基于逆向工程與快速成型技術(shù)的某車(chē)燈座開(kāi)發(fā)*

程美 朱旭暉 歐陽(yáng)波儀

（湖南汽車(chē)工程職業(yè)學(xué)院）

隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)零部件生產(chǎn)制造周期和更新?lián)Q代周期都提出了更高要求。汽車(chē)車(chē)燈直接影響汽車(chē)外觀(guān)和使用效果，零件質(zhì)量要求高，更新?lián)Q代快，因此應(yīng)采用快速經(jīng)濟(jì)的零部件開(kāi)發(fā)方法。文章應(yīng)某汽車(chē)車(chē)燈生產(chǎn)廠(chǎng)家要求，根據(jù)其提供的某車(chē)燈座實(shí)物，運(yùn)用三維掃描技術(shù)，獲得實(shí)物表面精確的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再進(jìn)行產(chǎn)品模型重建，得到實(shí)物數(shù)字模型。根據(jù)三維模型進(jìn)行三維打印，加工出產(chǎn)品原型，經(jīng)用戶(hù)審核和修改，確認(rèn)產(chǎn)品符合要求。該產(chǎn)品開(kāi)發(fā)全部過(guò)程僅用了2天時(shí)間，與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造方法相比，從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的周期大大縮短，開(kāi)發(fā)成本顯著降低，產(chǎn)品質(zhì)量完全滿(mǎn)足使用要求。

1 F200卡車(chē)燈座的逆向工程

1.1 逆向工程技術(shù)及其關(guān)鍵技術(shù)

1.1.1 逆向工程技術(shù)

逆向工程（RE）是與“正向設(shè)計(jì)”過(guò)程相對(duì)應(yīng)的新興技術(shù)，是對(duì)實(shí)物模型測(cè)量獲得數(shù)據(jù)，依據(jù)數(shù)據(jù)構(gòu)建出CAD模型，再將這些模型和設(shè)計(jì)表征用于產(chǎn)品的分析和制造[1]。

RE是一個(gè)“從有到有”的過(guò)程，是以已有的產(chǎn)品原型、實(shí)物及影像等作為研究對(duì)象，運(yùn)用系統(tǒng)工程學(xué)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)學(xué)及計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，利用3D數(shù)字化測(cè)量設(shè)備快速測(cè)量出工件的輪廓坐標(biāo)，用CAD軟件加以編輯、修改并建構(gòu)三維模型。

1.1.2 逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)

逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)包括三維測(cè)量、數(shù)據(jù)處理、三維建模、模型分析和評(píng)價(jià)技術(shù)及逆向工程集成等。

1）三維測(cè)量是逆向工程的第1步，是利用三維數(shù)字化測(cè)量設(shè)備，運(yùn)用三維測(cè)量技術(shù)獲得零件表面離散點(diǎn)的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)，如何高效、高精度的獲得實(shí)物表面數(shù)據(jù)是逆向工程實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)之一，現(xiàn)有的三維測(cè)量方法包括接觸式、非接觸式及逐層測(cè)量技術(shù)[2]。

2）為便于三維建模工作，需要完整準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)平滑和過(guò)濾、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)及數(shù)據(jù)分割等一系列的數(shù)據(jù)處理[3]。

3）曲面重建技術(shù)是三維建模中重要技術(shù)之一，是根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)恢復(fù)原始曲面的幾何模型，包括函數(shù)曲面擬合法、矩形域參數(shù)曲面擬合法、三角曲面擬合法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合法[4]。

4）產(chǎn)品能否符合設(shè)計(jì)要求是由模型檢測(cè)和評(píng)價(jià)決定的，是逆向工程的重要特點(diǎn)。模型分析是對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)工程分析，包括有限元分析、注塑工藝分析及運(yùn)動(dòng)模擬；模型評(píng)價(jià)是對(duì)模型精度進(jìn)行評(píng)價(jià)，在造型的數(shù)據(jù)上取一個(gè)參考點(diǎn)，以參考點(diǎn)到評(píng)價(jià)曲面的偏差為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)模型的精度進(jìn)行評(píng)價(jià)[4]。

5）逆向工程與計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量（CAT）、輔助設(shè)計(jì)（CAD）、輔助制造（CAM）及計(jì)算機(jī)輔助工程分析（CAE）密切相關(guān)，各項(xiàng)技術(shù)集成運(yùn)用對(duì)逆向工程的效果起非常關(guān)鍵作用，所以可以認(rèn)為逆向工程是CAT/CAD/CAM/CAE的技術(shù)集成[5]。

1.2 F200卡車(chē)燈座的數(shù)據(jù)采集及三維建模

1.2.1 數(shù)據(jù)采集與處理

文獻(xiàn)[6]研究表明，較高精度大量點(diǎn)云因測(cè)量點(diǎn)集趨于無(wú)窮多，比高精度的小量點(diǎn)云更能實(shí)現(xiàn)精確的形狀描述和曲面擬合、誤差更小。因此，本研究三維測(cè)量采用較高精度的大量點(diǎn)云的采樣方法[7]。采用博維恒信三維掃描系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)自帶掃描軟件中的距離提示，選擇合適距離進(jìn)行掃描，獲得的點(diǎn)云，如圖1所示。

為了獲得完整、正確的測(cè)量數(shù)據(jù)，方便后面的曲面重構(gòu)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將圖1所示的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中因外界干擾形成的點(diǎn)及不在掃描線(xiàn)上的雜點(diǎn)刪除，即降噪處理[8]；將測(cè)量時(shí)出現(xiàn)的對(duì)齊、變形及測(cè)量誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，減少干擾點(diǎn)和誤差等對(duì)重建模型精度的影響。

1.2.2 曲面重構(gòu)與3D造型

數(shù)據(jù)處理完成后，以IGES格式輸出到UG軟件中進(jìn)行曲面的重構(gòu)。首先提取關(guān)鍵截面曲線(xiàn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，選擇互交式剖切截面線(xiàn)，進(jìn)行生成曲線(xiàn)操作；然后尋找壞點(diǎn)并修改壞點(diǎn)的坐標(biāo)值，對(duì)曲線(xiàn)進(jìn)行粗光順和精光順等處理，即完成曲線(xiàn)的光順處理；最后采用曲線(xiàn)生成曲面的方式，進(jìn)行曲面的重構(gòu)。

曲面創(chuàng)建后，對(duì)其進(jìn)行誤差分析和光順品質(zhì)檢查，并運(yùn)用X曲面命令，調(diào)節(jié)曲面控制點(diǎn)，使曲面滿(mǎn)足精度要求。曲面構(gòu)建完成后，對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用偏置等命令構(gòu)建F200卡車(chē)燈座的三維造型，如圖2所示。

圖2 F200卡車(chē)燈座3D造型圖

2 F200卡車(chē)燈座的快速成型

2.1 快速成型技術(shù)及3D打印技術(shù)

2.1.1 快速成型技術(shù)

快速成型（RP）技術(shù)是基于“增材”加工法將三維模型制造成三維實(shí)體原型的一項(xiàng)技術(shù)[8]，是當(dāng)今世界上發(fā)展最快的制造技術(shù)。該技術(shù)應(yīng)用于新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，不但能節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間，而且能精確體現(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和準(zhǔn)確的模型依據(jù)，減少?zèng)Q策工作中的不正確因素。

RP制造的主流工藝有10多種，其中光固化成型（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）等相對(duì)成熟且應(yīng)用廣泛，各種工藝的差別在于使用的成型原材料及每層輪廓的成型方法[9]。

2.1.2 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)作為第3次工業(yè)革命的代表性技術(shù)之一，是通過(guò)“分層制造，逐層疊加”的原理，將其一層層疊加，把計(jì)算機(jī)中的三維效果圖打印出三維實(shí)體[10]。3D打印的基本過(guò)程，如圖3所示。首先在計(jì)算機(jī)中創(chuàng)建三維數(shù)字模型，然后按照一定規(guī)律在Z方向離散成有序片層；根據(jù)片層信息，輸入加工參數(shù)，生成加工代碼；最后3D打印機(jī)噴頭在程序控制下沿輪廓路徑噴出材料，上下材料粘接在一起，得到三維實(shí)體。3D打印技術(shù)依據(jù)所用材料的性質(zhì)及片層結(jié)構(gòu)的生成方式不同，大致可分為光敏樹(shù)脂選擇性固化工藝（SLA）、SLS及絲狀材料選擇性熔覆工藝（FSM）。

圖3 3D打印基本原理圖

2.2 F200卡車(chē)燈座的3D打印

F200卡車(chē)燈座的快速成型是運(yùn)用絲狀材料選擇FDM工藝，選用UP Plus 2三維打印機(jī)進(jìn)行3D打印，該設(shè)備不需要使用激光器等耗材，采用雙噴頭系統(tǒng)，一個(gè)噴零件材料，另一個(gè)噴支撐材料，控制軟件Aurora具有分層和控制功能。具體操作過(guò)程為：將F200卡車(chē)燈座三維模型（STL格式文件）載入三維打印機(jī)；通過(guò)自動(dòng)布局的方式，將模型垂直放置在平臺(tái)正中央；初始化打印機(jī)后，將噴頭高度校準(zhǔn)至距離打印平臺(tái)0.2 mm；檢查噴嘴與打印機(jī)平臺(tái)的距離，并調(diào)平打印機(jī)平臺(tái)后，將平臺(tái)固定；設(shè)置如圖4所示的打印參數(shù)；設(shè)置溫度達(dá)到100℃時(shí)開(kāi)始打印，打印完成后，取出模型，去除支撐材料，獲得三維打印實(shí)體。

圖4 F200卡車(chē)燈座打印參數(shù)設(shè)置界面

經(jīng)過(guò)上述一系列的3D打印操作和處理，最后得到F200卡車(chē)燈座的產(chǎn)品原型，如圖5所示。經(jīng)檢測(cè)，F(xiàn)200卡車(chē)燈座3D打印原型各項(xiàng)指標(biāo)完全符合設(shè)計(jì)要求。

圖5 F200卡車(chē)燈座產(chǎn)品3DP原型

3 結(jié)論

文章基于RE和RP技術(shù)完成了對(duì)F200卡車(chē)燈座三維模型的重構(gòu)、分析及快速成型制造等方面的工作。結(jié)果表明：RE技術(shù)是一種能夠精確表達(dá)和重現(xiàn)產(chǎn)品模型的新設(shè)計(jì)技術(shù)，其與RP技術(shù)的結(jié)合和一體化，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)、修改及性能測(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(kāi)發(fā)周期、降低開(kāi)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(jìng)爭(zhēng)力和經(jīng)濟(jì)效益。