3D技術(shù)在機(jī)械零部件逆向工程中的應(yīng)用與探究

郭曉鑫

（晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，晉中 030600）

機(jī)械零部件逆向工程就是從具體模型中獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，然后在三維或是二維基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)構(gòu)造。隨著我國(guó)3D掃描與打印技術(shù)快速發(fā)展，在一定程度上全面推動(dòng)了機(jī)械零部件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)與制造進(jìn)程，有效改變了過(guò)去傳統(tǒng)制造行業(yè)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)進(jìn)程，在3D技術(shù)推動(dòng)下能夠創(chuàng)新機(jī)械行業(yè)全新的三維制造線路，推動(dòng)了機(jī)械零部件逆向工程發(fā)展。

1 機(jī)械零部件逆向工程概述

機(jī)械零部件逆向工程是產(chǎn)品再現(xiàn)方式，也是對(duì)某項(xiàng)產(chǎn)品進(jìn)行逆向研究。通常采用的的研究方式都是從部分到整體的研究，而逆向就是從整體到部分研究。從逆向工程方面能夠獲取各類(lèi)機(jī)械零部件基本功能、結(jié)構(gòu)體系、處理方式等數(shù)據(jù)，這樣能夠更好地發(fā)揮出產(chǎn)品的應(yīng)用價(jià)值。從目前逆向工程基本發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，逆向工程有助于對(duì)各類(lèi)知識(shí)產(chǎn)權(quán)起到良好的保護(hù)性作用，機(jī)械零部件逆向工程就是對(duì)技術(shù)應(yīng)用的有效保障。將3D打印與機(jī)械零部件逆向工程進(jìn)行有效結(jié)合，便于對(duì)零部件進(jìn)行外部觀察以及數(shù)據(jù)保留，在傳統(tǒng)零部件逆向工程中正常情況下都是對(duì)CAD軟件進(jìn)行應(yīng)用，在應(yīng)用軟件基礎(chǔ)上全面刪除空間中多余的三維立體圖像，其中，應(yīng)用中最大缺點(diǎn)就是具有較大的不完整性，在零部件各項(xiàng)構(gòu)造中有較多結(jié)構(gòu)問(wèn)題，通過(guò)直觀肉眼判斷很難進(jìn)行觀察，通過(guò)CAD結(jié)構(gòu)就能有效彌補(bǔ)此部分存在的不足之處。在機(jī)械零部件逆向工程中，通過(guò)合理應(yīng)用3D打印技術(shù)能夠優(yōu)化對(duì)零部件的細(xì)節(jié)處理，因?yàn)?D打印技術(shù)大多都是選取激光掃描技術(shù)，通過(guò)電腦對(duì)激光掃描基本運(yùn)作進(jìn)行控制，在確保掃描精確性基礎(chǔ)上保留零部件部分掃描細(xì)節(jié)，然后對(duì)零部件進(jìn)行持續(xù)性研究，為后續(xù)各項(xiàng)工作開(kāi)展奠定相應(yīng)的基本條件[1]。

2 3D技術(shù)發(fā)展概況分析

3D技術(shù)在尚未進(jìn)行全面推廣時(shí)，主要是在工業(yè)設(shè)計(jì)以及模具制造中進(jìn)行應(yīng)用。隨著社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域發(fā)展，目前諸多實(shí)體物體需要應(yīng)用3D技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建，比如在建筑材料、工業(yè)建造等方面的應(yīng)用。3D技術(shù)主要是由3D成型技術(shù)與3D數(shù)據(jù)采集技術(shù)構(gòu)成，其中3D數(shù)據(jù)采集技術(shù)是由過(guò)去傳統(tǒng)的機(jī)械式三坐標(biāo)采集與激光掃描采集技術(shù)構(gòu)成，在正常采集過(guò)程中會(huì)選用傳統(tǒng)的量具對(duì)零部件各個(gè)尺寸進(jìn)行測(cè)量，效率較低且誤差數(shù)值較大。激光掃描采集技術(shù)將三維激光掃描儀應(yīng)用與三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x有效結(jié)合，通過(guò)與諸多軟件進(jìn)行交互應(yīng)用，能夠?qū)Ξa(chǎn)品進(jìn)行三維數(shù)字化建模。3D成型技術(shù)是由不同技術(shù)構(gòu)成，主要有3D機(jī)械加工技術(shù)、打印技術(shù)，其中打印技術(shù)有光聚合打印技術(shù)、粒狀物料成型技術(shù)、熔融擠壓技術(shù)。

2.1 3D數(shù)據(jù)采集技術(shù)

3D激光掃描技術(shù)是近些年應(yīng)用發(fā)展的新技術(shù)，此技術(shù)是在應(yīng)用激光測(cè)距的原理，通過(guò)對(duì)被測(cè)量物體表面密集點(diǎn)三維坐標(biāo)以及紋理和反射率等相關(guān)信息進(jìn)行測(cè)量記錄，能夠快速測(cè)量出三維模型以及多個(gè)圖件數(shù)據(jù)。當(dāng)前3D激光掃描系統(tǒng)主要是由多個(gè)部分構(gòu)成，主要有便捷式激光掃描頭、數(shù)據(jù)處理器、動(dòng)作捕捉儀、移動(dòng)工作站等。激光發(fā)射器對(duì)各類(lèi)零部件進(jìn)行測(cè)量之后，被測(cè)量零件能夠通過(guò)傳感器補(bǔ)助相關(guān)數(shù)據(jù)，然后通過(guò)數(shù)據(jù)處理器以及工作站生成云模型數(shù)據(jù)。在3D激光掃描過(guò)程中，在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上需要放置被測(cè)零件，再將旋轉(zhuǎn)平臺(tái)放置在測(cè)量平臺(tái)上，需要將測(cè)量平臺(tái)放置在可視范圍內(nèi)。激光發(fā)射器將激光發(fā)射到被測(cè)物體表面，然后經(jīng)過(guò)激光接收儀器傳輸?shù)教幚砥髦校谝苿?dòng)工作站基礎(chǔ)上能夠進(jìn)行信息處理生成相關(guān)數(shù)據(jù)模型[2]。

2.2 3D打印

3D打印機(jī)和傳統(tǒng)打印機(jī)之間具有相同的應(yīng)用原理，過(guò)去傳統(tǒng)打印機(jī)噴頭主要是在X、Y方面進(jìn)行移動(dòng)，新型3D打印機(jī)能夠在X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)。將3D打印機(jī)導(dǎo)入到三維模型之后能夠在控制器控制應(yīng)用中進(jìn)行3D打印。此外，3D打印應(yīng)用的基本涂料不是墨水，而是根據(jù)實(shí)際要求選取金屬、塑料、砂、陶瓷等材料。將電腦和打印機(jī)進(jìn)行有效連接，然后通過(guò)電腦執(zhí)行控制功能。通過(guò)重復(fù)性疊加將各類(lèi)打印材料將三維圖形設(shè)置為立體實(shí)物，3D技術(shù)能夠?qū)Χ囝?lèi)材料進(jìn)行應(yīng)用，并且在不同的層組合成不同部件[3]。

3 3D技術(shù)在機(jī)械零部件逆向工程中的應(yīng)用探析

3.1 三維掃描

本文主要是以實(shí)現(xiàn)礦山排水用葉輪3D打印為例，對(duì)部件3D基本打印流程進(jìn)行全面說(shuō)明。首先要選取礦山排水用葉輪，然后對(duì)零件基本應(yīng)用情況進(jìn)行分析，及時(shí)清除損壞的零件，結(jié)合零件實(shí)際情況選取最合適的掃描方案。對(duì)實(shí)際測(cè)試的零部件進(jìn)行及時(shí)清理，清除零件中存在雜質(zhì)，這樣能夠全面提升數(shù)據(jù)采集的精確性。采取三維掃描，本文中采取的掃描方式主要是在零部件的表層貼上控制標(biāo)靶的方式進(jìn)行掃描，可以貼上4個(gè)左右的控制標(biāo)靶，然后通過(guò)動(dòng)作捕捉儀器對(duì)零件基本空間位置進(jìn)行有效定位。從圖1展示中可以看出，手持便捷式激光掃描頭主要是從不同角度對(duì)零件進(jìn)行激光掃描，實(shí)際掃描過(guò)程中需要確保零件能夠在視線獲取范圍內(nèi)，從而保證各個(gè)動(dòng)作捕捉激光探頭獲取信息的暢通性，避免信號(hào)問(wèn)題產(chǎn)生較多的錯(cuò)誤信息。由便捷式激光頭所獲得的各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)，通過(guò)有效處理之后傳遞到工作站中，然后在計(jì)算機(jī)中通過(guò)三維形式進(jìn)行掃描，展示出三維圖形以及成像記錄，這樣便于技術(shù)人員與計(jì)算機(jī)之間配合應(yīng)用。再采取三維數(shù)據(jù)處理軟件經(jīng)過(guò)有效處理之后導(dǎo)出生產(chǎn)中所需的云格式。

3.2 數(shù)據(jù)處理與建模環(huán)節(jié)

后期各項(xiàng)操作中需要對(duì)前期獲取的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，然后將各項(xiàng)數(shù)據(jù)全面導(dǎo)入到Geomagic Studio進(jìn)行綜合性處理，簡(jiǎn)化各項(xiàng)操作步驟然后導(dǎo)入CATLA軟件中進(jìn)行曲面重構(gòu)，這樣能夠有效降低數(shù)據(jù)掃描過(guò)程中產(chǎn)生的各項(xiàng)誤差，從人為方面對(duì)誤差問(wèn)題進(jìn)行控制。其次，還需要對(duì)零件中產(chǎn)生的破損問(wèn)題進(jìn)行及時(shí)修復(fù)，確保三維模型數(shù)據(jù)更加合理，然后再將三維數(shù)據(jù)傳輸?shù)?D打印機(jī)中進(jìn)行有效打印。

3.3 排水用葉輪3D打印

目前針對(duì)3D打印可以采取兩種不同方式實(shí)現(xiàn)打印，首先可以將3D打印與反模鑄造技術(shù)進(jìn)行有效結(jié)合，其次是通過(guò)應(yīng)用3D金屬打印機(jī)打印出相應(yīng)的零件毛坯，然后再采取精加工措施，本文主要應(yīng)用ABS工程塑料打印出相應(yīng)的零件模型。通過(guò)將3D技術(shù)與機(jī)械零部件逆向工程進(jìn)行有效結(jié)合，能夠快速獲取三維數(shù)據(jù)、逆向設(shè)計(jì)三維等，還能對(duì)3D打印結(jié)束的機(jī)械零部件進(jìn)行加工制造，對(duì)機(jī)械設(shè)備由于損壞導(dǎo)致的運(yùn)行問(wèn)題進(jìn)行控制，具有重要促進(jìn)作用。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，3D技術(shù)發(fā)展較快，在3D技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中仍舊存在較多問(wèn)題。隨著工業(yè)化進(jìn)程不斷加快，3D打印技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中各項(xiàng)操作還會(huì)不斷完善，應(yīng)用穩(wěn)定性會(huì)有效提升，在社會(huì)生活與發(fā)展中穩(wěn)定應(yīng)用。過(guò)去傳統(tǒng)機(jī)械零部件逆向工程能不斷完善，改變傳統(tǒng)機(jī)械零部件逆向工程中存在的問(wèn)題，技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)著現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展，能夠?yàn)楣I(yè)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。