連桿的逆向創(chuàng)新與3D打印在工業(yè)產品數(shù)字化設計與制造教學和競賽中的研究

陳亞梅

摘 要：逆向創(chuàng)新和3D打印技術已經成為工業(yè)產品數(shù)字化設計與制造的熱點。本研究以連桿產品為例，探討了連桿的三維數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預處理、逆向建模、創(chuàng)新設計、3D打印和數(shù)控加工等要點，為高職院校工業(yè)產品數(shù)字化設計與制造教學和競賽提供參考。

關鍵詞：逆向創(chuàng)新;3D打印;連桿

0 引言

逆向工程（Reverse Engineering，RE）又稱之為反求工程、反向工程，即對現(xiàn)有的零件或實物原型，利用三維數(shù)字化測量設備準確、快速地測量出實物表面的三維坐標點，并根據(jù)這些坐標點通過三維幾何建模方法重構實物CAD模型的過程。逆向工程設計的典型工作流程如圖1所示。

3D打印技術是一種新型的快速成型技術，稱之為“未來制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢”。3D打印技術又稱為“增材制造”（Additive Manufacturing）技術，是一種基于計算機輔助設計的、主要采用逐層疊加制造方式將材料緊密結合在一起的工藝方法，主要分為選擇性激光燒結（SLS）、選擇性激光熔化（SLM）、直接金屬激光燒結（DMLS）、電子束選區(qū)熔化（EBSM）等，3D打印技術被譽為“第三次工業(yè)革命標志性的生產工具”。

本文以連桿為例，講述了連桿產品的三維數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預處理、逆向建模、創(chuàng)新設計、3D打印和數(shù)控加工等研究要點，為高職院校工業(yè)產品數(shù)字化設計與制造教學和競賽提供參考。

1 連桿設計與加工

1.1 三維數(shù)據(jù)采集

三維掃描設備采集點云數(shù)據(jù)是逆向工程設計的最初階段，是進行產品最終制造前進行CAD創(chuàng)新設計的先期基礎。連桿如圖2所示，三維數(shù)據(jù)采集可以分為接觸式和非接觸式兩種。本文采用非接觸式三維數(shù)據(jù)采集中的照相掃描法，使用如圖3所示的Win3DD單目型支架式三維掃描儀對連桿進行三維掃描，獲取連桿的點云數(shù)據(jù)。連桿正反面三維數(shù)據(jù)采集結果如圖4所示。

1.2 數(shù)據(jù)預處理

利用Geomagic Wrap軟件對前期采集三位數(shù)據(jù)進行點云數(shù)據(jù)預處理，主要處理分析步驟為精簡數(shù)據(jù)、降低噪音、異常點處理、修補破洞、消除特征等，封裝后的“*.stl”格式的三角片面效果如圖5所示。

1.3 逆向建模

利用Geomagic DesignX對連桿預處理后的三維數(shù)據(jù)進行逆向建模，對經點云數(shù)據(jù)預處理后的“*.stl”三角面片數(shù)據(jù)進行自動面片擬合，生成曲面（或曲面片），經過一系列曲面編輯，如過渡、拼接（縫合）和剪裁等，完成完整的曲面模型構建，得到了逆向的三維數(shù)字模型，如圖6所示。運用Geomagic Control軟件的功能并通過偏差圖譜分析了建模精度，主要有2D比較和3D比較兩種方法，過程點采樣分析如圖7所示，完成成型面精度和產品品質的檢測。

1.4 創(chuàng)新設計

如圖2所示連桿零件的大頭在實際應用中與曲軸連接，隨著曲軸一起做旋轉運動，整個搖臂桿零件在工作中，除承受來自活塞的壓力外，還要承受縱向和橫向的慣性力。同時連桿裝卸不太方便。創(chuàng)新設計點：拆分整體式連桿，搖臂桿的大頭設計兩個平凸臺，用螺栓連接固定，凸臺上設計兩個直接為?9的孔，凸臺的寬度設為螺栓孔的1.5倍，為了防止工作人員碰傷以及應力集中，對各個部位進行了倒圓角處理，創(chuàng)新后的連桿便于裝配與拆卸，外形設計美觀，結構合理，符合機械加工工藝。利用NX10/CAD模塊對連桿進行建模設計，效果如圖8所示。

1.5 3D打印快速成型

創(chuàng)設設計后的連桿在實際機械加工之前需要驗證其裝機效果驗證，先利用3D打印技術快速成型零件實物予以驗證裝機效果。3D打印技術又稱為“增材制造”（Additive Manufacturing）技術，是一種基于計算機輔助設計的、主要采用逐層疊加制造方式將材料緊密結合在一起的工藝方法。運用Makerbot軟件對連桿NX10/CAD的“*.stl”文件進行切片等處理，使用Replicator Z18打印機進行實物打印，打印實物如圖9所示。

1.6 數(shù)控加工與裝配

快速打印的模型經過裝機驗證后，進入連桿的數(shù)控加工和裝配階段。首先完成加工工藝的編制，然后在NX10/CAM加工模塊中完成刀具的選擇，加工的模擬，程序的生成及后處理等，連桿是整體加工，數(shù)控加工完成后兩邊臺階鉆孔，最后鋸斷。使用內六角螺釘、防滑墊片、平墊片及螺母完成連桿裝配，實物效果如圖10所示。

2 結束語

逆向創(chuàng)新設計技術和3D打印快速成型技術在工業(yè)產品數(shù)字化設計與制造中已經得到了廣泛的應用，并成為熱點。本文以連桿產品為例，在原有的產品實物基礎之上進行三維數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預處理、逆向建模等步驟完成連桿逆向工程，創(chuàng)新設計后的建模文件通過3D打印技術完成產品的快速成型，裝機驗證，最后通過數(shù)控加工的方法完成連桿的實際加工，最終裝配成型。整個過程為高職院校工業(yè)產品數(shù)字化設計與制造教學和競賽提供參考。

參考文獻：

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[2]劉斌.基于3D打印的隨形冷卻水道注塑模具設計[J].工程塑料應用，2015（10）：71-74.

[2]魏青松，李繼康等.“新工科”下3D打印前言學科三位一體多維度教學模式研究[J]，2020（09）：10-14.