基于逆向工程的產(chǎn)品快速制造的研究

范同華， 孫勇

（江蘇省鹽城技師學(xué)院，江蘇鹽城224002）

0 引言

在當(dāng)前激烈的市場(chǎng)競爭下，為了縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期、降低試制成本和提高企業(yè)競爭力，目前制造業(yè)正在逐步采用逆向工程和快速成型（RP）技術(shù)一體化的先進(jìn)制造模式來完成產(chǎn)品的快速數(shù)字化建模和快速成型制造（RPM）。逆向工程是基于新的設(shè)計(jì)思想和方法的一種設(shè)計(jì)技術(shù)，針對(duì)已有實(shí)物樣件（尤其是復(fù)雜不規(guī)則的自由曲面）原型，通過采集物體表面空間的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用軟件重構(gòu)物體的三維CAD模型；快速成型技術(shù)是在零件CAD模型(或其它數(shù)據(jù)模型)基礎(chǔ)上采用適當(dāng)?shù)某尚凸に嚪椒▽⒏鞣N形狀復(fù)雜的實(shí)物樣件原型快速制造出來，可以極大地縮短產(chǎn)品的制造周期和降低開發(fā)成本。因此，逆向工程與快速成型技術(shù)的結(jié)合和一體化，在制造業(yè)尤其是機(jī)械設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域(CAD/CAM)中的發(fā)展日趨重要，對(duì)新產(chǎn)品特別是復(fù)雜型面產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)開發(fā)和快速成型制造方面將產(chǎn)生重大的現(xiàn)實(shí)意義［1-3］。

本文以吸塵器產(chǎn)品為研究對(duì)象，借助三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)得其表面若干空間離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用UG NX6.0完成對(duì)其點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型的處理、曲線曲面的擬合、誤差和精度的分析以及三維CAD實(shí)體模型的重建，并在此基礎(chǔ)上，基于快速成型技術(shù)采用3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)吸塵器原型的快速成型制造，從而為后續(xù)對(duì)新產(chǎn)品的快速評(píng)價(jià)、結(jié)構(gòu)驗(yàn)證和性能測(cè)試等方面打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 逆向工程的基本原理

逆向工程是近年來在計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控測(cè)量技術(shù)以及CAD/CAM技術(shù)基礎(chǔ)上迅速發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，通常用來執(zhí)行基于實(shí)物或樣件的仿制和開發(fā)工作，特別是對(duì)于沒有原始幾何信息的模型或零件，逆向工程是完成它們精確幾何造型的唯一手段，加之開發(fā)方式簡單、周期短、成本低，故在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域有著廣泛的技術(shù)需求［4-5］。

圖1 逆向工程工作流程圖

逆向工程的基本過程：針對(duì)現(xiàn)有實(shí)物或樣件尤其是復(fù)雜不規(guī)則的自由曲面原型，利用3D數(shù)字化測(cè)量儀器準(zhǔn)確、快速地測(cè)量出其表面三維離散數(shù)據(jù)作為初始素材，借助曲面處理軟件和CAD/CAM構(gòu)造實(shí)物或樣件的三維CAD模型，輸出NC加工代碼或STL文件驅(qū)動(dòng)快速成型機(jī)制造出原型或產(chǎn)品。逆向工程的工作流程如圖1所示。

2 逆向工程及其實(shí)現(xiàn)過程

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是指采用某種測(cè)量方法和設(shè)備測(cè)量出實(shí)物樣件各表面若干組點(diǎn)的幾何坐標(biāo)，是逆向工程實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵操作，它可由多種方式實(shí)現(xiàn)［5］。在表面數(shù)字化技術(shù)中，根據(jù)測(cè)量探頭是否接觸零件表面，數(shù)據(jù)的采集方法可以分為接觸式和非接觸式兩大類，其中接觸式（尤以三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)）為典型代表，因其效率高、精度相對(duì)精確，故在實(shí)際應(yīng)用中最為廣泛。考慮到吸塵器材質(zhì)為硬質(zhì)塑料、結(jié)構(gòu)對(duì)稱、定位相對(duì)容易等特點(diǎn)，故本文采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)其模型表面進(jìn)行三維數(shù)據(jù)的采集。

為了保證測(cè)量準(zhǔn)確度和造型方便，根據(jù)吸塵器待測(cè)曲面的幾何（曲率）特性，基于外形測(cè)量的數(shù)據(jù)分割方法，將其分成頭部、身部、尾部和柄部等不同曲面域，并對(duì)曲面的輪廓、孔槽邊界、表面脊線等特征進(jìn)行標(biāo)志，以便后面分層處理及顯示；在對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)完成組裝和校準(zhǔn)三維測(cè)頭、設(shè)置觸頭參數(shù)等準(zhǔn)備工作的基礎(chǔ)上，采用環(huán)形測(cè)量或行測(cè)量優(yōu)化測(cè)量路徑的方式，分橫向和縱向?qū)ξ鼔m器外表面進(jìn)行等距自動(dòng)打點(diǎn)測(cè)量，獲得其1/2模型表面的三維數(shù)據(jù)（點(diǎn)云數(shù)據(jù)）模型如圖2所示，最后將采集的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)保存為IGES格式文件導(dǎo)出。

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型

2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是逆向工程的關(guān)鍵一步，結(jié)果將直接影響后期CAD模型重構(gòu)的質(zhì)量。由三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)獲得的吸塵器表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)比較龐大，而處理該數(shù)據(jù)就是從中識(shí)別和抽取原型的幾何特征信息。

由于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)所運(yùn)用的測(cè)量方法、誤差處理方式以及周圍環(huán)境等因素的影響，使采集到的吸塵器點(diǎn)云數(shù)據(jù)尤其在尖銳邊和邊界附近的測(cè)量數(shù)據(jù)不可避免地受到噪聲的污染，同時(shí)在凹陷區(qū)域還會(huì)產(chǎn)生測(cè)量盲區(qū)，所以在曲線曲面擬合之前必須對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、去噪、平滑、精簡、分割和基準(zhǔn)重建等工作，以保證后期模型重建的質(zhì)量。文獻(xiàn)［6］、［7］詳細(xì)講述了有關(guān)逆向工程數(shù)據(jù)處理的過程和方法，這里不再贅述。

2 .3 三維C A D模型重構(gòu)

逆向工程的曲面重構(gòu)基本遵循“點(diǎn)-曲線-曲面”的原則。在曲面構(gòu)建之前，應(yīng)根據(jù)需要判斷和決定生成哪種類型的曲線，最終目標(biāo)是希望生成準(zhǔn)確度高且光順性好的曲線曲面。逆向工程創(chuàng)建曲面的方法主要有基于曲線的模型重構(gòu)、曲面片直接擬合模型和基于特征及約束的模型重構(gòu)三種［7］。

本文采用基于曲線的模型重構(gòu)方法，利用UG NX6.0實(shí)現(xiàn)對(duì)吸塵器三維CAD實(shí)體模型的重建，具體操作過程如圖3所示。

2.3.1 曲線擬合

根據(jù)吸塵器的幾何特征，先對(duì)其點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分層處理，即把相同的數(shù)據(jù)類型放置同一層中，不同的數(shù)據(jù)類型標(biāo)識(shí)不同顏色分別設(shè)置圖層，以使后面擬合方便。在構(gòu)造曲線的過程中，根據(jù)吸塵器的形狀和特征確定哪些點(diǎn)或線是可用的，哪些點(diǎn)或線是細(xì)化特征的，通過插值或逼近的方法將數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合成樣條曲線（或參數(shù)曲線）。

圖3 模型重構(gòu)流程圖

在UG NX6.0環(huán)境下，本文主要通過曲線/樣條曲線/通過點(diǎn)的命令操作方式構(gòu)造吸塵器的外形曲線，保證曲線盡量簡單、光順連續(xù)且無尖角、交叉和重疊［8］。為使后續(xù)自由曲面延展后仍具有較好的準(zhǔn)確性和光順性，通過改變控制點(diǎn)的數(shù)目來調(diào)整曲線，同時(shí)采用直線擬合曲線兩端的方法來構(gòu)造所需曲線。

曲線進(jìn)行光順處理的過程可以分為三步：1）尋找壞點(diǎn)，并修改壞點(diǎn)的坐標(biāo)值；2）粗光順，使曲線上各段的曲率符號(hào)一致，保證曲線單凸性或單凹性；3）精光順，使曲線上各段的曲率變化均勻，滿足光順的要求。

2.3.2 曲面重構(gòu)

完成吸塵器的特征曲線構(gòu)造后，即可開始面的創(chuàng)建及造型。在構(gòu)造曲面的過程中，須對(duì)所用曲線進(jìn)行曲率分析，避免造成曲面的不光順；盡量避免使用高階次的曲面，過高的階次不僅帶來曲面調(diào)整的困難，而且很難保證曲面的光順度；盡量避免構(gòu)造非參數(shù)化的曲面，參數(shù)化的曲面會(huì)給曲面的調(diào)整帶來極大的方便。

在UG NX6.0環(huán)境下，基于最小二乘曲面擬合原理，本文主要通過網(wǎng)格曲面/曲線組的命令操作方式，分別對(duì)吸塵器的各個(gè)曲面進(jìn)行擬合。由于重構(gòu)的曲面片之間可能存在著裂縫或缺少曲面邊界信息等原因，使得表示吸塵器模型的幾何信息和拓?fù)湫畔⒉粔蛲暾?，因此完成曲面片重?gòu)后須對(duì)其進(jìn)行細(xì)部特征設(shè)計(jì)，通過延伸、相交、裁剪、過渡、倒圓等曲面編輯手段將多個(gè)曲面片連貫成一個(gè)整體，得到其曲面模型如圖4所示。

圖4 曲面模型

2.3.3 誤差分析

對(duì)生成的吸塵器曲面進(jìn)行誤差分析，其實(shí)質(zhì)就是對(duì)構(gòu)建的曲面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差對(duì)比分析，比較結(jié)果通過用彩色云圖將差異顯示出來，如圖5所示。若點(diǎn)云剛好在曲面上，即點(diǎn)云與曲面之間沒有誤差，則誤差顯示為0。假定把“0”看成是真值，則點(diǎn)云與曲面的誤差可以看成是測(cè)量值與真值之差。由圖5可見，吸塵器的重構(gòu)曲面與點(diǎn)云誤差基本落在±0.2 mm范圍內(nèi)，僅在腰部凸起過渡處個(gè)別微小區(qū)域誤差達(dá)到0.47mm、眼部附近一處達(dá)到0.49mm，故僅需對(duì)這兩處的曲線或曲面進(jìn)行修改或重新構(gòu)建，使誤差控制在符合逆向造型的一般公差要求范圍內(nèi)（±0.3 mm），這樣重構(gòu)的吸塵器曲面模型就完全符合高精度NURBS曲面的標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 點(diǎn)云與曲面誤差分析圖

由于吸塵器的整個(gè)曲面是由多個(gè)子曲面拼接處理而成，在滿足精度的前提下，還應(yīng)對(duì)曲面之間的連續(xù)性進(jìn)行分析。分別選取兩相鄰連接處的曲面邊界線，并設(shè)置相應(yīng)參數(shù)（位置為0.0010、相切為0.0500及曲率為0.0010）進(jìn)行連續(xù)性分析，檢測(cè)結(jié)果顯示各曲面之間滿足連續(xù)性要求。

2.3.4 實(shí)體模型

在吸塵器曲面模型重構(gòu)合格的基礎(chǔ)上，通過縫合加厚命令和片體加厚命令等對(duì)其曲面模型進(jìn)行操作處理，即可得到吸塵器的三維CAD實(shí)體模型（圖略），最后將模型保存為二進(jìn)制的STL格式文件導(dǎo)出。

3 基于3DP的產(chǎn)品快速制造

3.1 快速成型原理

快速成型（RP）又稱快速原型，可以快速自動(dòng)地將設(shè)計(jì)思想物化為具有結(jié)構(gòu)和功能的原型或直接制造零部件。與傳統(tǒng)制造方法不同，快速成型技術(shù)從零件的三維CAD實(shí)體模型出發(fā)，通過分層離散軟件和數(shù)控成型系統(tǒng)，用融熔和粘結(jié)等特殊的工藝方法將復(fù)雜的三維實(shí)體制造轉(zhuǎn)化為一系列二維層制造的疊加，故可以在沒有模具和工具的條件下生成任意形狀的實(shí)體原型或產(chǎn)品，極大地提高生產(chǎn)效率和柔性制造，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的快速評(píng)價(jià)和修改?？焖俪尚椭圃斓墓に囘^程主要分為4個(gè)步驟：

1）建模。包括工件三維CAD模型的構(gòu)造和近似處理，具體操作過程和方法如前所述。

2）切片。將三維CAD模型轉(zhuǎn)化為RPM系統(tǒng)能接受的格式文件（如STL），然后運(yùn)用切片軟件將模型分層，即在成型高度方向上用一系列一定間隔的平面切割模型，以便提取截面的輪廓信息。

3）成型。根據(jù)切片處理的截面輪廓，由數(shù)控掃描裝置對(duì)各截面輪廓形狀進(jìn)行逐層掃描，通過加熱加壓等方式使成型材料在工作臺(tái)上一層一層堆積成型，然后將各層粘結(jié)便可得到成型產(chǎn)品。

4）后處理。對(duì)成型件進(jìn)行剝離、修補(bǔ)、打磨、拋光等處理，降低表面粗糙度、提高強(qiáng)度等。

3.2 快速成型制造

快速成型制造（RPM）技術(shù)是基于快速成型原理將設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思想自動(dòng)、直接、快速地轉(zhuǎn)化成三維實(shí)物原型，不僅能節(jié)省大量時(shí)間，而且能精確地體現(xiàn)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)理念，為產(chǎn)品的評(píng)審決策工作提供直接、準(zhǔn)確的模型依據(jù)，減少?zèng)Q策工作中的不正確因素。

目前快速成型的工藝方法已有10多種，其中相對(duì)成熟且應(yīng)用廣泛的有光固化成型（SLA）、分層實(shí)體制造（LOM）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、熔絲沉積制造（FDM）及三維打印（3DP）等，它們都是基于“增材”加工法的原理，差別在于使用的成型原材料及每層輪廓的成型方法［9］。

基于三維打印技術(shù)，本文采用北京太爾時(shí)代公司的3D打印機(jī)（型號(hào)：UP Plus2；打印材料：白色ABS）對(duì)吸塵器三維CAD實(shí)體模型進(jìn)行快速成型制造。具體操作過程如下：1）將吸塵器的三維CAD實(shí)體模型（STL格式文件）載入到3D打印機(jī)中；2）通過自動(dòng)布局的方式，將模型垂直放置在平臺(tái)的中央位置；3）初始化打印機(jī)；4）校準(zhǔn)噴頭高度，該高度以工作時(shí)噴嘴距離打印平臺(tái)0.2 mm時(shí)噴頭的高度為佳；5）調(diào)平打印平臺(tái)，檢查噴嘴和打印平臺(tái)4個(gè)角的距離是否一致；6）固定打印平臺(tái)并設(shè)置打印參數(shù)(如圖6所示）；7）打印預(yù)熱，設(shè)置溫度達(dá)到100℃時(shí)開始打?。?）移除材料，當(dāng)模型打印完成后，通過鏟刀慢慢撬動(dòng)模型，直至從工作臺(tái)上取下模型；9）去除支撐材料，使用鋼絲鉗或者尖嘴鉗移除支撐材料。

圖6 打印參數(shù)設(shè)置界面

經(jīng)過上述一系列的3D打印操作和處理，最后得到吸塵器的產(chǎn)品原型如圖7所示。經(jīng)檢測(cè)，吸塵器3DP原型各項(xiàng)指標(biāo)完全符合設(shè)計(jì)要求。

圖7 產(chǎn)品3DP原型

4 結(jié)語

本文對(duì)逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、曲線曲面擬合、CAD模型重建以及快速成型制造等方面進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，并基于逆向工程和快速成型技術(shù)完成了對(duì)吸塵器三維CAD模型的重構(gòu)和分析以及快速成型制造等方面的工作。研究表明：逆向工程技術(shù)是一種能夠精確表達(dá)和重現(xiàn)產(chǎn)品模型的新的設(shè)計(jì)技術(shù)，其與快速成型技術(shù)的結(jié)合和一體化，為新產(chǎn)品尤其是復(fù)雜型面產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)與快速制造提供了更為廣闊的平臺(tái)，可以高效自動(dòng)地將設(shè)計(jì)思想物化為具有結(jié)構(gòu)和功能的原型或直接制造零部件，這為后續(xù)對(duì)新產(chǎn)品進(jìn)行快速評(píng)價(jià)、修改和性能測(cè)試等方面提供了有力的依據(jù)，同時(shí)能夠大幅縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低開發(fā)成本、避免產(chǎn)品研發(fā)失敗的風(fēng)險(xiǎn)、提高企業(yè)的競爭力和經(jīng)濟(jì)效益。

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