摘 要：使用手持式激光掃描儀對油箱蓋產(chǎn)品進行數(shù)據(jù)采集，得到完善、精確的油箱蓋點云；運用Geomagic軟件進行油箱蓋點云數(shù)據(jù)處理，得到精簡、光順、無噪聲點的點云數(shù)據(jù)，包括清除噪點、精減點云、邊界優(yōu)化、簡化數(shù)據(jù)、保存等步驟。根據(jù)油箱蓋模型產(chǎn)品實物的點云數(shù)據(jù)，利用可實現(xiàn)逆向三維造型設計軟件UG NX進行逆向設計，重新構造實物的三維CAD模型。產(chǎn)品最終三維模型，經(jīng)STL數(shù)據(jù)轉換后輸入到快速成型設備系統(tǒng)中，完成設計產(chǎn)品的打印及后處理。

關鍵詞：逆向設計 快速成型技術 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)處理 曲面重構

中圖分類號：TH164 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）08（a）-0045-04

產(chǎn)品的逆向設計與快速成型技術，是指根據(jù)產(chǎn)品實物樣件表面進行數(shù)字化處理，高效、準確地采集到產(chǎn)品表面的三維幾何坐標數(shù)據(jù)，并運用相應的軟件來處理點云數(shù)據(jù)。利用可實現(xiàn)逆向三維造型設計的軟件來重新構造實物的三維CAD模型，進行曲面模型重構[1-2]。產(chǎn)品最終三維模型，經(jīng)STL數(shù)據(jù)轉換后輸入到快速成型設備系統(tǒng)中，完成產(chǎn)品的打印及后處理。

1 油箱蓋模型的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理

1.1 掃描

針對油箱蓋的外形進行模型分析，確定掃描方案，然后進行油箱蓋點云數(shù)據(jù)的掃描。由于建模思想不一樣，點云數(shù)據(jù)的掃描側重點也不一樣。數(shù)據(jù)點質(zhì)量的好壞直接影響到曲面精度。使用手持式激光掃描儀對油箱蓋進行數(shù)據(jù)采集，得到完善、精確的油箱蓋點云，如圖1所示。

1.2 點云數(shù)據(jù)的處理

油箱蓋點云的處理主要在Geomagic Studio軟件進行，其中包括清除噪點、手動注冊、全局注冊、合并、補洞、邊界優(yōu)化、簡化數(shù)據(jù)及保存等步驟[3]。

（1）清除噪點。

打開Geomagic Studio軟件，運用【統(tǒng)一采樣】命令，右擊界面中黑色的雜亂點云，可以按下鼠標中鍵旋轉觀察，在一起的點云變成綠色。選擇除噪的工具欄，在分隔欄中選擇“低”，并根據(jù)右邊選點的多少更改數(shù)值的大小，確定后刪除噪音點，如圖2所示。

（2）精減點云。

在下拉式菜單中選擇統(tǒng)一采樣，在絕對距離中設置距離值為1。由于存在大量的冗余數(shù)據(jù)，會影響后期建模的光滑度，并影響加工質(zhì)量。不同類型的點云可用不同的精減方式：對散亂點云可用隨機采樣法；對掃描線點云和多邊形點云可用等間距縮減、倍率縮減、等量縮減、弦偏差等方法；對網(wǎng)格化點云可用等分布密度和最小區(qū)域法，如圖3所示。

（3）邊界優(yōu)化。

放大油箱蓋的邊界，可以看到并不光滑，因此需要對其邊界進行優(yōu)化。菜單欄：邊界→編輯，選擇“部分邊界“選擇邊界線上的2點，再單擊這條線，控制點應在7～8，張力應為0～1之間。可以調(diào)節(jié)數(shù)字使其邊界順滑。

（4）簡化數(shù)據(jù)及保存。

因為點云處理完后可能要被Imageware編輯和處理，所以要保存為stl格式，這種格式也可直接被快速成型機識別。

（5）數(shù)據(jù)的轉換。

使用File→save as命令，選擇igs格式保存。igs格式是能被UG、PROE等三維軟件識別的一種文件格式。在保存時，注意刪除原有的點云，這樣才能更快地打開igs格式文件。

2 油箱蓋模型的曲面重構

打開UG軟件，打開預先保存的，在Geomagic軟件中處理好的油箱蓋點云數(shù)據(jù)，導入IGS文件，進入建模模塊。

2.1 建立坐標系

用【基本曲線】命令畫出兩條實線，再用【拉伸】命令選擇兩條直線拉伸出一個平面，并用動態(tài)原點建立好坐標系，如圖4所示。

2.2 建立基準平面及繪制草圖

運用【基準平面】命令，創(chuàng)建所需的各個基準平面，并根據(jù)點云創(chuàng)建如圖所示的草圖輪廓，如圖5所示。

2.3 構建曲面、凹槽及固定件

運用【掃掠】命令，按上一步驟繪制的草圖曲線掃掠片體。運用【修剪片體】命令，修剪多余片體。從點云繪制曲線，并用【拉伸】命令，選取曲線拉伸成片體，并選取油箱蓋頂面進行修剪。對凹槽內(nèi)部邊進行邊倒圓，選擇【加厚】命令，并選擇片體加厚2.5 mm。最終得到的圖形，如圖6所示。

3 油箱蓋的快速成型設備具體步驟

3.1 導出STL格式

繪制好的圖形導出STL格式并修改三角公差為0.002 5、相鄰公差為0.12，勾選自動法相生成并讓其三角形顯示，如圖7所示。

3.2 打開Aurora快速成型系統(tǒng)

3.2.1 系統(tǒng)連接、初始化、調(diào)試

將機器與Aurora快速成型系統(tǒng)連接，然后進行Aurora快速成型系統(tǒng)初始化，最后調(diào)試儀器，檢查各噴頭的吐絲情況是否正常。

3.2.2 文件導入Aurora快速成型系統(tǒng)

單擊【載入模型】，將文件載入快速成型系統(tǒng)，如圖8所示。

3.2.3 將工件放入儀器中心并修改分層參數(shù)

將導入的文件自動對準，考慮節(jié)約支撐材料，將工件放置。把支撐間隔，輪廓線寬，工作臺高度等參數(shù)修改成自己經(jīng)驗值的數(shù)據(jù)，如圖9所示。

3.3 打印實體及后處理操作

對于油箱蓋產(chǎn)品的快速成型，選擇3D打印成型強度較好的熔融沉積（FDM）成型方式。產(chǎn)品打印完成圖如圖10所示。

打印完成后處理包括設備降溫、零件保溫、去除支撐、表面處理等步驟[4]。

（1）設備降溫。

原型制作完畢后，如不繼續(xù)造型，即可將系統(tǒng)關閉，為使系統(tǒng)充分冷卻，至少于10 min后再關閉散熱按鈕和總開關按鈕。

（2）零件保溫。

零件加工完畢，下降工作臺，將原型留在成形室內(nèi)，薄壁零件保溫15～20 min大型零件20～30 min，過早取出零件會出現(xiàn)應力變形。

（3）模型后處理。

用小鏟子小心取出原型。去除支撐，避免破壞零件。用砂紙打磨臺階效應比較明顯處，用小刀處理多余部分，用填補液處理臺階效應造成的缺陷。如需要可用少量丙酮溶液把原型表面上光。

4 結論

（1）油箱蓋產(chǎn)品的數(shù)據(jù)采集是使用手持式激光掃描儀對油箱蓋進行三維掃描，點云的數(shù)據(jù)處理主要在Geomagic Studio軟件進行，其中包括清除噪點、手動注冊、全局注冊、合并、補洞、邊界優(yōu)化、簡化數(shù)據(jù)及保存等步驟。

（2）油箱蓋產(chǎn)品的曲面重構是運用UG軟件重新構造實物的三維CAD模型，其中包括導入IGS點云文件、建立坐標系、建立基準平面繪制草圖、構建曲面、構建凹槽、創(chuàng)建固定件、邊倒圓、得到最終模型等步驟。

（3）產(chǎn)品最終三維模型，經(jīng)STL數(shù)據(jù)轉換后輸入到快速成型設備系統(tǒng)中，選擇3D打印成型強度較好的熔融沉積（FDM）成型方式，運用Aurora快速成型系統(tǒng)完成系統(tǒng)連接、初始化、調(diào)試及相關參數(shù)設置，最終完成油箱蓋產(chǎn)品的打印及后處理。

參考文獻

[1]顏永年.先進制造技術[M].化學工業(yè)出版社，2002.

[2]彭燕軍，王霜，彭小歐.UG、Imageware在逆向工程三維模型重構中的應用研究[J].機械設計與制造，2011（5）：85-87.

[3]謝英星，張曉紅.基于Geomagic Studio和快速成型技術的產(chǎn)品設計[J].工具技術，2015（6）：61-63.

[4]劉艷申.工藝亭子三維造型與3D打印[J].電子測試，2016（7）：17-19.