基于逆向工程的支架零件優化設計及快速成型

閆 磊，馮蘭芳，惠延波，周 穎，馬曉曉

（河南工業大學 先進制造研究所，鄭州 450007）

0 引言

逆向工程（Reverse Engineering，RE）是對已有的產品或者實物原型進行CAD模型重建，即對已有的產品或者實物原型，利用三維數字化測量設備來快速、準確地獲取實物表面的三維坐標數據，并根據這些坐標數據使用三維幾何建模的方法重建實物CAD模型。逆向工程可以縮短產品的設計周期，降低產品的開發成本；通過逆向工程，工程師可以對產品技術進行消化、吸收，并進一步改進、提高產品性能，有利于產品的快速創新開發[1]。在逆向建模過程中，參數化的逆向建模技術能夠快速還原產品的設計意圖，并且工程師可以使用正向建模的方法實現產品的再設計，而非參數化的建模方法雖然可以快速實現模型重建，但是其尺寸驅動的編輯功能較弱，只能借助變形工具實現模型的再設計[2]。計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）是指在計算機上利用有限元法對產品進行工程分析。隨著計算機技術的發展和商用有限元軟件的推廣，計算機輔助制造技術已經成為產品設計的重要環節[3]。

支架類零件是起支撐作用的構架，以薄壁構件為主，其結構形式根據功用不同而變化，在各種機械和設備中應用廣泛。本文選取三維激光掃描儀支架作為研究對象，將參數化逆向建模技術和有限元分析技術聯合使用，對支架零件進行優化設計，再通過快速成型技術制造出實物，實現產品的快速更新換代。圖1為本次實驗的主要工作流程。

圖1 工作流程

1 采集點云數據

數據采集和模型重建是逆向工程中的關鍵技術[4]。本次實驗使用Handyscan 3D手持式三維激光掃描儀對支架零件采集點云數據，使用配套的掃描軟件VXelements獲得stl格式的點云數據。手持式三維激光掃描系統是利用激光三角測量原理對模型的表面進行數據采集，由激光束的發射角度和在CCD內生成像的位置，運用三角幾何關系得到被測點的位置信息等數據[5]。針對曲面復雜的零件，該掃描方法可以快速獲取其點云數據，滿足逆向工程高效率和高質量的要求。

針對手持式掃描儀，可以將掃描方式分為兩種：以掃描對象自身為參考定位掃描對象和以標定板或標定靶為參考定位掃描對象。前者是將標定點貼在掃描對象上，無需參照物，利用自身進行空間定位，實現掃描物體所有表面的數據采集。由于掃描儀空間定位時需要不斷變換掃描角度并且保證3個以上的有效標定點，因此該方法適用于表面曲率變化小的模型。后者是將掃描對象放在標定板等參照物旁邊，對掃描對象進行空間定位。由于參照物和掃描對象需要固定放置，不能有相對運動，因此該方法無法一次完成所有表面的數據采集，需要多次擺放多次掃描才能獲得所有表面的點云數據。如圖2所示，在本次實驗中，支架零件的細節特征多，曲面多，曲率變化大，適合在標定板上多次掃描以獲得所有表面的點云數據。

圖2 支架實物

手持式激光掃描儀的基本工作流程如下：

1）在標定板上粘貼標定點，為了確保掃描儀視野內的有效標定點數目在3個以上，相鄰標定點的間距在2mm～10mm之間。

2）傾斜擺放掃描對象，以便掃描儀快速采集各個表面的點云信息。若掃描對象為透明材質或者反光較強的材質，需要噴涂顯影劑后再進行掃描。

3）通過掃描儀和掃描軟件配合采集數據。本次實驗針對該支架零件，進行正面，背面和側面三個視角的掃描以獲得完整的點云數據，圖3是掃描支架零件的現場場景。

圖3 掃描模型數據

2 模型重建

本次逆向建模使用的軟件是Geomagic Design X軟件。它是業界最全面的逆向軟件，可將三維掃描數據處理和基于模型樹的CAD數據模型相結合，能創建出基于特征樹的CAD數據模型，并且與現有的主流CAD軟件兼容，強大之處在于其兼備逆向建模與正向再設計兩者的特點[6]。

2.1 點云數據預處理

掃描系統在采集數據時都不可避免地存在誤差，一般會存在數據過于龐大和噪點的情況[7]。在點階段的數據處理中，通過采樣以避免點云過于密集，通過過濾噪點來限制每個噪點群集內單元點的數量。在多邊形階段的數據處理中，進行多視點云的拼接，拼接后的數據會存在重疊單元面，交叉單元面，小單元面，網格分布不均勻等缺陷，為此需要進行面片修補，采樣，消減，面片優化等處理，以得到高質量的多邊形數據，如圖4所示。

圖4 高質量的多邊形數據

2.2 實體模型重建

Geomagic Design X的逆向建模將掃描數據的處理與三維正向建模相結合，可得到包含特征樹的CAD數據模型。首先，根據多邊形數據的幾何特征，對其進行領域劃分，建立模型的坐標系。通過領域劃分出的規則幾何特征，可以快速創建實體特征或者曲面特征；對于不規則的幾何特征，運用放樣等方法在不同平面上創建軌跡線和引導線，得到空間曲面。再通過曲面間的修剪，獲得所需的曲面特征。如圖5所示，通過曲面修剪，得到支架零件的部分曲面特征。在Geomagic Design X中，封閉曲面模型即可轉化為實體模型。運用曲面切割實體，實體之間的布爾運算等建模方法，得到重建后的實體模型。圖6為支架零件重建后的實體模型。

圖5 部分特征參數化逆向建模

圖6 實體模型重建

3 有限元分析

有限元法是用較簡單的問題代替復雜的問題再求解。它將求解域劃分成有限數量的互連單元，對每一個單元假定一個合適的近似解，然后按照求解域的滿足條件推導求解，從而得到問題的解[8]。有限元模型的質量很大程度上決定了仿真計算結果，因此需要高效而精確的建立有限元模型[9]。在本次實驗中，將支架零件的實體模型導入hypermesh軟件中進行前處理，包括幾何清理、網格劃分、網格質量檢查、創建材料屬性、添加載荷和邊界條件。在ABAQUS軟件中進行有限元求解及后處理結果顯示。

3.1 有限元前處理

在hypermesh中對支架零件的CAD模型進行幾何清理，主要修復自由邊、T形邊和壓縮邊，以得到精確而高質量有限元模型。網格的劃分以能表現出模型最小特征為準，該支架零件的網格大小為2.5mm，調整特征邊界上網格的數目以保證網格的流向與模型的形狀一致。使用quality index和check elems等工具進行網格質量檢查并優化網格。

支架零件的材質為ABS，本次實驗使用3D打印的材料為SZUV-W8001，是一種類ABS的光敏樹脂材料，其耐久性和強度等性能優于傳統的ABS材料。該材料固化后的密度為1.16g/cm3，彈性模量為2700Mpa，泊松比為0.38。該支架主要起支撐設備重量的作用，設備的重力為50N，如圖7所示，在支架與設備接觸面設置載荷，在支架底部的網格設置固定約束。

圖7 設置載荷及邊界條件

3.2 求解及后處理顯示

在ABAQUS中進行有限元求解以及后處理的結果顯示，圖8為支架零件的應力云圖，可以看出應力范圍在0～7.622Mpa，主要集中在支架與設備接觸的部位，最大應力出現在上方支撐部分。圖9為位移云圖，可以看出最大位移在上方支撐處，最大位移為0.5187mm。

圖8 應力云圖

圖9 位移云圖

4 支架零件的結構優化設計

在Geomagic Design X中所重建的模型具有特征樹，屬于參數化建模，可通過修改建模的尺寸來優化結構。通過有限元分析，最大應力和最大位移集中在支架零件的上部支撐處。加厚0.5mm該處的壁厚并縮短2mm懸臂梁的長度以改進結構，圖10為優化后支架零件的應力云圖，可以看出最大應力從7.622Mpa減小到1.367Mpa。圖11為優化后的位移云圖，最大位移從0.5187mm減小到0.1033mm。通過此次結構改進，支架零件的安全系數顯著提高。

圖10 改進后的應力云圖

圖11 改進后的位移云圖

5 支架零件的快速成型

快速成型是根據CAD模型生產樣件的技術總稱，它集成了CAD技術、數控技術、光學技術和材料技術等多種現代科技成果。本次實驗使用光固化激光快速成型機3DSL，其原理是利用液態光敏樹脂在紫外激光的照射下吸收光能，發生光聚合反應而成型零件[10]。本次實驗的基本流程為：在快速成型制造軟件Magics中設置模型擺放位置，添加支撐，切片處理。再將數據上傳至3D打印機，打印模型，如圖12為光固化打印機中的模型。打印完的零件還需經過無水乙醇的清洗，去支撐處理及砂紙打磨處理。將逆向工程與3D打印相結合，大大縮短了新產品的研制周期，實現按需個性化定制[11]。

圖12 快速成型

6 結論

本文以常用的支架零件為例，探索出一條改進產品的路線：從三維數據采集，CAD模型重建，有限元分析及其優化改進，最終到快速成型的產品。該技術路線的現實意義在于：

1）將逆向建模與正向曲面建模的設計思路相結合，創建高質量的曲面特征。

2）將逆向工程的參數化建模與有限元分析相結合，創建出帶有特征樹的CAD模型，可以不斷改進優化產品。

3）將逆向工程與快速成型相結合，縮短新產品的研發周期，實現個性化的更新換代。

4）該技術路線具有模塊化的結構，對產品的研發具有針對性，易于工業化改造。