張杰

摘 要：逆向工程已廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)與改型中，本文以某水泵泵蓋為研究對(duì)象，基于逆向工程設(shè)計(jì)和3D打印技術(shù)，展示了泵蓋的快速重構(gòu)和成型全過程。描述了由Win3DD-M掃描儀數(shù)據(jù)采集、Geomagic Wrap 3D三維掃描數(shù)據(jù)處理軟件逆向建模設(shè)計(jì)過程和Geomagic Design X軟件對(duì)數(shù)據(jù)模型后處理重構(gòu)過程，最后通過3D打印設(shè)備打印出泵蓋樣品，與原泵蓋樣品契合度較高。采用逆向工程設(shè)計(jì)的泵蓋可縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)周期、提高設(shè)計(jì)研發(fā)效率，本文研究結(jié)果對(duì)其他產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：逆向工程 泵蓋設(shè)計(jì) Geomagic 3D打印 快速成型技術(shù)

1 引言

隨著我國工業(yè)化進(jìn)程地持續(xù)推進(jìn)，石油化工、水利水電、機(jī)械制造等行業(yè)高加工度化和技術(shù)密集化趨勢(shì)明顯，水泵作為水源的輸送和增壓裝置，廣泛應(yīng)用于上述行業(yè)。由于水泵泵蓋長期受到交變載荷的沖擊振動(dòng)和自身工藝水平的限制導(dǎo)致其存在壽命短、易腐蝕等缺陷。而僅因泵蓋損壞便重新更換整個(gè)水泵設(shè)備，不僅增加了企業(yè)的運(yùn)作成本，還浪費(fèi)了資源。傳統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)加工存在因大曲率曲面多而建模困難、設(shè)計(jì)周期長、效率低等缺點(diǎn)，采用逆向工程設(shè)計(jì)有利于設(shè)計(jì)人員快速獲取原產(chǎn)品的模型信息、快速加工成型替代品，從而實(shí)現(xiàn)了損壞零部件的低成本、高效率替代。

逆向工程也稱為逆向設(shè)計(jì)或反求工程，是在無法輕松獲得必要的產(chǎn)品生產(chǎn)信息時(shí)，直接分析成品并將已有的產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為工程設(shè)計(jì)模型和概念模型的復(fù)制過程，并在此基礎(chǔ)上解剖、深化和再創(chuàng)造的一系列分析方法和應(yīng)用技術(shù)的組合[1]。逆向工程可有效改善設(shè)計(jì)技術(shù)水平，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)周期，提高生產(chǎn)效率，是消化、吸收先進(jìn)技術(shù)進(jìn)而創(chuàng)造和開發(fā)各種新產(chǎn)品的重要手段?，F(xiàn)階段的逆向工程技術(shù)是對(duì)已有的產(chǎn)品利用三維數(shù)字化測(cè)量儀器準(zhǔn)確、快速地獲取產(chǎn)品表面的三維數(shù)據(jù)，經(jīng)過曲面重構(gòu)、編輯和修改后重建出產(chǎn)品CAD模型，然后結(jié)合快速成型技術(shù)加工出產(chǎn)品模型，整個(gè)過程快捷高效，克服了部分產(chǎn)品因曲面過多而無法正向建模設(shè)計(jì)的問題。逆向工程與3D打印技術(shù)是中國制造2025的重點(diǎn)方向，因此，本文基于逆向工程的泵蓋設(shè)計(jì)及3D打印快速成型技術(shù)全過程進(jìn)行探索和研究，該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程與方法可為其他種類的產(chǎn)品提供一定參考，進(jìn)而促進(jìn)逆向工程技術(shù)迅速迭代發(fā)展，這對(duì)完成我國傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重要作用。

在逆向工程技術(shù)應(yīng)用過程中，包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、模型重構(gòu)、快速加工、誤差分析五大關(guān)鍵技術(shù)[2]。本文中水泵泵蓋的逆向工程設(shè)計(jì)制造全流程主要包括三維數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、三維模型重構(gòu)、3D打印快速成型、與樣品對(duì)比分析等流程，如圖 1所示。

2 三維數(shù)據(jù)采集

逆向工程首先要使用三維測(cè)量設(shè)備測(cè)量出產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)。產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)的獲取方法有兩大類，既接觸式和非接觸式。接觸式三維測(cè)量是利用設(shè)備的測(cè)量探頭與被測(cè)工件的直接接觸，從而獲得工件的三維數(shù)據(jù)，具有精度高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是速度慢、效率低。非接觸式測(cè)量設(shè)備是利用某種與問題表面發(fā)生相互作用的物理現(xiàn)象來獲取泵蓋模型的三維數(shù)據(jù)信息，其具有測(cè)量過程簡單、測(cè)量速度快等優(yōu)點(diǎn)[3]。

本文采用北京三維天下公司推出的Win3DD-M三維掃描儀來對(duì)泵蓋樣品進(jìn)行掃描，采集獲取被測(cè)工件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。該設(shè)備掃描原理是利用面掃描非接觸式方式，采用三維光學(xué)方式對(duì)工件進(jìn)行掃描獲取工件表面三維數(shù)據(jù)，尤其對(duì)于外觀復(fù)雜的工件和自由曲面以及柔軟易變形的物體掃描效果更好。該設(shè)備采用增強(qiáng)的計(jì)算方法可對(duì)深色物體進(jìn)行掃描，獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度較高。

2.1 噴涂顯像劑

考慮到泵蓋樣品的材質(zhì)、環(huán)境光線的因素，為避免泵蓋樣品的高光和陰影處影響正常的掃描效果，需要對(duì)泵蓋樣品表面均勻噴涂顯像劑。實(shí)際操作中，顯像劑噴涂不易過厚，以增強(qiáng)零件表面的漫反射率，使黑色、反射透明表面等區(qū)域掃描更清晰，以獲得質(zhì)量較高的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[4]。噴涂顯像劑的泵蓋樣品如圖2所示。

2.2 樣品掃描

本文中泵蓋樣品形狀復(fù)雜，在掃描前需要在其表面粘貼標(biāo)定點(diǎn)，以便在掃描過程中隨意翻轉(zhuǎn)掃描樣品，獲得較完整的樣品整體掃描數(shù)據(jù)。三維掃描儀在掃描過程中，由于泵蓋局部表面掃描儀光照射不到，因此在完成標(biāo)定后，需將泵蓋下方用橡皮泥固定，并將泵蓋傾斜墊起一定的角度，提高掃描質(zhì)量。圖3所示為Win3DD-M三維掃描儀掃描過程。

泵蓋在掃描過程中，通過觀察掃描儀軟件顯示區(qū)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)圖像，需要手動(dòng)翻轉(zhuǎn)和調(diào)整泵蓋樣品與掃描儀轉(zhuǎn)盤之間的方位和角度，盡可能將泵蓋的所有特征都掃描出來，以獲取理想的掃描數(shù)據(jù)。泵蓋樣品調(diào)整好掃描角度后，將轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)動(dòng)60°左右掃描一次，掃描6次后得到如圖4所示的掃描原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

在實(shí)際掃描中，通過三維掃描儀得到的三維數(shù)據(jù)量很大，數(shù)據(jù)點(diǎn)可達(dá)上百萬，這就需要運(yùn)算速度較快的計(jì)算機(jī)來支撐掃描軟件和處理軟件的正常運(yùn)行。掃描儀掃描得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)普遍具有離散性，為了下一步更好地利用掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行工件的三維重構(gòu)建模，必須要對(duì)這些采集到的離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。Geomagic Wrap是一款逆向建模軟件，它擁有強(qiáng)大的點(diǎn)云處理能力，可將掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)或三角形面網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過去除冗余數(shù)據(jù)和噪音點(diǎn)，降低點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度以及封裝等一系列操作，最終將點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)變?yōu)楦哔|(zhì)量的三角形面網(wǎng)格模型。本研究中將采用Geomagic Wrap三維掃描數(shù)據(jù)處理軟件來對(duì)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行優(yōu)化處理。

3.1 刪除體外孤點(diǎn)和非連接項(xiàng)

體外孤點(diǎn)是指掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型中偏離主點(diǎn)距離較遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)，非連接項(xiàng)是指掃描時(shí)不小心掃描到遠(yuǎn)離主點(diǎn)云的孤島，數(shù)據(jù)處理中需要將這些體外孤點(diǎn)和非連接項(xiàng)刪掉。在Geomagic Wrap軟件數(shù)據(jù)處理操作中，需要將泵蓋模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割參數(shù)和敏感度參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置，然后將被選中的這些點(diǎn)進(jìn)行刪除。

3.2 手動(dòng)刪除點(diǎn)云

手動(dòng)刪除點(diǎn)云是對(duì)掃描得到的模型數(shù)據(jù)進(jìn)一步優(yōu)化，減小模型數(shù)據(jù)總量的過程。在軟件中將掃描得到的泵蓋三維數(shù)據(jù)模型通過放大、縮小、移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)點(diǎn)對(duì)象等操作，找到仍然存在數(shù)據(jù)模型自由曲面邊緣孤立的、不連續(xù)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，反復(fù)進(jìn)行手動(dòng)選擇和刪除，直到剩下連接完整的泵蓋模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.3 減少噪音

在掃描過程中，由于所使用的掃描設(shè)備和掃描方法的原因，得到的掃描模型三維數(shù)據(jù)都會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差，在數(shù)據(jù)模型表面粗糙的非均勻的外表點(diǎn)云就是噪音點(diǎn)，在軟件中需要對(duì)泵蓋點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪濾波處理，以使數(shù)據(jù)排列更加平緩。

3.4 統(tǒng)一采樣

處理軟件中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量太大會(huì)直接影響計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度，使用統(tǒng)一采樣功能可以在不移動(dòng)任何點(diǎn)的情況下減少點(diǎn)云的數(shù)據(jù)量和密度，提高數(shù)據(jù)運(yùn)算速度。本文中，設(shè)置統(tǒng)一采樣絕對(duì)間距為0.6mm。統(tǒng)一采樣后的泵蓋模型如圖5所示。

3.5 封裝

封裝是通過連接點(diǎn)來創(chuàng)建三角形面網(wǎng)格，從而將統(tǒng)一采樣后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為直觀的數(shù)據(jù)模型。封裝后可放大模型，手動(dòng)點(diǎn)選復(fù)雜過渡曲面區(qū)域的一個(gè)三角形面網(wǎng)格，并觀察其網(wǎng)格質(zhì)量，為后續(xù)CAD重構(gòu)建模做好準(zhǔn)備。本文對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝后得到的泵蓋數(shù)據(jù)模型如圖6所示，該模型是由三角形的頂點(diǎn)相互連接組成的一個(gè)集合，每個(gè)頂點(diǎn)代表一個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。本文泵蓋點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝后的三角形面網(wǎng)格數(shù)約為25萬。

4 三維模型重構(gòu)

4.1 面網(wǎng)格優(yōu)化

質(zhì)量較差的三角形面網(wǎng)格難以曲面化，本文封裝后的三角形泵蓋面網(wǎng)格存在部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失或凸出的現(xiàn)象，可以使用Geomagic Wrap軟件中的修補(bǔ)、增強(qiáng)網(wǎng)格、刪除釘狀物等功能進(jìn)行優(yōu)化，以確保網(wǎng)格無異常。所有修補(bǔ)和網(wǎng)格操作完成后，對(duì)模型的面網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，可利用網(wǎng)格醫(yī)生功能修正網(wǎng)格。本文泵蓋點(diǎn)云數(shù)據(jù)優(yōu)化后的面網(wǎng)格模型如圖7所示。

4.2 逆向建模

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理結(jié)束后，將Geomagic Wrap軟件修復(fù)后得到的泵蓋數(shù)據(jù)模型.stl格式文件導(dǎo)入Geomagic Design X軟件中進(jìn)行逆向建模。通過領(lǐng)域分割、坐標(biāo)系對(duì)齊、建立CAD模型等操作步驟對(duì)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行逆向三維重構(gòu)建模，得到的泵蓋三維重構(gòu)模型如圖8所示。

4.3 誤差分析

使用Geomagic Design X軟件中的精確度分析功能，可以生成以不同顏色區(qū)分重構(gòu)泵蓋模型的誤差云圖。分別設(shè)置許可公差值的上限和下限為1mm和-1mm，得到如圖9所示的泵蓋誤差云圖。圖中綠色部分表示模型誤差較小，也能看到其它顏色顯示的圖中部分大曲率過渡位置區(qū)域誤差較大，這是因?yàn)樾拚a(chǎn)品變形所導(dǎo)致。

由于逆向建模Geomagic Design X軟件無法將泵蓋模型的螺紋建立出來，可與CREO、UG、CATIA、SolidWorks等正向CAD設(shè)計(jì)軟件結(jié)合起來進(jìn)行進(jìn)一步修改，最終得到細(xì)節(jié)完整的泵蓋模型。

5 3D打印快速成型

完成逆向建模和正向設(shè)計(jì)修改，得到符合精度要求的泵蓋模型后，將修改完善的三維模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為.stp的格式文件，并導(dǎo)入到3D打印切片軟件中進(jìn)行掃描切片。切片后生成.gcode格式的文件，導(dǎo)入到3D打印機(jī)選擇打印文件執(zhí)行打印，相應(yīng)的G代碼指令控制3D打印機(jī)噴頭移動(dòng)，最終打印出的泵蓋實(shí)體模型如圖10所示。經(jīng)過對(duì)比分析，該實(shí)體模型與原樣品模型契合度較高。

6 結(jié)論

本文運(yùn)用了逆向工程技術(shù)的相關(guān)理論知識(shí)，結(jié)合3D打印快速成型技術(shù)，以水泵泵蓋零件為例，展示了其重構(gòu)設(shè)計(jì)和快速成型全流程方案。采用Win3DD-M三維掃描儀完成了泵蓋數(shù)據(jù)的獲取，用Geomagic Wrap軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用Geomagic Design X軟件完成了零件的三維模型重構(gòu)，最后通過3D打印機(jī)完成了泵蓋實(shí)物的3D打印快速成型。

本文案例是基于逆向工程的泵蓋設(shè)計(jì)和3D打印快速成型全流程，具有設(shè)計(jì)制造周期短、成本低、快捷高效等優(yōu)點(diǎn)。隨著我國裝備制造產(chǎn)業(yè)的升級(jí)轉(zhuǎn)型和快速發(fā)展，逆向工程設(shè)計(jì)技術(shù)和快速成型技術(shù)將得到越來越多的應(yīng)用，本文案例將會(huì)對(duì)其他種類的產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹曉興. 逆向工程模型重構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用[D].鄭州大學(xué)，2012.

[2]郭艷艷.基于Geomagic Design X軟件的逆向建模方法[J].北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，19（03）：15-19.

[3]邵雙運(yùn).光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)與應(yīng)用[J].現(xiàn)代儀器，2008，No.76（03）：10-13.

[4]李衛(wèi)民，張凱璇，刁家宇，付松松.基于逆向工程和3D打印的水泵葉輪快速重建方法[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，42（06）：351-356.DOI：10.15916/j.issn1674-3261.2022.06.001.

[5]3D SYSTEMS.Geomagic Wrap培訓(xùn)手冊(cè)[Z].中國： 杰魔（上海）軟件有限公司，2022.