基于逆向設計與快速成型技術的油箱蓋產品開發研究

摘 要：使用手持式激光掃描儀對油箱蓋產品進行數據采集，得到完善、精確的油箱蓋點云；運用Geomagic軟件進行油箱蓋點云數據處理，得到精簡、光順、無噪聲點的點云數據，包括清除噪點、精減點云、邊界優化、簡化數據、保存等步驟。根據油箱蓋模型產品實物的點云數據，利用可實現逆向三維造型設計軟件UG NX進行逆向設計，重新構造實物的三維CAD模型。產品最終三維模型，經STL數據轉換后輸入到快速成型設備系統中，完成設計產品的打印及后處理。

關鍵詞：逆向設計 快速成型技術 數據采集 數據處理 曲面重構

中圖分類號：TH164 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）08（a）-0045-04

產品的逆向設計與快速成型技術，是指根據產品實物樣件表面進行數字化處理，高效、準確地采集到產品表面的三維幾何坐標數據，并運用相應的軟件來處理點云數據。利用可實現逆向三維造型設計的軟件來重新構造實物的三維CAD模型，進行曲面模型重構[1-2]。產品最終三維模型，經STL數據轉換后輸入到快速成型設備系統中，完成產品的打印及后處理。

1 油箱蓋模型的數據采集與數據處理

1.1 掃描

針對油箱蓋的外形進行模型分析，確定掃描方案，然后進行油箱蓋點云數據的掃描。由于建模思想不一樣，點云數據的掃描側重點也不一樣。數據點質量的好壞直接影響到曲面精度。使用手持式激光掃描儀對油箱蓋進行數據采集，得到完善、精確的油箱蓋點云，如圖1所示。

1.2 點云數據的處理

油箱蓋點云的處理主要在Geomagic Studio軟件進行，其中包括清除噪點、手動注冊、全局注冊、合并、補洞、邊界優化、簡化數據及保存等步驟[3]。

（1）清除噪點。

打開Geomagic Studio軟件，運用【統一采樣】命令，右擊界面中黑色的雜亂點云，可以按下鼠標中鍵旋轉觀察，在一起的點云變成綠色。選擇除噪的工具欄，在分隔欄中選擇“低”，并根據右邊選點的多少更改數值的大小，確定后刪除噪音點，如圖2所示。

（2）精減點云。

在下拉式菜單中選擇統一采樣，在絕對距離中設置距離值為1。由于存在大量的冗余數據，會影響后期建模的光滑度，并影響加工質量。不同類型的點云可用不同的精減方式：對散亂點云可用隨機采樣法；對掃描線點云和多邊形點云可用等間距縮減、倍率縮減、等量縮減、弦偏差等方法；對網格化點云可用等分布密度和最小區域法，如圖3所示。

（3）邊界優化。

放大油箱蓋的邊界，可以看到并不光滑，因此需要對其邊界進行優化。菜單欄：邊界→編輯，選擇“部分邊界“選擇邊界線上的2點，再單擊這條線，控制點應在7～8，張力應為0～1之間?？梢哉{節數字使其邊界順滑。

（4）簡化數據及保存。

因為點云處理完后可能要被Imageware編輯和處理，所以要保存為stl格式，這種格式也可直接被快速成型機識別。

（5）數據的轉換。

使用File→save as命令，選擇igs格式保存。igs格式是能被UG、PROE等三維軟件識別的一種文件格式。在保存時，注意刪除原有的點云，這樣才能更快地打開igs格式文件。

2 油箱蓋模型的曲面重構

打開UG軟件，打開預先保存的，在Geomagic軟件中處理好的油箱蓋點云數據，導入IGS文件，進入建模模塊。

2.1 建立坐標系

用【基本曲線】命令畫出兩條實線，再用【拉伸】命令選擇兩條直線拉伸出一個平面，并用動態原點建立好坐標系，如圖4所示。

2.2 建立基準平面及繪制草圖

運用【基準平面】命令，創建所需的各個基準平面，并根據點云創建如圖所示的草圖輪廓，如圖5所示。

2.3 構建曲面、凹槽及固定件

運用【掃掠】命令，按上一步驟繪制的草圖曲線掃掠片體。運用【修剪片體】命令，修剪多余片體。從點云繪制曲線，并用【拉伸】命令，選取曲線拉伸成片體，并選取油箱蓋頂面進行修剪。對凹槽內部邊進行邊倒圓，選擇【加厚】命令，并選擇片體加厚2.5 mm。最終得到的圖形，如圖6所示。

3 油箱蓋的快速成型設備具體步驟

3.1 導出STL格式

繪制好的圖形導出STL格式并修改三角公差為0.002 5、相鄰公差為0.12，勾選自動法相生成并讓其三角形顯示，如圖7所示。

3.2 打開Aurora快速成型系統

3.2.1 系統連接、初始化、調試

將機器與Aurora快速成型系統連接，然后進行Aurora快速成型系統初始化，最后調試儀器，檢查各噴頭的吐絲情況是否正常。

3.2.2 文件導入Aurora快速成型系統

單擊【載入模型】，將文件載入快速成型系統，如圖8所示。

3.2.3 將工件放入儀器中心并修改分層參數

將導入的文件自動對準，考慮節約支撐材料，將工件放置。把支撐間隔，輪廓線寬，工作臺高度等參數修改成自己經驗值的數據，如圖9所示。

3.3 打印實體及后處理操作

對于油箱蓋產品的快速成型，選擇3D打印成型強度較好的熔融沉積（FDM）成型方式。產品打印完成圖如圖10所示。

打印完成后處理包括設備降溫、零件保溫、去除支撐、表面處理等步驟[4]。

（1）設備降溫。

原型制作完畢后，如不繼續造型，即可將系統關閉，為使系統充分冷卻，至少于10 min后再關閉散熱按鈕和總開關按鈕。

（2）零件保溫。

零件加工完畢，下降工作臺，將原型留在成形室內，薄壁零件保溫15～20 min大型零件20～30 min，過早取出零件會出現應力變形。

（3）模型后處理。

用小鏟子小心取出原型。去除支撐，避免破壞零件。用砂紙打磨臺階效應比較明顯處，用小刀處理多余部分，用填補液處理臺階效應造成的缺陷。如需要可用少量丙酮溶液把原型表面上光。

4 結論

（1）油箱蓋產品的數據采集是使用手持式激光掃描儀對油箱蓋進行三維掃描，點云的數據處理主要在Geomagic Studio軟件進行，其中包括清除噪點、手動注冊、全局注冊、合并、補洞、邊界優化、簡化數據及保存等步驟。

（2）油箱蓋產品的曲面重構是運用UG軟件重新構造實物的三維CAD模型，其中包括導入IGS點云文件、建立坐標系、建立基準平面繪制草圖、構建曲面、構建凹槽、創建固定件、邊倒圓、得到最終模型等步驟。

（3）產品最終三維模型，經STL數據轉換后輸入到快速成型設備系統中，選擇3D打印成型強度較好的熔融沉積（FDM）成型方式，運用Aurora快速成型系統完成系統連接、初始化、調試及相關參數設置，最終完成油箱蓋產品的打印及后處理。

參考文獻

[1]顏永年.先進制造技術[M].化學工業出版社，2002.

[2]彭燕軍，王霜，彭小歐.UG、Imageware在逆向工程三維模型重構中的應用研究[J].機械設計與制造，2011（5）：85-87.

[3]謝英星，張曉紅.基于Geomagic Studio和快速成型技術的產品設計[J].工具技術，2015（6）：61-63.

[4]劉艷申.工藝亭子三維造型與3D打印[J].電子測試，2016（7）：17-19.