吳鈞

江蘇聯合職業(yè)技術學院鎮(zhèn)江分院（鎮(zhèn)江高等職業(yè)技術學校），江蘇鎮(zhèn)江，212016

0 引言

隨著科學技術的不斷發(fā)展，現代機械零部件設計制造技術也在不斷地創(chuàng)新與提高，特別是3D技術的發(fā)展，給機械零部件設計制造技術帶來了全新的突破?，F階段，在機械零部件設計過程中，很多機械零部件都是利用傳統的設計手段進行設計的，而且很多設計也僅僅是模仿制造對象，這種設計方法并不能完全滿足實際生產需求，且效率較低。而隨著3D技術的不斷發(fā)展，它在機械零部件設計制造過程中所發(fā)揮的作用也越來越大。本文主要就3D技術在機械零部件逆向工程中的應用展開研究。

1 機械零部件逆向工程概述

逆向工程是指利用先進的測量設備以及相應的軟件對零件或產品的實體進行數據采集，并對數據進行處理、分析，以獲取其內部結構、幾何形狀等相關參數，最后根據相關參數對零部件進行重新設計和加工。在機械零部件的逆向工程中，通常需要用到掃描測量設備和相應的軟件等。其主要的工作過程包括以下幾個方面。①原始數據采集。在對零件進行數據采集時，通常會運用到相應的測量設備，包括激光掃描儀、三維掃描儀以及三維激光掃描系統等。②數據處理。在對原始數據進行采集后，需要對其進行預處理。通常情況下，預處理工作主要包括以下幾個方面：第一，采用相應的軟件對原始數據進行預處理；第二，通過相應的軟件對零件表面數據進行預處理；第三，采用適當的方式將零件表面數據轉換為CAD模型；第四，將 CAD模型導入相應軟件中；第五，在CAD模型中加入相應的約束和屬性等。③產品重構。在完成CAD模型轉換之后，需要將其轉化為相應的CAD模型。通常情況下，有以下幾個方面：第一，在完成上述步驟之后需要將CAD模型轉化為實物模型；第二，對實物模型進行裝配和干涉檢查；第三，將實物模型與逆向工程所設計的產品相比較，確定二者之間差異之處；第四，將實物模型進行再制造[1]。

1.1 數據采集

激光掃描儀主要適用于對不同形狀的物體進行數據采集，包括接觸式以及非接觸結合的掃描方式等。在對不同種類的物體進行數據采集時，所使用的設備也各不相同，需要根據不同物體的特征來選擇合適的設備。例如，對于一些較小或較大但外形較為簡單的物體，通常會采用激光掃描儀進行數據采集；對于一些較大且外形較為復雜的物體，通常會采用三維激光掃描儀進行數據采集。此外，由于不同類型的機械零部件在結構上存在一定差異，因此在對不同類型機械零部件進行數據采集時，所選擇的設備也存在一定差異。另外，由于機械零部件在制造過程中所使用的材料不同，因此在對機械零部件進行數據采集時通常需要使用到相應的非接觸式設備。其中，非接觸式設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較大或形狀復雜的物體進行數據采集。在對機械零部件進行數據采集時，通常會采用不同類型的測量設備來對其進行數據采集。其中，三維激光掃描系統是一種用于工業(yè)領域中機械零部件測量和建模的設備，主要適用于對機械零部件進行快速掃描和建模。

1.2 數據預處理

通常情況下，預處理過程包括以下幾個方面：第一，對原始數據進行掃描；第二，將掃描數據與相關標準數據進行比較；第三，確定采樣點坐標與采樣點之間的關系；第四，將待測數據與已知點之間的關系進行確定；第五，對數據點云進行濾波處理。Delaunay三角網格是一種基于多邊形三角面的曲面模型描述方法。在此基礎上，還可以根據用戶所需要的曲面模型結構和幾何特征等信息對三角網格的形狀及大小進行設置。采用Delaunay三角網格表示方法構建的曲面模型具有較強的細節(jié)處理能力和較好的表達能力。但在該方法建立曲面模型過程中也存在一些缺陷：第一，采用Delaunay三角網格表示方法構建的曲面模型所包含的自由度相對較少；第二，該方法構建的曲面模型是一種局部曲面模型；第三，該方法構建的曲面模型過于粗糙[2]。

1.3 模型重構

通常情況下，在進行細化處理時需要滿足以下幾個方面的要求：第一，需要對零件進行徹底打磨；第二，對零件表面上存在的缺陷或錯誤處進行修正；第三，將零件的形狀和尺寸更加精確地表現出來；第四，將零件表面上存在的不連續(xù)處進行精確處理。在完成上述工作之后，可以根據工作需求確定各個零部件的設計參數和加工參數。在零部件設計參數確定之后需要對其進行精確計算，通常情況下，可以通過以下幾個方面來確定：第一，可以通過該零部件表面上存在的不連續(xù)處來計算實際加工所需要的材料；第二，可以通過該零部件表面上存在的不連續(xù)處來計算實際加工所需時間。在完成上述工作之后需要根據計算結果對零部件進行重新設計和加工。通常情況下，可以通過以下幾個方面來確定：第一，根據計算結果對零部件進行重新設計和加工；第二，將零部件表面上存在的不連續(xù)處進行修正；第三，將零部件表面上存在的不連續(xù)處重新繪制。

2 3D技術發(fā)展概況分析

20世紀70年代末，伴隨著計算機技術的飛速發(fā)展，以三維設計軟件為代表的3D技術迅速發(fā)展起來。3D設計軟件主要分為兩類：一類是基于平面CAD模型的二維設計軟件，另一類是基于三維模型的三維設計軟件。3D技術主要指的是在二維設計軟件平臺基礎上開發(fā)出的三維建模技術，可以使用戶在無需任何交互操作的情況下建立三維模型。同時，由于計算機建模技術和3D設計軟件的快速發(fā)展，使得用戶可以更加便捷、高效地獲取所需信息，從而實現對產品的準確建模和制造。目前，國際上有影響力的3D建模軟件包括UG、CATIA、SolidWorks等。其中，UG軟件是目前應用最為廣泛、功能最為強大的3D設計軟件之一。

3 3D技術在機械零部件逆向工程中的應用探析

3.1 零件表面點云處理

通過三維掃描儀對機械零部件表面進行點云采集和處理，從而得到其模型。而對于點云數據的處理則是通過計算機軟件來實現。通過對點云數據的處理，可以有效避免由于數據不完整、不準確所造成的模型誤差。通過對點云數據的處理，可以有效提高模型的準確性和完整性。對于曲面零件來說，一般都會存在曲面部分和平面部分。因此，在對曲面零件進行建模時，則需要對曲面部分進行有效擬合，并根據相關理論公式進行計算。同時需要注意的是，由于曲面零件表面通常都會存在一些凸起以及凹陷等非光滑表面。因此，就需要在建模時對其進行適當處理。

3.2 零件特征數據的提取

在進行機械零部件逆向工程設計時，通常會根據零部件的結構、用途以及設計要求等對其進行分類。根據零部件分類，就可以有效降低逆向工程設計工作量。因此，在進行零部件逆向工程設計時，必須對所需的特征數據進行提取。一般來說，零件的特征數據主要包括結構、材料、顏色以及形狀等內容。而對于這些數據來說，通常都是由不同的軟件或程序生成的，因此在進行零部件逆向工程設計時，需要根據其特征數據的種類和來源等情況，來選擇合適的軟件或程序。其中，對于CAD模型來說，通常需要使用Geomagic Design、AutoCAD或者Pro/E等軟件來完成。而對于數控機床來說，則需要使用UG、NX或者CIMS等軟件來完成。除此之外，為了提高逆向工程設計的質量和效率，還需要通過3D掃描儀來提取所需零部件的特征數據。

3.3 排水用葉輪3D打印

排水用葉輪在工業(yè)中的應用非常廣泛，它的主要功能是抽取水，并通過水泵輸送到相應的地方[3]。目前，傳統的葉輪設計方法已經不能滿足人們對葉輪設計的要求，因此，對于復雜的葉輪零件來說，就可以利用3D打印技術進行制作。例如在制造排水用葉輪時，就可以利用3D打印機將復雜的零件進行三維掃描建模。3D打印機可以根據計算機指令輸出相應圖形，然后再通過特殊工藝對這些圖形進行處理。

3.4 三維掃描

三維掃描是在機械零部件逆向工程中比較常用的一種技術，三維掃描技術能夠全面、直觀、快速地測量機械零部件，其原理是將機械零部件的形狀通過數據采集設備來獲取，然后利用計算機技術將其處理成三維模型，并在計算機中進行顯示。三維掃描技術具有速度快、精度高、成本低等特點，能夠滿足當前機械零部件逆向工程的需要。三維掃描技術能夠將機械零部件的三維模型和二維模型相結合，進而實現對機械零部件的精準測量。通常情況下，三維掃描技術分為兩種類型：接觸式和非接觸式。接觸式掃描技術是指通過相關設備來進行機械零部件的測量，一般情況下，采用的是光學掃描儀。在進行機械零部件三維掃描時，可以根據被測物體的形狀和尺寸來選擇合適的掃描儀，比如激光掃描儀、工業(yè)相機等[4]。通過這些設備可以將物體表面完整、清晰地拍攝下來，然后通過后期軟件將其處理成三維模型。在進行逆向工程時，需要將測量數據與設計數據進行對比，并對其中存在的問題進行分析。另外，為了保證測量數據和設計數據的一致性，在測量過程中還需要對掃描儀和被測物體進行合理安置。通過這種方法能夠有效保證測量數據與設計數據一致，從而保證機械零部件逆向工程質量。同時還能夠有效提高逆向工程的效率。

對于三維掃描數據來說，一般都是通過軟件來進行處理。利用三維掃描技術，可以對機械零部件的三維模型進行全面觀察，然后通過軟件來對其進行處理，最終將其轉換成二維模型。三維掃描數據處理時，需要對采集到的數據進行整理和處理。首先，要將被測物體表面殘留的灰塵、毛邊等去掉。然后，要對點云進行三角網格化處理，并對其進行保存和管理[5]。最后，在將點云數據轉換成二維模型時，需要根據被測物體的尺寸不同來選擇合適的軟件。比如可以選擇使用 Geomagic DesignX軟件。在三維掃描數據處理過程中比較重要的一個環(huán)節(jié)就是將原始數據和測量結果之間進行對比分析。

4 結語

綜上所述，目前，隨著3D掃描技術的不斷發(fā)展，它在機械零部件逆向工程中的應用越來越廣泛。與傳統工藝相比，該技術具有簡單、快速、經濟等特點。雖然該技術具有一定的局限性，但它仍然是逆向工程中不可或缺的一部分。在未來發(fā)展過程中，3D掃描技術將進一步提高其精度和效率，并逐漸成為逆向工程中的關鍵技術。