快速成型在逆向工程中的實踐應(yīng)用

毛 毛

南京工業(yè)大學(xué)機械與動力工程學(xué)院 江蘇南京 211800

快速成型在逆向工程中的實踐應(yīng)用

毛 毛

南京工業(yè)大學(xué)機械與動力工程學(xué)院 江蘇南京 211800

如今逆向工程在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用得到了快速發(fā)展，與之相協(xié)調(diào)的快速成型技術(shù)也在不斷更新。3D打印技術(shù)正逐漸滲透到產(chǎn)品設(shè)計的各個環(huán)節(jié)，特別是產(chǎn)品逆向工程對3D打印技術(shù)的需求更為強烈。著重介紹了便攜式CPC雙目三維掃描儀應(yīng)用及成型方向?qū)θS模型精度的影響。

逆向工程；三維掃描；快速成型；成型方向

1 概述

1.1 逆向工程

逆向工程是對產(chǎn)品設(shè)計過程的一種描述，又稱為逆向技術(shù)，通過一定的技術(shù)和手段對產(chǎn)品進行逆向分析和探究，通過數(shù)字化設(shè)備和技術(shù)以及Proe，UG等軟件構(gòu)造曲面或者實體，形成一個三維模型，完成一個“從有到無”的過程(如圖1所示)。

圖1

目前，逆向工程已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個設(shè)計領(lǐng)域，它獨特的設(shè)計過程受到很多公司的青睞，它的主要設(shè)計流程為樣品的三維測量、點云數(shù)據(jù)采集、形成模型曲面、完成三維模型、快速成型。從逆向工程的概念和技術(shù)特點以看出，逆向工程的應(yīng)用領(lǐng)域，主要是飛機、汽車、玩具、電子業(yè)、鞋業(yè)、藝術(shù)品翻制、鑄模、人造皮革以及家用電器等與模具相關(guān)的行業(yè)。近年來，隨著生物、材料技術(shù)的發(fā)展，逆向工程技術(shù)也開始應(yīng)用在人工生物骨骼、美容等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。但是其最主要的應(yīng)用領(lǐng)域還是在模具行業(yè)。快速成型技術(shù)是逆向工程的重要組成部分，逆向工程技術(shù)和快速成型技術(shù)結(jié)合使得快速成型技術(shù)在制造領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛。

1.2 快速成型

快速成形技術(shù)簡稱RP，是指由三維模型直接驅(qū)動的快速制造任意復(fù)雜形狀三維物理實體的技術(shù)總稱。即將計算機上制作的零件三維模型，表面三角化處理并儲存，對其進行分層處理，得到各層截面的二維輪廓信息，按照這些輪廓信息自動生成加工路徑，在控制系統(tǒng)的控制下，選擇性地固化、燒結(jié)或切割一層層的成形材料，形成各個截面輪廓薄片，并逐步順序疊加成三維實體，然后進行實體的后處理，形成零件。

不同種類的快速成型系統(tǒng)因所用成形材料不同，成形原理和系統(tǒng)特點也各有不同。但是，其基本原理都是一樣的，那就是“分層制造，逐層疊加”。

2 三維掃描儀對樣品的3D測繪

3DCaMega光學(xué)三維掃描系統(tǒng)便攜式CPC雙目三維掃描儀基于結(jié)構(gòu)光雙目視覺原理，由兩臺數(shù)字相機，結(jié)構(gòu)光投影儀及中央控制電路“光機電”高度融合而成。系統(tǒng)將多組光柵條紋投影到物體表面；兩臺數(shù)字相機從不同角度同時拍攝物體表面條紋圖案，并將條紋圖像輸入計算機；計算機根據(jù)相位法和三角法等解析條紋曲率變化，精確計算出每個像素對應(yīng)物體表面的空間坐標(X，Y，Z)，獲得物體形面三維點云數(shù)據(jù)。

在實習(xí)中，先將三維掃描儀的相機和轉(zhuǎn)臺進行標定，標定完成之后，將需要拍攝的勺子放置在轉(zhuǎn)臺上。啟動CPC程序，通過程序取景窗口觀察勺子的位置，從而調(diào)整相機的左右高低，使勺子的拍攝位置處于窗口的中心。調(diào)整完畢后，打開Winmore軟件，進行試拍驗證。試拍成功后，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺，對物體進行一周拍攝，由于底部和頂部沒有數(shù)據(jù)，我們將勺子手動調(diào)整位置，以方便掃描儀捕捉到點云數(shù)據(jù)。

在Geomagic Studio中導(dǎo)入采集好的點云數(shù)據(jù)，進行下一步處理，修正殘缺點云，打到優(yōu)化的目的，如圖2所示，最終得到的勺子模型以“.stl”的格式保存。

圖2

3 成型方向?qū)α慵鹊挠绊?/h2>

在Model Wizard中打開之前處理好的勺子的“.stl”格式的模型。輸入分層參數(shù)后，采用熔融沉積的成型機床打印。我們發(fā)現(xiàn)隨著高度的增加，層片輪廓的面積和形狀都會發(fā)生變化，當(dāng)形狀發(fā)生較大的變化時，上層輪廓就不能給當(dāng)前層提供充分的定位和支撐作用，這就需要設(shè)計一些輔助結(jié)構(gòu)—“支撐”，對后續(xù)層提供定位和支撐，以保證成形過程的順利實現(xiàn)。 支撐的添加是由零件分層參數(shù)中的支撐角度來決定的。在對零件分層時，設(shè)定需要支撐的表面的最大角度，即表面與水平面的角度，當(dāng)表面與水平面的角度小于該值時，必須添加支撐。角度越大，支撐面積越大，零件越粗糙；反之，支撐面積越小，零件越精細，但若支撐角度過小，則會導(dǎo)致支撐不穩(wěn)定，零件表面下塌等問題。

以勺子為例，當(dāng)水平放置時，勺子柄與水平面的角度為25°(如圖3所示)。分層參數(shù)中的支撐角度為40°，大于25°，零件在加工過程中會自動添加支撐(如圖4所示)。由于添加了大量的支撐，使零件加工時間很長，材料消耗大，并在表面留下痕跡，使處理難度提高，嚴重降低了勺子柄的表面質(zhì)量。因此，應(yīng)考慮調(diào)整零件的成形方向或減小支撐角度，盡量減少支撐。由于勺子柄與水平面的角度已經(jīng)較小，若減小支撐角度零件表面易坍塌，所以考慮調(diào)整零件的成形方向。通過旋轉(zhuǎn)20°，使得勺子柄與水平面的角度為45°，大于支撐角度40°，這樣零件在加工過程中所用到的支撐大大減少，零件表面質(zhì)量也有一定的提高(如圖5所示)。仔細觀察圖5中勺子柄的表面，發(fā)現(xiàn)雖然沒有支撐的影響，但由于在成型的高度方向上是用微小的直線段(層厚)逼近曲線輪廓，在零件表面造成了“臺階效應(yīng)”，引起的誤差依然會對零件表面的精度及粗糙度產(chǎn)生很大的影響。這種臺階效應(yīng)對于傾斜程度越大的表面影響越大。為了減少臺階效應(yīng)對零件質(zhì)量的影響，在相同旋轉(zhuǎn)方向再將勺子旋轉(zhuǎn)20°，此時勺子柄與水平面的夾角為65°，加工出的零件如圖6所示。勺子柄的表面質(zhì)量相較于圖6，又有了一定的提高。

圖3

圖4

圖5

圖6

綜上所述，我們發(fā)現(xiàn)成型方向?qū)α慵木扔泻艽蟮挠绊懀唧w體現(xiàn)在支撐的多少。支撐越多，零件的成型時間越長，后期處理難度更大，零件的表面越粗糙。相反，根據(jù)零件的實際情況，選取適合的成型方向，就可以大大減少支撐材料的消耗，加快成型速度，提高零件的精度。

4 結(jié)束語

通過在實習(xí)過程中給學(xué)生演示的三維掃描儀及快速成型機的應(yīng)用，使得學(xué)生對逆向工程有直觀的了解。逆向工程和快速成型技術(shù)相結(jié)合將從根本上改變傳統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計和制造模式，解決了一些復(fù)雜形體的三維建模和難以加工出實物模型等問題，實現(xiàn)了產(chǎn)品的快速復(fù)制。隨著數(shù)字化技術(shù)和快速成型技術(shù)的不斷發(fā)展，將會逐漸取代傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)過程，對企業(yè)的創(chuàng)新能力的提升起到巨大的推動作用，促進工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展。

[1] 劉俊義.機械制造工程訓(xùn)練[M].南京:東南大學(xué)出版社,2013.

[2] 孟強.3D打印技術(shù)在產(chǎn)品逆向工程中的拓展性探究[J].金田,2014(7):421.

[3] 快速成型技術(shù)的原理[EB/OL].http://wenku.baidu.com/view/65 e9c7fd941ea76e58fa0410?fr=hittag&album=doc&tag_type=1.

英特爾杯并行應(yīng)用挑戰(zhàn)賽：尋找最佳應(yīng)用 培養(yǎng)頂尖人才

經(jīng)過數(shù)月的角逐，由教育部計算機類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會、中國計算機學(xué)會高性能計算專業(yè)委員會聯(lián)合英特爾(中國)有限公司共同主辦，北京并行科技股份有限公司承辦的英特爾杯2016全國并行應(yīng)用挑戰(zhàn)賽(Intel Cup Parallel Application Challenge，簡稱PAC挑戰(zhàn)賽)于10月29日在西安正式落下帷幕，并揭曉了最終榮獲金獎的優(yōu)勝隊伍。憑借極具創(chuàng)新性和應(yīng)用價值的高性能計算解決方案，來自中山大學(xué)的sysu-vision隊、中國科技大學(xué)的鴻雁應(yīng)用隊共同榮獲最佳應(yīng)用金獎，信息工程大學(xué)的信大0隊，榮獲最佳優(yōu)化金獎。

隨著我國高性能計算領(lǐng)域的整體發(fā)展，硬件計算能力已經(jīng)世界領(lǐng)先，而針對硬件的應(yīng)用能力是擺在我們面前最突出的挑戰(zhàn)。PAC挑戰(zhàn)賽自2013年以來已連續(xù)舉辦4屆，旨在通過培養(yǎng)學(xué)生“理論實踐相結(jié)合”的能力，尋找最佳應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)頂尖優(yōu)化人才，展現(xiàn)高性能計算的中國力量。綜合四屆賽事，累計已有300多所高等院校、機構(gòu)中的2500名師生參與比賽，為國內(nèi)高性能計算人才提供了基于業(yè)界前沿產(chǎn)品架構(gòu)與領(lǐng)先技術(shù)的競賽和實踐平臺。本屆挑戰(zhàn)賽的作品特點頗具“大數(shù)據(jù)”時代特色，包括互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的普遍應(yīng)用，如深度學(xué)習(xí)、機器學(xué)習(xí)方向等。

舉辦挑戰(zhàn)賽只是“以賽促教”的方式之一，除此以外英特爾還通過捐贈設(shè)備、開發(fā)課程、改進教材、共建實驗室等方式，與高校、學(xué)術(shù)界一同推動產(chǎn)學(xué)研緊密合作，從而促進高性能計算領(lǐng)域的人才培養(yǎng)。值得一提的是，英特爾同教育部合作共建了專項課程改革基金，在課改資金支持下，華中科技大學(xué)的并行計算的理論與實踐課程被納入到ACM/IEEE-CS的示范課程中。踐行自身社會責(zé)任，尋求政、校、企深度生態(tài)合作，推動行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，是英特爾一直以來堅持的教育策略，進入中國三十余年來，英特爾已經(jīng)與國內(nèi)一百余所高校建立了合作關(guān)系，每年約有15萬名中國高校學(xué)生從英特爾教育計劃中受益。

Practical Application of RP in Reverse Engineering

Mao Mao
School of Mechanical and Power Engineering, Nanjing Tech University, NanJing, 211800, China

Absract: Now it has been rapidly developed of reverse engineering in product design and application.Rapid prototyping technology is also constantly updated at the same time.3D printing technology is gradually penetrated into every link of product design.Especially the demand of 3D printing technology in reverse engineering is more strongly.This paper introduces the application of portable CPC binocular 3D scanner and the influence of forming direction on the accuracy of 3D model.

reverse engineering; 3D scanner; rapid prototyping; forming direction

2016-06-02

毛毛，本科，助理工程師。