基于逆向工程的搖臂桿零件的快速成型

陳堰芳

（上海電機學院高職學院，上海200240）

基于逆向工程的搖臂桿零件的快速成型

陳堰芳

（上海電機學院高職學院，上海200240）

使用專業的三維掃描裝置獲取搖臂桿零件的點云數據，對點云數據進行精確的處理以及曲面重構，得到搖臂桿零件的曲面模型，最后將曲面模導入3D打印機，完成搖臂桿零件的快速成型制造。結果表明：基于逆向工程與快速成型技術可以比較精確地還原實體的各項特征，能夠縮短新產品的研發周期，降低制造成本。

逆向工程；曲面重構；快速成型

逆向工程（Reverse Engineering）也稱反求工程，是近年來迅速發展的一種產品開發設計制造技術，它是指設計人員對現有實物模型進行測量、數據處理及模型重構，最后經過CAD/CAE/CAM系統改進舊產品、創造新產品的過程。目前，隨著科技的發展，3D打印技術不斷完善，加快了工業產品制造的進程。逆向工程與3D打印技術相結合，這種設計制造技術給設計人員提供了方便快捷的產品開發途徑，縮短了產品的設計制造周期，在工業產品開發中得到廣泛的應用。袁曉東運用逆向工程技術對普通辦公座椅進行了創新設計；陳田、全志龍等依據逆向設計的原理，對核電關鍵零件鉤爪的模型重構進行了研究，提出了減小樣件與原模型之間誤差的方法；楊航以排水葉輪為例，初步研究了3D打印技術在機械零部件逆向工程中的應用。

文章運用逆向工程技術，對某產品的搖臂桿零件進行掃描獲取其表面的點云數據，然后對點云數據進行精確處理和曲面造型，得到了比較可靠的曲面模型，導入3D打印機，進行該搖臂桿零件的快速成型制造。

1 逆向工程

逆向工程是一個從有到無的過程，根據已存在的產品模型或實物，通過各種測量手段、數據處理軟件及三維幾何建模方法，將原有的實物模型轉化為三維數字模型，反向推出產品的設計圖紙數據。

圖1 逆向工程流程

圖1為逆向工程流程。從圖1可以看出，在逆向工程設計的過程中，可以根據機械零部件實物模型表面形狀的特點來選取合適的測量方法和設備，來進行數據測量，得到一個精確的質量良好的點云，對測得的點云數據進行必要的剔除錯誤點、修補數據漏洞、降噪拉回偏離的雜點和噪聲點、過濾一部分數據點等處理，最后進行點云數據的網格化、特征提取、表面分片和曲面生成等操作實現曲面重構，將得到的三維數字模型導入3D打印機中，制造出樣件，完成該機械零部件的快速成型制造。

2 點云數據處理

在Geomagic Studio軟件中導入掃描獲取的搖臂桿零件點云數據，其數據處理過程如下：手動刪除誤采集到的意外點和體外孤點，其次通過減少噪音命令，將點移至統計的正確位置以彌補掃描誤差，然后通過統一采樣命令，設置采樣間距和曲率，以規定密度來減少平坦曲面上的點數目。

通過封裝命令，將點云網格化，使點對象轉換成多邊形對象，清除孔洞周圍的點云數據，通過填充孔命令，完成孔洞的修補，得到完整的點云數據。然后通過快速光順/砂紙/松弛命令，可以使三角網格的大小一致而且更平滑。最后通過網格醫生命令，修復三角網格內的缺陷，得到一個質量良好的搖臂桿零件三角網格點云，如圖2所示。

圖2 搖臂桿零件的三角網格點云圖

3 曲面模型重構與3D打印

將三角網格點云導入UG軟件中，觀察模型特征及創建方法，建立基準坐標系，使模型水平放置，采用拉伸命令創建兩端的特征。創建若干豎直的基準平面，通過截面與點云的交點，繪制截面曲線并進行優化處理，然后通過曲線網格命令，獲得搖臂桿零件的曲面。通過延伸或修剪命令，使曲面與兩端接觸，能夠形成封閉空間，進行曲面縫合、布爾運算求和、拔模等操作，形成初步的曲面模型。最后通過倒圓、倒角等命令進行細節處理，得到最終的曲面模型，完成搖臂桿零件的曲面模型重構，如圖3所示。

圖3 搖臂桿零件的曲面模型

使用3D打印機對搖臂桿零件的曲面模型進行快速成型制造，其過程如下：以STL格式將曲面模型導入3D打印機，調整模型的位置與打印比例，然后將打印機初始化，校準噴頭的高度，調平打印平臺，固定打印平板，設置合適的打印參數，待打印結束后，取出3D打印的實體模型，去除支撐材料，得到完整的搖臂桿零件的打印實物，如圖4所示。

圖4 打印好的搖臂桿零件

4 結語

文章介紹了逆向工程的流程，并以某工業產品的搖臂桿零件為例，利用Geomagic Studio和UG軟件對采集的點云數據進行優化處理和曲面模型重構，最后將得到的三維數字模型導入3D打印機中，打印出搖臂桿零件的實體。實踐表明，這種基于逆向工程的機械零部件的快速成型設計方式，可以應用到產品的快速改造與創新優化中，能夠縮短新產品研發周期、降低研發成本。

［1］裴永生,王連東,阮世捷.逆向工程在轎車頂蓋多點成形中的應用［J］.中國機械工程,2008,19（6）：748-750.

［2］袁曉東.基于逆向工程與3D打印技術的產品創新設計研究［J］.機械設計,2015,32（10）：105-108.

［3］陳田,全志龍,王旭,王耀,賈宏燕,葉家檳.基于逆向工程的典型零件快速成型及誤差分析［J］.上海電機學院學報,2015,18（6）：311-315.

［4］楊航.3D打印技術在機械零部件逆向工程中的應用［J］.中州煤炭,2015,1：92-94.

［5］曾林林,周利平,劉小瑩.基于Geomagic Studio的汽車車身逆向建模技術的研究［J］.成都工業學院學報,2013,16（4）：48-51.

陳堰芳（1989-），女，湖北武漢人，碩士研究生，主要研究方向：機械設計制造及其自動化。