陳福德

（1.山東華宇工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，山東 德州 253034；2.山東華宇工學(xué)院 智能制造裝備設(shè)計工程技術(shù)研發(fā)中心，山東 德州 253034）

引言

三維數(shù)據(jù)掃描，是通過特定的測量設(shè)備和測量方法，將物體的表面形狀轉(zhuǎn)換成離散的幾何點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。逆向工程是根據(jù)已有實物（或模型），通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等手段，將其轉(zhuǎn)化成三維數(shù)字模型，并對模型進(jìn)行的重構(gòu)、評價、改進(jìn)，最終得到產(chǎn)品設(shè)計圖紙。3D打印技術(shù)是基于“離散/堆積成型”的思想，用層層加工的方法將成型材料“堆積”而形成實體零件，因其產(chǎn)品制造的集成化、快速化、自動化等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、醫(yī)療、汽車、藝術(shù)、航空航天等領(lǐng)域。本文基于三維掃描與逆向工程技術(shù)，以汽車發(fā)動機(jī)艙蓋為載體，探討了產(chǎn)品數(shù)據(jù)掃描、點(diǎn)云處理、逆向設(shè)計及快速成型工藝過程，如圖1所示。

1 數(shù)據(jù)掃描

本文以HSCAN系列手持激光掃描儀為例，介紹掃描具體過程。掃描前，需完成掃描儀標(biāo)定，在物體表面粘貼標(biāo)記點(diǎn)（必要時需在物體表面噴涂顯像劑）。掃描前先設(shè)置掃描解析度和曝光參數(shù)。解析度越小，掃描細(xì)節(jié)越豐富，數(shù)據(jù)量也越大。掃描物體反光，顏色較深時，可適度調(diào)高曝光參數(shù)。手持式激光掃描儀有掃描標(biāo)記點(diǎn)和掃描激光點(diǎn)兩個選項。實際掃描時，先掃描標(biāo)記點(diǎn)，掃描完成后保存成*.UMK標(biāo)記點(diǎn)文件格式，然后在標(biāo)記點(diǎn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上繼再掃描激光點(diǎn)，掃描完成后通過網(wǎng)格命令生成網(wǎng)格模型，并保存為*.STL三角網(wǎng)格文件，如圖2所示。

圖1 逆向與快速成型工藝過程

2 數(shù)據(jù)處理

在Geomagic Design X軟件中導(dǎo)入掃描獲取的汽車發(fā)動機(jī)艙蓋零件點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)處理過程如下：導(dǎo)入數(shù)據(jù)模型，利用“修補(bǔ)精靈”來檢索面片模型上的缺陷，如重疊單元面、懸掛的單元面、非流形單元面等，并自動修復(fù)各種缺陷。使用“加強(qiáng)形狀”功能銳化面片上的尖銳區(qū)域（棱角），同時平滑平面或圓柱區(qū)域，提高面片的質(zhì)量。根據(jù)面片的特征形狀，設(shè)置單元邊線的長度好平滑度來優(yōu)化面片。通過平滑操作消除面片上的雜點(diǎn)，降低面片的粗糙度。將數(shù)據(jù)保存為*.STL三角網(wǎng)格文件，如圖3所示。

圖3 汽車發(fā)動機(jī)艙蓋零件的數(shù)據(jù)處理

3 逆向設(shè)計及質(zhì)量評估

汽車發(fā)動機(jī)艙蓋采用ICEM Surf軟件進(jìn)行逆向建模，如圖4所示。在獲取處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，根據(jù)樣件的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行逆向設(shè)計。根據(jù)精度和形面復(fù)雜程度的不同，通常有兩種設(shè)計方法：一種是基于三角面片直接建模，另一種是采用參數(shù)曲面建?；驍M合NURBS建模。

圖4 汽車發(fā)動機(jī)艙蓋零件的逆向建模

對于精度要求較低的、形面復(fù)雜樣產(chǎn)品的逆向開發(fā)，常采用第一種方式；對于精度要求較高、形面復(fù)雜樣件的逆向設(shè)計，一般采用第二種方法，以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，由點(diǎn)到線、由線至面、由面成體，構(gòu)建其三維模型。對點(diǎn)云數(shù)據(jù)領(lǐng)域劃分，得到不同顏色、形狀的幾何特征，規(guī)則的幾何特征通過自動識別其領(lǐng)域、繪制特征線、提取截面線等方式，運(yùn)用正向建模方法創(chuàng)建模型；不規(guī)則的幾何特征，通過提取特征輪廓曲線、構(gòu)建曲面網(wǎng)格、擬合曲面的方法創(chuàng)建模型。檢測重構(gòu)的模型，通過質(zhì)量判定，其外觀光順度較好，模型與原點(diǎn)云數(shù)據(jù)的偏差控制在允許范圍內(nèi)。數(shù)據(jù)完整，構(gòu)造特征還原度高，符合要求，精度較好。

4 3D打印成型

利用3D打印技術(shù)對構(gòu)建的汽車發(fā)動機(jī)艙蓋零件模型進(jìn)行打印，打印機(jī)類型為熔融沉積3D打印機(jī)，打印材料為PLA，切片軟件為Cura切片軟件。其打印過程如下：將STL格式模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入切片軟件，調(diào)整模型的位置，確定零件擺放方位，設(shè)置生成支撐類型及打印參數(shù)，利用切片軟件進(jìn)行離散分層生成加工路徑。然后對將打印機(jī)進(jìn)行初始化，檢查打印噴頭是否正常吐絲，校準(zhǔn)打印機(jī)噴頭高度（與打印平臺之間的高度），打印機(jī)平臺調(diào)平。將汽車發(fā)動機(jī)艙蓋零件*.GODE路徑文件導(dǎo)入打印機(jī)，3D打印機(jī)根據(jù)切片生成的截面路徑由底往上逐層打?。ㄓ牲c(diǎn)到線，由線到面），打印完成后，將模型取出，需進(jìn)行支撐去除、表面打磨、拋光、珠光處理、上色等后處理工作，獲得最終的產(chǎn)品，如圖5所示。

圖5 打印好的汽車發(fā)動機(jī)艙蓋

5 結(jié)語

本文以汽車發(fā)動機(jī)艙蓋零件為例，介紹了逆向工程與快速成型的工藝流程，使用手持激光掃描儀獲得汽車發(fā)動機(jī)艙蓋零件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用Geomagic Design X軟件對采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，利用ICEM Surf軟件進(jìn)行逆向建模，通過 Cura切片軟件對構(gòu)建的模型進(jìn)行離散分層生成加工路徑，最后將得到的三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入熔融沉積3D打印機(jī)中，并打印出汽車發(fā)動機(jī)艙蓋零件的實體。逆向工程不是簡單地復(fù)制實物，而是在原有實物的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次創(chuàng)新，利用 3D打印技術(shù)能快速地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)化為實物，這種基于逆向工程與3D打印的機(jī)械零部件的快速成型設(shè)計方式，可以應(yīng)用于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與創(chuàng)新設(shè)計中，能極大地縮短新產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)周期、降低開發(fā)成本、提高生產(chǎn)效率。