汽車發電機端蓋的快速原型制造研究

李巖, 趙旭東, 孫志瑩

(1. 錦州師范高等專科學校 機械電子工程系，遼寧 錦州 121001; 2. 遼寧工業大學 機械工程與自動化學院，遼寧 錦州 121001; 3. 江蘇科技大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 212003)

0 引言

隨著汽車工業的不斷發展，逆向工程技術(reverse engineering)已成為一種消化吸收先進技術、實現產品創新設計和快速開發的重要技術手段[1-3]。借由相關逆向工程軟件完成產品的CAD模型重構，可為零件結構的再設計或輕量化設計提供用于求解的模型，并為快速成型制造或數控加工做好相關準備。然而以端蓋為代表的具有復雜結構的多孔類零件快速原型制造過程中仍有不足之處。文獻[4]在完成端蓋模型逆向重構時，先采用曲線曲面對點云數據進行擬合，再將擬合得到的曲面數據進行縫合完成端蓋的逆向重構，但此種方法在曲面間修剪與縫合次序中出現差錯時極易造成模型重構后變為殼體而出現失敗。文獻[5]利用正逆向混合建模的方法實現了發電機端蓋的逆向重構，但在對深孔及掃描邊緣鈍化位置并未給出較好的處理方法。文獻[6]主要通過三維建模軟件Pro/Engineer經正向設計后，通過SPS450B紫外光快速成型機實現了發電機端蓋的快速原型設計研究。

本文以某進口發電機端蓋為代表的多孔類零件為例，對其結構特征及逆向重構中誤差的主要來源進行了分析。在逆向建模過程中對端蓋邊界及深孔位置運用二次正向設計的方法修正了端蓋在逆向建模中的誤差，提高了建模精度并借由3D打印技術完成了端蓋逆向重構后樣件的制作，驗證了這一建模方法的可行性，同時在端蓋樣件試制過程中對模型打印精度及表面質量的控制上給出了相關的解決方法。

1 逆向工程技術

1.1 點云數據的獲取與預處理

本例選用COMET L3D三維結構光掃描儀完成發電機端蓋三維點云數據的獲取，其掃描誤差可控制在0.03mm以內。發電機端蓋實物模型如圖1所示。將端蓋內外表面經兩次掃描獲取的點云數據進行拼接并進行數據封裝處理，得到發電機端蓋點云數據如圖2所示。

圖1 發電機端蓋實物模型

圖2 發電機端蓋點云數據

通常經掃描得到的點云數據都會摻雜一些諸如壞點、跳點等異常數據，Geomagic Studio軟件對掃描得到的初始點云模型具有強大的修復功能，可將初始點云數據經由這一軟件完成初級修復。通過觀察圖2的點云數據不難發現內含多處黃色區域，即為掃描儀未掃到的幾何特征。這一問題的出現主要是由于零件部分特征過深或是由于遮擋沒有完全暴露在掃描儀的光線下導致的，并且在掃描過程中工件精加工面的邊緣位置也極易出現鈍化現象。為保證后續模型重構的順利進行，對于黃色區域的幾何特征可利用軟件中的孔填充命令進行適當修復。根據建模經驗修復后的深孔結構孔的外表面應至少保證有2/3的點云數據，這樣在進行模型重構過程中可利用三點圓命令較為準確地擬合出深孔特征的圓心位置(因本刊為黑白印刷，如有疑問請咨詢作者)。

模型經修復后在整個預處理的操作中，對于模型坐標系的正確構建是至關重要的，它將影響到后續CAD模型的建立能否滿足重構精度的要求。點云數據建立坐標系時，可應用Geomagic Studio軟件選擇模型點云數據內表面擬合出端蓋的回轉軸，再以端蓋口下表面擬合出最佳平面作為xy基準平面。由于發電機端蓋從模型構建方式上為回轉體零件，在坐標系建立過程中只需擬合出一個平面及與其垂直的軸線即可將端蓋進行約束，再通過創建對的方式以確定發電機端蓋在全局坐標系下的xy平面與z軸，從而合理創建出點云數據的坐標系。坐標系的建立如圖3所示。

圖3 創建坐標系

1.2 CAD模型構建

完成點云數據預處理后即可進行模型重構。通過上文對圖2的分析可知，由于非接觸式掃描儀自身工作特點導致了掃描的點云數據出現了較多的破損及邊緣鈍化現象，且由于掃描得到的初始點云數據自身的缺陷無法進行模型的快速原型制造。因此想要完成模型的快速原型制造就需要對點云數據進行二次重構。目前在曲線曲面擬合上，3次B樣條曲線和NURBS樣條曲線以其良好的光順性以及可控性被廣泛應用在CAD系統中[7]。所以為了高效、準確地完成模型的重構，選擇將發電機端蓋的三維數字模型以STL格式導入CATIA中進行三維實體模型的創建。

目前，逆向工程中對于CAD模型的重構主要采用“正/逆向相結合”的混合建模思想[5]。正/逆向混合建模的設計思想其精髓在于先利用零件設計模塊中的凸臺或旋轉命令繪制出零件的大致形狀，以經過預處理后得到的點云數據為零件設計的基準，在逆向點云編輯模塊中獲取零件點云模型截面的形狀信息作為零件實體特征草繪的基準。再通過創成式外形設計模塊以及逆向曲面重構模塊中拉伸、旋轉以及掃掠等相關命令，配合零件設計模塊中的凸臺、凹槽和圓角等命令完成對所需的實體特征及曲面的重建。在模型重構過程中為了保證模型的逆向精度，每次進行實體特征重構過程時可對底層草繪或擬合的曲面進行反復調整來提高模型重構時的擬合精度。

在模型重構過程中也應注意，由于進行逆向重構的模型是鑄件且已經是成型產品，零件在模具制造過程、鑄造過程、機械加工過程以及裝配過程中都會存在一定誤差與損傷，且模型在掃描過程中即使掃描設備精度再高也避免不了誤差的存在，因此所得到的點云數據與產品的最初設計尺寸間會存在一定差距，這就需要在模型重構過程中對一些細微特征進行模型底層草圖的再設計，以求最真實地還原模型的最初設計結構。

通過觀察端蓋外部結構可發現：端蓋整體結構為回轉體零件，并且其上分布有多種不規則的散熱孔及掛角。因此在模型重構過程中，可在逆向點云編輯模塊中截切出端蓋的最大截面作為實體旋轉特征的草繪基準，而后轉入零件設計模塊中以截切到的截面形狀為參照勾勒出草圖，再進行旋轉可得到端蓋的實體外形。之后通過相同的截切辦法可得到各散熱孔的截面形狀作為孔切除操作時的草繪基準，與此同時對于不規則孔可采用樣條曲線與三點圓弧命令聯合使用的方式完成孔特征的擬合，最后通過實體切除來創建端蓋的孔特征。對于非通孔結構可利用創成式外形設計模塊擬合出平面，建立孔特征時通過孔拉伸到面的方式完成非通孔特征的創建。對于掃描過程中的深孔特征，為了更加準確地擬合出孔的圓心位置應盡量采用三點圓命令進行擬合，在圓半徑確定上應采用卡尺多次測量求均值與點云數據共同作為參考基準的方式完成深孔特征的創建。對于不易測量的深孔結構可采用硅膠翻模的方式獲取其結構特征。此外對于模型點云數據中存在的邊緣鈍化問題，可在擬合過程中以直線直接逼近鈍化位置的方式來解決。經模型重構后最終得到的CAD模型如圖4所示。通過面提取命令提取出CAD模型的各個表面，與經預處理后的點云數據模型進行比較，精度檢測云圖如圖5所示。由整體精度檢測云圖可看出，最大正值為0.993mm，最大負值為-0.996mm，因發電機端蓋為鑄件模型構建誤差基本控制在±0.5mm之間，因此精度完全滿足其制造要求。

圖4 端蓋的CAD模型

圖5 精度檢測云圖

2 端蓋的快速原型制造

在端蓋樣件的試制過程中，本例選用FDM360mc型工業級3D打印機完成發電機端蓋的制作。3D打印數據格式以STL格式最為常用[8]。本例采用STL文件格式完成模型的分層與切片，在進行分層前應確保重構后的端蓋CAD模型無實體相交及裂縫現象，并且生成的STL文件無漏洞。

由數據處理之后得到的STL文件可能會存在“錯誤”。這些所謂的錯誤雖然在正常的建模軟件中不會顯示，但3D打印對于模型的質量要求較高，若3D打印機在打印過程中模型存在問題打印就會被迫中止，從而導致整個打印過程失敗。為避免這一問題的出現，可在Netfabb軟件中打開用于打印的模型文件進行校驗。若模型全部為綠色顯示并未出現紅色的“嘆號”警示標志時，表明端蓋的STL文件沒有漏洞等相關錯誤，可以直接用于打印。模型在打印前也應綜合比較打印過程中打印材料與支撐材料的耗損和打印時間長短等問題來選擇合適的放置方向，同時也要充分考慮到模型安裝特征的精度、表面質量以及支撐去除難度等問題。本例選擇端蓋口朝下放置在工作臺上，設定好相關的打印技術參數后開始依次執行模型件的分層、支撐創建和刀路軌跡生成等操作。分層后的模型刀路輪廓如圖6所示。分層結束后為保證模型制備滿足強度要求，可顯示刀路寬度并可自底向上逐層查看刀路軌跡是否存在大面積空刀現象。若存在大面積空刀現象，可在其層厚允許的小范圍內進行調整來實現空缺位置材料的填充。

圖6 模型刀路輪廓

在樣件試制時選用的成型材料為ABS，是目前產量最大且應用最為廣泛的聚合物，其熔點較高，具有良好的熱塑性。對于3D打印，模型分層厚度及打印過程中擺放方式對于模型表面粗糙度有較大影響。經實踐證明，在層厚一定的條件下，將重要成型表面作為分層的最頂層完成打印，其表面質量將有較大改善。待打印結束后取出模型，將支撐結構完全溶解后得到的發電機端蓋樣件，如圖7所示。

圖7 發電機端蓋樣件

3 結語

快速原型制造技術對于小批量尤其是單件產品的制造具有顯著的時間和成本優勢。對于多孔類復雜零部件的逆向重構中，在運用正逆向混合建模技術完成模型重構時，對模型點云數據邊界具有鈍化及深孔的位置，運用二次正向設計的方法進行設計可有效提高模型的重構精度。對于鑄件結構端蓋的模型構建誤差基本控制在±0.5mm之間。在端蓋樣件的試制過程中，通過調節端蓋擺放方式以及內部刀路軌跡能夠使產品表面質量與強度得到一定保證。通過端蓋樣件的制備也驗證了正/逆向混合建模與特殊結構二次正向設計聯用的方法可提高模型重構精度的可行性，能夠為多孔類復雜結構零部件的開發提供有效的設計手段。