光顺度[4]。模型的比对结果拟合偏差在±0.1mm之间，误差较小。

3逆向建模产品的创新设计与Solidworks2017优化分析

3.1创新设计

（1）产品分析。打蛋器在日常使用过程中会产生一定的扭矩，然而这款打蛋器把手位置太过光滑，不方便抓握；打蛋器开关位置的档位键与搅拌棒的退出键设计在一起，需要用拇指单独操作，控制困难，且开关为异形件，制造困难造价高。（2）创新思路。将把手设置为凹凸依次布置的形式更符合人体工学，抓握稳定；将档位键与搅拌棒的退出键分开布置，且选用三档拨动式开关，零件成本更低，安全性更高。（3）结构设计。手指抓握位置的圆角尺寸较大，且抓握位置的尺寸间隙从上至下依此减小，更符合人体的手指尺寸结构；将原有开关更改为拨动式开关，防止操作人员因失误造成的伤害，提高设备的安全性。

3.2正向建模

利用UG10.0软件根据创新设计的思路在原模型上进行正向创新建模。

3.3Solidworks2017优化分析

利用Solidworks软件对创新设计之后的产品进行静力学分析，具体的参数设置如表1所示。（1）新建算例。为研究外壳应变、位移、应力、及安全系数新建算例，使用常规模拟中的静应力分析。（2）应用材料。在进行分析之前需要为模型指定材料，此次打蛋器外壳采用ABS，具体参数如表1。（3）添加夹具及其外部载荷。本产品在使用过程中由操作者手持使用，所以打蛋器把手受手掌抓握力和搅拌棒高速旋转产生的扭矩，而成年人的右手平均握力在500N左右，但对产品本身不需要过大的握力，取最大握力1/10约50N，并以搅拌鸡蛋为例，测得扭矩在10Nm-20Nm之间[5]。（4）网格划分。为进行静力学分析，对外壳进行网格划分，调整网格参数，共设置节点总数69049个，单元总数34859个。（5）静力学分析结果。通过SolidWorksSimulation静力学分析结果展示了打蛋器外壳受力后的应力值、应变值和位移量。打蛋器的最大应力和应变主要集中在把手位置，最大应力为114.8MPa、最大应变为3.9%、最大位移量在1.02mm。打蛋器外壳材料为ABS，其拉伸强度为450MPa，拉伸断裂伸长率为38%。可以看出，打蛋器外壳整体所受的应力值和应变，均没有超出材料的许用应力和许用应变值，均在材料的许可范围内，能够满足打蛋器的日常应用，完全达到了设计时，对产品外观及尺寸的预期值[6]。（6）设计算例优化分析。依据simulation已经得到了合理的设计方案，但在工程设计中，需要通过进行多方案对比分析得到产品的最优方案。通过设计算例，可以设置定量和变量，一次性完成多个方案的直接对比，以最低的成本获得最好的效益，提高设计效率[7]。此次设计壳体零件，目的是在确保满足力学性能要求的前提下，尽可能减少使用的材料，故将壁厚设为变量，依据设计经验，壁厚不应小于1mm以保证产品可以承受本身重量，同时不应高于2.5mm以防止注塑过程产生过度收缩，步长0.1mm，握力在50N，扭矩为10Nm的情况下观察在11种方案下模型的质量、应力、位移情况，确保在应力与位移条件符合的情况下，质量最小。结果如表2所示。由表2可得在打蛋器壳体壁厚在1.4mm的情况下，产品质量为96.75g，承受的应力为103.26MPa，小于114.8MPa，此时力矩作用下位移为0.94mm，小于1.02mm，符合产品设计要求。为了设备使用的安全性，设计安全系数为1.2，故当壁厚为1.7mm时，打蛋器壳体即可满足使用要求，且比壁厚为2mm时质量减少18.05g，材料成本降低约14.26%。

4结语

通过对已有产品的扫描逆向出该产品的三维模型，通过对创新设计之后的产品进行拓扑优化，最终得到了打蛋器壳体的一种比较合理的材料分布状态，在保证产品力学性能同时，打蛋器壳体的重量从126.62g下降到了108.57g，减重比例达到了14.26%，降低了生产成本，提高了设计效率。

参考文献

[1]林晟杰,杨雪荣,成思源,等.基于逆向工程技术的产品创新设计[J].装备制造技术,2014(9):36-38.

[2]彭广威.基于逆向工程的汽车前围板曲面重构[J].机械工程师,2015(4):110-112.

[3]成思源,张中宝,杨雪荣,等.面向产品创新设计的逆向工程技术实验教学[J].实验室研究与探索,2019(4):161-168.

[4]刘利,刘江丽.逆向工程实践课程的研究和探索[J].产业与科技论坛,2019(17):154-155.

[5]黄攀,汪泉,周红军,等.基于逆向工程的曲面建模与创新设计[J].产业与科技论坛,2019(17):154-155.

[6]高文杰,翁明盛，廖洪波,等.基于solidThinkinginspire汽车板簧支架优化设计[J].上海汽车,2015(3):57-60.

[7]张涛.基于solidThinkinginspire的控制臂优化设计[J].测试与试验,2018(23):241-244.

作者：姜 单位：潍坊职业学院机电工程学院