陳堰芳

（上海電機(jī)學(xué)院高職學(xué)院，上海200240）

基于逆向工程的搖臂桿零件的快速成型

陳堰芳

（上海電機(jī)學(xué)院高職學(xué)院，上海200240）

使用專業(yè)的三維掃描裝置獲取搖臂桿零件的點云數(shù)據(jù)，對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的處理以及曲面重構(gòu)，得到搖臂桿零件的曲面模型，最后將曲面模導(dǎo)入3D打印機(jī)，完成搖臂桿零件的快速成型制造。結(jié)果表明：基于逆向工程與快速成型技術(shù)可以比較精確地還原實體的各項特征，能夠縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低制造成本。

逆向工程；曲面重構(gòu)；快速成型

逆向工程（Reverse Engineering）也稱反求工程，是近年來迅速發(fā)展的一種產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計制造技術(shù)，它是指設(shè)計人員對現(xiàn)有實物模型進(jìn)行測量、數(shù)據(jù)處理及模型重構(gòu)，最后經(jīng)過CAD/CAE/CAM系統(tǒng)改進(jìn)舊產(chǎn)品、創(chuàng)造新產(chǎn)品的過程。目前，隨著科技的發(fā)展，3D打印技術(shù)不斷完善，加快了工業(yè)產(chǎn)品制造的進(jìn)程。逆向工程與3D打印技術(shù)相結(jié)合，這種設(shè)計制造技術(shù)給設(shè)計人員提供了方便快捷的產(chǎn)品開發(fā)途徑，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計制造周期，在工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)中得到廣泛的應(yīng)用。袁曉東運用逆向工程技術(shù)對普通辦公座椅進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計；陳田、全志龍等依據(jù)逆向設(shè)計的原理，對核電關(guān)鍵零件鉤爪的模型重構(gòu)進(jìn)行了研究，提出了減小樣件與原模型之間誤差的方法；楊航以排水葉輪為例，初步研究了3D打印技術(shù)在機(jī)械零部件逆向工程中的應(yīng)用。

文章運用逆向工程技術(shù)，對某產(chǎn)品的搖臂桿零件進(jìn)行掃描獲取其表面的點云數(shù)據(jù)，然后對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行精確處理和曲面造型，得到了比較可靠的曲面模型，導(dǎo)入3D打印機(jī)，進(jìn)行該搖臂桿零件的快速成型制造。

1 逆向工程

逆向工程是一個從有到無的過程，根據(jù)已存在的產(chǎn)品模型或?qū)嵨?，通過各種測量手段、數(shù)據(jù)處理軟件及三維幾何建模方法，將原有的實物模型轉(zhuǎn)化為三維數(shù)字模型，反向推出產(chǎn)品的設(shè)計圖紙數(shù)據(jù)。

圖1 逆向工程流程

圖1為逆向工程流程。從圖1可以看出，在逆向工程設(shè)計的過程中，可以根據(jù)機(jī)械零部件實物模型表面形狀的特點來選取合適的測量方法和設(shè)備，來進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，得到一個精確的質(zhì)量良好的點云，對測得的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的剔除錯誤點、修補(bǔ)數(shù)據(jù)漏洞、降噪拉回偏離的雜點和噪聲點、過濾一部分?jǐn)?shù)據(jù)點等處理，最后進(jìn)行點云數(shù)據(jù)的網(wǎng)格化、特征提取、表面分片和曲面生成等操作實現(xiàn)曲面重構(gòu)，將得到的三維數(shù)字模型導(dǎo)入3D打印機(jī)中，制造出樣件，完成該機(jī)械零部件的快速成型制造。

2 點云數(shù)據(jù)處理

在Geomagic Studio軟件中導(dǎo)入掃描獲取的搖臂桿零件點云數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)處理過程如下：手動刪除誤采集到的意外點和體外孤點，其次通過減少噪音命令，將點移至統(tǒng)計的正確位置以彌補(bǔ)掃描誤差，然后通過統(tǒng)一采樣命令，設(shè)置采樣間距和曲率，以規(guī)定密度來減少平坦曲面上的點數(shù)目。

通過封裝命令，將點云網(wǎng)格化，使點對象轉(zhuǎn)換成多邊形對象，清除孔洞周圍的點云數(shù)據(jù)，通過填充孔命令，完成孔洞的修補(bǔ)，得到完整的點云數(shù)據(jù)。然后通過快速光順/砂紙/松弛命令，可以使三角網(wǎng)格的大小一致而且更平滑。最后通過網(wǎng)格醫(yī)生命令，修復(fù)三角網(wǎng)格內(nèi)的缺陷，得到一個質(zhì)量良好的搖臂桿零件三角網(wǎng)格點云，如圖2所示。

圖2 搖臂桿零件的三角網(wǎng)格點云圖

3 曲面模型重構(gòu)與3D打印

將三角網(wǎng)格點云導(dǎo)入UG軟件中，觀察模型特征及創(chuàng)建方法，建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系，使模型水平放置，采用拉伸命令創(chuàng)建兩端的特征。創(chuàng)建若干豎直的基準(zhǔn)平面，通過截面與點云的交點，繪制截面曲線并進(jìn)行優(yōu)化處理，然后通過曲線網(wǎng)格命令，獲得搖臂桿零件的曲面。通過延伸或修剪命令，使曲面與兩端接觸，能夠形成封閉空間，進(jìn)行曲面縫合、布爾運算求和、拔模等操作，形成初步的曲面模型。最后通過倒圓、倒角等命令進(jìn)行細(xì)節(jié)處理，得到最終的曲面模型，完成搖臂桿零件的曲面模型重構(gòu)，如圖3所示。

圖3 搖臂桿零件的曲面模型

使用3D打印機(jī)對搖臂桿零件的曲面模型進(jìn)行快速成型制造，其過程如下：以STL格式將曲面模型導(dǎo)入3D打印機(jī)，調(diào)整模型的位置與打印比例，然后將打印機(jī)初始化，校準(zhǔn)噴頭的高度，調(diào)平打印平臺，固定打印平板，設(shè)置合適的打印參數(shù)，待打印結(jié)束后，取出3D打印的實體模型，去除支撐材料，得到完整的搖臂桿零件的打印實物，如圖4所示。

圖4 打印好的搖臂桿零件

4 結(jié)語

文章介紹了逆向工程的流程，并以某工業(yè)產(chǎn)品的搖臂桿零件為例，利用Geomagic Studio和UG軟件對采集的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理和曲面模型重構(gòu)，最后將得到的三維數(shù)字模型導(dǎo)入3D打印機(jī)中，打印出搖臂桿零件的實體。實踐表明，這種基于逆向工程的機(jī)械零部件的快速成型設(shè)計方式，可以應(yīng)用到產(chǎn)品的快速改造與創(chuàng)新優(yōu)化中，能夠縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期、降低研發(fā)成本。

［1］裴永生,王連東,阮世捷.逆向工程在轎車頂蓋多點成形中的應(yīng)用［J］.中國機(jī)械工程,2008,19（6）：748-750.

［2］袁曉東.基于逆向工程與3D打印技術(shù)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計研究［J］.機(jī)械設(shè)計,2015,32（10）：105-108.

［3］陳田,全志龍,王旭,王耀,賈宏燕,葉家檳.基于逆向工程的典型零件快速成型及誤差分析［J］.上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報,2015,18（6）：311-315.

［4］楊航.3D打印技術(shù)在機(jī)械零部件逆向工程中的應(yīng)用［J］.中州煤炭,2015,1：92-94.

［5］曾林林,周利平,劉小瑩.基于Geomagic Studio的汽車車身逆向建模技術(shù)的研究［J］.成都工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2013,16（4）：48-51.

陳堰芳（1989-），女，湖北武漢人，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化。