基于逆向技术的射钉枪修复数据模型的构建*

郭 晟，赖 啸，刘 勇，刘存平

(宜宾职业技术学院，四川 宜宾 644000)

0 引言

近几年来，逆向工程技术发展迅速，被广泛应用于产品还原修复、局部改良优化及新产品开发，其结合CAD/CAM技术，可实现实体建模、仿真、优化及新产品开发，具有高质高效的可操作性及便捷性。逆向技术在还原修复过程中主要是通过将离散的点云数据优化处理，然后经建模软件进行三维数据重构，得到具有原始生产信息的数字模型，从而实现产品的复原修复[1]。本文以射钉枪为研究对象，结合Geomagic DesignX软件在逆向设计中的应用及UG的建模技术，重点介绍产品逆向还原修复、局部改良优化设计的具体操作与应用，对产品修复、改良及新产品的开发具有一定的借鉴作用。

1 产品原型分析

射钉枪在建筑施工、木工等工作场合中应用广泛，是必备的关键工具，能击发射钉打入砖砌体、钢铁、岩石及混凝土等基体中，从而将需要固定的构件与基体进行牢固的连接。

本研究对象为使用多年的老旧产品，这款射钉枪因在工地使用多年，目前表面已腐蚀、损伤，原始的生产数据丢失，实体质量已难以保证，同时手感不佳，使用不方便，不美观。为此，利用逆向工程技术对原始数据进行采集并对数字模型进行重构，同时对原始模型的部分位置和性能做出了相应的局部改良和创新设计，以保证其适用性和实用性。图1为原始产品。

图1 原始产品

2 射钉枪逆向设计与局部改良技术思路

在逆向工程中，逆向建模是基础，它主要是针对现有的制件或模型，运用3D数字化检测仪器快速而准确地获取其表面三维数据，再将这些数据处理后通过3D几何建模方法重构制件CAD数字模型[2]。本研究以射钉枪为设计对象，通过Win3DD三维扫描仪对射钉枪进行点云数据扫描，将物理模型转化为测量数据点，通过点云处理软件Geomagic Studio将点云数据生成NURBS曲面模型，然后结合逆向设计软件Geomagic DesignX实现射钉枪的逆向建模，并对生成的模型进行精度检验。

在零件开发设计的应用中，相对传统设计来说，逆向工程是一个新的尝试[3]，本研究针对老旧破损射钉枪进行逆向优化创新设计，重点对手柄、填料腔、外壳形体、柄尾、板机等5个部分进行局部改良创新设计。采取的主要逆向工程设计步骤为：①选取射钉枪原始模型，喷显像剂以助于反光和灰暗处的显像；②标志点粘贴，确定标志点的位置与数量以确保点云的完整性与精确性；③运用3D扫描仪进行点云数据的采集；④运用 Geomagic Studio 12软件进行面片的修补和完善；⑤运用Geomagic DesignX 64逆向建模软件对需修复的实体进行三维数据模型重构和再设计；⑥采用UG对射钉枪进行完善、装配和外观的改善。逆向工程设计流程如图2所示。

图2 逆向工程设计流程

3 数字模型建构

模型的建构主要由三维数据采集与处理、数字模型重构、装配成型等关键步骤组成。逆向设计中，点云数据采集是基础[4]。本研究采用三维天下有限公司的Win3DD三维扫描仪进行数据采集，采集时要依据产品的具体结构特点拟定采集方案，并综合运用喷显像剂、贴标、橡皮泥等工具与手段进行操作，确保数据的完整性与精确度在允许范围内，具体如图3所示。

图3 三维数据采集

获取离散的初始图元数据后，在数据处理软件中通过降噪、去除孤点、去除重叠、填充孔、去除特征、松驰、网格医生、精简等工具对数据进行优化处理，最后进行封装，如图4所示。

图4 点云数据处理

封装后就进入到实体模型重构阶段，此时在DX软件中通过“预处理、轮廓重构、圆角处理、领域组、视图对齐、提取、拟合、生成”等技术手段实现射钉枪实体模型的逆向及局部改良优化重建工作，如图5所示。

图5 DX逆向建模

最后利用UG完成整个射钉枪产品的装配成型，其爆炸图如图6所示。

图6 射钉枪装配爆炸图

4 射钉枪逆向局部改良创新点解析

我们通过逆向技术对射钉枪生产数据进行采集保样，以便于数字化生产管理，同时溶入人性化的设计理念，从具体实用的角度着手进行了局部改良与创新，创新点解析如图7所示。

图7 创新点解析图

构建的三维数据模型主要从如下几个方面进行了局部创新优化改良设计：

(1)原射钉枪手柄手感舒适度有些差，基于成年男人的食指形态与参数，优化了其形状曲面与手柄大小以确保人性化设计，满足大众的需求。其对比效果如图8所示。

图8 手柄人性化造型设计前后对比效果图

(2)在原射钉枪的基础上加大了填料腔，扩充了弹簧的压缩行程，增强了弹簧压缩力，使击出的射钉能射穿更厚的钢板。

(3)手柄尾部由原来的圆头改为方头，该结构便于在此处增加两颗定位紧固螺钉，使其有更好的固定效果以避免震动引起的松动，其效果如图9所示。

图9 手柄尾部局部改良前后对比效果图

(4)扳机处由原来的完全封闭圈结构改为五分之三弧形结构，使用时更为便捷舒适，设计更加人性化。其效果对比如图10所示。

图10 扳机局部改良前后对比效果图

(5)在原来的基础上对其外观做了一定的改进，给人的感觉更加协调，具体效果对比如图11所示。

图11 创新优化设计前后对比效果图

经逆向并创新优化设计后，射钉枪使用更为舒适、方便，结构更趋合理，且产品外形显得更为美观。

5 结语

随着逆向技术在工业领域的广泛应用和迅猛发展，其已成为现代先进工业设计与制造技术的重要标志[5]。本文以实际生产中应用极为广泛的射钉枪产品为研究载体，应用逆向技术进行射钉枪的三维数据采集，并经过数据处理，运用相应软件完成了产品的三维数字化模型的建构，进而提取较完整的原始生产信息。同时实现了产品的优化与改良设计，对射钉枪的工作曲面进行创新设计，使其更具人性化；对射钉枪的结构进行优化改良设计，使结构更紧凑，功能更强大更完善。