吳鈞

江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院鎮(zhèn)江分院（鎮(zhèn)江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校），江蘇鎮(zhèn)江，212016

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)械零部件設(shè)計(jì)制造技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新與提高，特別是3D技術(shù)的發(fā)展，給機(jī)械零部件設(shè)計(jì)制造技術(shù)帶來(lái)了全新的突破?，F(xiàn)階段，在機(jī)械零部件設(shè)計(jì)過(guò)程中，很多機(jī)械零部件都是利用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)手段進(jìn)行設(shè)計(jì)的，而且很多設(shè)計(jì)也僅僅是模仿制造對(duì)象，這種設(shè)計(jì)方法并不能完全滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，且效率較低。而隨著3D技術(shù)的不斷發(fā)展，它在機(jī)械零部件設(shè)計(jì)制造過(guò)程中所發(fā)揮的作用也越來(lái)越大。本文主要就3D技術(shù)在機(jī)械零部件逆向工程中的應(yīng)用展開(kāi)研究。

1 機(jī)械零部件逆向工程概述

逆向工程是指利用先進(jìn)的測(cè)量設(shè)備以及相應(yīng)的軟件對(duì)零件或產(chǎn)品的實(shí)體進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，以獲取其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、幾何形狀等相關(guān)參數(shù)，最后根據(jù)相關(guān)參數(shù)對(duì)零部件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和加工。在機(jī)械零部件的逆向工程中，通常需要用到掃描測(cè)量設(shè)備和相應(yīng)的軟件等。其主要的工作過(guò)程包括以下幾個(gè)方面。①原始數(shù)據(jù)采集。在對(duì)零件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，通常會(huì)運(yùn)用到相應(yīng)的測(cè)量設(shè)備，包括激光掃描儀、三維掃描儀以及三維激光掃描系統(tǒng)等。②數(shù)據(jù)處理。在對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行采集后，需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。通常情況下，預(yù)處理工作主要包括以下幾個(gè)方面：第一，采用相應(yīng)的軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；第二，通過(guò)相應(yīng)的軟件對(duì)零件表面數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；第三，采用適當(dāng)?shù)姆绞綄⒘慵砻鏀?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CAD模型；第四，將 CAD模型導(dǎo)入相應(yīng)軟件中；第五，在CAD模型中加入相應(yīng)的約束和屬性等。③產(chǎn)品重構(gòu)。在完成CAD模型轉(zhuǎn)換之后，需要將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的CAD模型。通常情況下，有以下幾個(gè)方面：第一，在完成上述步驟之后需要將CAD模型轉(zhuǎn)化為實(shí)物模型；第二，對(duì)實(shí)物模型進(jìn)行裝配和干涉檢查；第三，將實(shí)物模型與逆向工程所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品相比較，確定二者之間差異之處；第四，將實(shí)物模型進(jìn)行再制造[1]。

1.1 數(shù)據(jù)采集

激光掃描儀主要適用于對(duì)不同形狀的物體進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，包括接觸式以及非接觸結(jié)合的掃描方式等。在對(duì)不同種類(lèi)的物體進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，所使用的設(shè)備也各不相同，需要根據(jù)不同物體的特征來(lái)選擇合適的設(shè)備。例如，對(duì)于一些較小或較大但外形較為簡(jiǎn)單的物體，通常會(huì)采用激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；對(duì)于一些較大且外形較為復(fù)雜的物體，通常會(huì)采用三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。此外，由于不同類(lèi)型的機(jī)械零部件在結(jié)構(gòu)上存在一定差異，因此在對(duì)不同類(lèi)型機(jī)械零部件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，所選擇的設(shè)備也存在一定差異。另外，由于機(jī)械零部件在制造過(guò)程中所使用的材料不同，因此在對(duì)機(jī)械零部件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)通常需要使用到相應(yīng)的非接觸式設(shè)備。其中，非接觸式設(shè)備主要包括非接觸式激光掃描儀、非接觸式三維掃描儀等。其中，非接觸式激光掃描儀主要適用于對(duì)較大或形狀復(fù)雜的物體進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在對(duì)機(jī)械零部件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，通常會(huì)采用不同類(lèi)型的測(cè)量設(shè)備來(lái)對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。其中，三維激光掃描系統(tǒng)是一種用于工業(yè)領(lǐng)域中機(jī)械零部件測(cè)量和建模的設(shè)備，主要適用于對(duì)機(jī)械零部件進(jìn)行快速掃描和建模。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

通常情況下，預(yù)處理過(guò)程包括以下幾個(gè)方面：第一，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描；第二，將掃描數(shù)據(jù)與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較；第三，確定采樣點(diǎn)坐標(biāo)與采樣點(diǎn)之間的關(guān)系；第四，將待測(cè)數(shù)據(jù)與已知點(diǎn)之間的關(guān)系進(jìn)行確定；第五，對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行濾波處理。Delaunay三角網(wǎng)格是一種基于多邊形三角面的曲面模型描述方法。在此基礎(chǔ)上，還可以根據(jù)用戶所需要的曲面模型結(jié)構(gòu)和幾何特征等信息對(duì)三角網(wǎng)格的形狀及大小進(jìn)行設(shè)置。采用Delaunay三角網(wǎng)格表示方法構(gòu)建的曲面模型具有較強(qiáng)的細(xì)節(jié)處理能力和較好的表達(dá)能力。但在該方法建立曲面模型過(guò)程中也存在一些缺陷：第一，采用Delaunay三角網(wǎng)格表示方法構(gòu)建的曲面模型所包含的自由度相對(duì)較少；第二，該方法構(gòu)建的曲面模型是一種局部曲面模型；第三，該方法構(gòu)建的曲面模型過(guò)于粗糙[2]。

1.3 模型重構(gòu)

通常情況下，在進(jìn)行細(xì)化處理時(shí)需要滿足以下幾個(gè)方面的要求：第一，需要對(duì)零件進(jìn)行徹底打磨；第二，對(duì)零件表面上存在的缺陷或錯(cuò)誤處進(jìn)行修正；第三，將零件的形狀和尺寸更加精確地表現(xiàn)出來(lái)；第四，將零件表面上存在的不連續(xù)處進(jìn)行精確處理。在完成上述工作之后，可以根據(jù)工作需求確定各個(gè)零部件的設(shè)計(jì)參數(shù)和加工參數(shù)。在零部件設(shè)計(jì)參數(shù)確定之后需要對(duì)其進(jìn)行精確計(jì)算，通常情況下，可以通過(guò)以下幾個(gè)方面來(lái)確定：第一，可以通過(guò)該零部件表面上存在的不連續(xù)處來(lái)計(jì)算實(shí)際加工所需要的材料；第二，可以通過(guò)該零部件表面上存在的不連續(xù)處來(lái)計(jì)算實(shí)際加工所需時(shí)間。在完成上述工作之后需要根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)零部件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和加工。通常情況下，可以通過(guò)以下幾個(gè)方面來(lái)確定：第一，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)零部件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和加工；第二，將零部件表面上存在的不連續(xù)處進(jìn)行修正；第三，將零部件表面上存在的不連續(xù)處重新繪制。

2 3D技術(shù)發(fā)展概況分析

20世紀(jì)70年代末，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，以三維設(shè)計(jì)軟件為代表的3D技術(shù)迅速發(fā)展起來(lái)。3D設(shè)計(jì)軟件主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)是基于平面CAD模型的二維設(shè)計(jì)軟件，另一類(lèi)是基于三維模型的三維設(shè)計(jì)軟件。3D技術(shù)主要指的是在二維設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出的三維建模技術(shù)，可以使用戶在無(wú)需任何交互操作的情況下建立三維模型。同時(shí)，由于計(jì)算機(jī)建模技術(shù)和3D設(shè)計(jì)軟件的快速發(fā)展，使得用戶可以更加便捷、高效地獲取所需信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的準(zhǔn)確建模和制造。目前，國(guó)際上有影響力的3D建模軟件包括UG、CATIA、SolidWorks等。其中，UG軟件是目前應(yīng)用最為廣泛、功能最為強(qiáng)大的3D設(shè)計(jì)軟件之一。

3 3D技術(shù)在機(jī)械零部件逆向工程中的應(yīng)用探析

3.1 零件表面點(diǎn)云處理

通過(guò)三維掃描儀對(duì)機(jī)械零部件表面進(jìn)行點(diǎn)云采集和處理，從而得到其模型。而對(duì)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理則是通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理，可以有效避免由于數(shù)據(jù)不完整、不準(zhǔn)確所造成的模型誤差。通過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理，可以有效提高模型的準(zhǔn)確性和完整性。對(duì)于曲面零件來(lái)說(shuō)，一般都會(huì)存在曲面部分和平面部分。因此，在對(duì)曲面零件進(jìn)行建模時(shí)，則需要對(duì)曲面部分進(jìn)行有效擬合，并根據(jù)相關(guān)理論公式進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)需要注意的是，由于曲面零件表面通常都會(huì)存在一些凸起以及凹陷等非光滑表面。因此，就需要在建模時(shí)對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)處理。

3.2 零件特征數(shù)據(jù)的提取

在進(jìn)行機(jī)械零部件逆向工程設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)根據(jù)零部件的結(jié)構(gòu)、用途以及設(shè)計(jì)要求等對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)。根據(jù)零部件分類(lèi)，就可以有效降低逆向工程設(shè)計(jì)工作量。因此，在進(jìn)行零部件逆向工程設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)所需的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。一般來(lái)說(shuō)，零件的特征數(shù)據(jù)主要包括結(jié)構(gòu)、材料、顏色以及形狀等內(nèi)容。而對(duì)于這些數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，通常都是由不同的軟件或程序生成的，因此在進(jìn)行零部件逆向工程設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)其特征數(shù)據(jù)的種類(lèi)和來(lái)源等情況，來(lái)選擇合適的軟件或程序。其中，對(duì)于CAD模型來(lái)說(shuō)，通常需要使用Geomagic Design、AutoCAD或者Pro/E等軟件來(lái)完成。而對(duì)于數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，則需要使用UG、NX或者CIMS等軟件來(lái)完成。除此之外，為了提高逆向工程設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率，還需要通過(guò)3D掃描儀來(lái)提取所需零部件的特征數(shù)據(jù)。

3.3 排水用葉輪3D打印

排水用葉輪在工業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛，它的主要功能是抽取水，并通過(guò)水泵輸送到相應(yīng)的地方[3]。目前，傳統(tǒng)的葉輪設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足人們對(duì)葉輪設(shè)計(jì)的要求，因此，對(duì)于復(fù)雜的葉輪零件來(lái)說(shuō)，就可以利用3D打印技術(shù)進(jìn)行制作。例如在制造排水用葉輪時(shí)，就可以利用3D打印機(jī)將復(fù)雜的零件進(jìn)行三維掃描建模。3D打印機(jī)可以根據(jù)計(jì)算機(jī)指令輸出相應(yīng)圖形，然后再通過(guò)特殊工藝對(duì)這些圖形進(jìn)行處理。

3.4 三維掃描

三維掃描是在機(jī)械零部件逆向工程中比較常用的一種技術(shù)，三維掃描技術(shù)能夠全面、直觀、快速地測(cè)量機(jī)械零部件，其原理是將機(jī)械零部件的形狀通過(guò)數(shù)據(jù)采集設(shè)備來(lái)獲取，然后利用計(jì)算機(jī)技術(shù)將其處理成三維模型，并在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行顯示。三維掃描技術(shù)具有速度快、精度高、成本低等特點(diǎn)，能夠滿足當(dāng)前機(jī)械零部件逆向工程的需要。三維掃描技術(shù)能夠?qū)C(jī)械零部件的三維模型和二維模型相結(jié)合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械零部件的精準(zhǔn)測(cè)量。通常情況下，三維掃描技術(shù)分為兩種類(lèi)型：接觸式和非接觸式。接觸式掃描技術(shù)是指通過(guò)相關(guān)設(shè)備來(lái)進(jìn)行機(jī)械零部件的測(cè)量，一般情況下，采用的是光學(xué)掃描儀。在進(jìn)行機(jī)械零部件三維掃描時(shí)，可以根據(jù)被測(cè)物體的形狀和尺寸來(lái)選擇合適的掃描儀，比如激光掃描儀、工業(yè)相機(jī)等[4]。通過(guò)這些設(shè)備可以將物體表面完整、清晰地拍攝下來(lái)，然后通過(guò)后期軟件將其處理成三維模型。在進(jìn)行逆向工程時(shí)，需要將測(cè)量數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)其中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析。另外，為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的一致性，在測(cè)量過(guò)程中還需要對(duì)掃描儀和被測(cè)物體進(jìn)行合理安置。通過(guò)這種方法能夠有效保證測(cè)量數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)一致，從而保證機(jī)械零部件逆向工程質(zhì)量。同時(shí)還能夠有效提高逆向工程的效率。

對(duì)于三維掃描數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，一般都是通過(guò)軟件來(lái)進(jìn)行處理。利用三維掃描技術(shù)，可以對(duì)機(jī)械零部件的三維模型進(jìn)行全面觀察，然后通過(guò)軟件來(lái)對(duì)其進(jìn)行處理，最終將其轉(zhuǎn)換成二維模型。三維掃描數(shù)據(jù)處理時(shí)，需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和處理。首先，要將被測(cè)物體表面殘留的灰塵、毛邊等去掉。然后，要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行三角網(wǎng)格化處理，并對(duì)其進(jìn)行保存和管理[5]。最后，在將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成二維模型時(shí)，需要根據(jù)被測(cè)物體的尺寸不同來(lái)選擇合適的軟件。比如可以選擇使用 Geomagic DesignX軟件。在三維掃描數(shù)據(jù)處理過(guò)程中比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié)就是將原始數(shù)據(jù)和測(cè)量結(jié)果之間進(jìn)行對(duì)比分析。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，目前，隨著3D掃描技術(shù)的不斷發(fā)展，它在機(jī)械零部件逆向工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。與傳統(tǒng)工藝相比，該技術(shù)具有簡(jiǎn)單、快速、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。雖然該技術(shù)具有一定的局限性，但它仍然是逆向工程中不可或缺的一部分。在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中，3D掃描技術(shù)將進(jìn)一步提高其精度和效率，并逐漸成為逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)。