3D技術(shù)在機械零部件逆向工程中的應用

吳鈞

江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學院鎮(zhèn)江分院（鎮(zhèn)江高等職業(yè)技術(shù)學校），江蘇鎮(zhèn)江，212016

0 引言

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代機械零部件設計制造技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新與提高，特別是3D技術(shù)的發(fā)展，給機械零部件設計制造技術(shù)帶來了全新的突破?，F(xiàn)階段，在機械零部件設計過程中，很多機械零部件都是利用傳統(tǒng)的設計手段進行設計的，而且很多設計也僅僅是模仿制造對象，這種設計方法并不能完全滿足實際生產(chǎn)需求，且效率較低。而隨著3D技術(shù)的不斷發(fā)展，它在機械零部件設計制造過程中所發(fā)揮的作用也越來越大。本文主要就3D技術(shù)在機械零部件逆向工程中的應用展開研究。

1 機械零部件逆向工程概述

逆向工程是指利用先進的測量設備以及相應的軟件對零件或產(chǎn)品的實體進行數(shù)據(jù)采集，并對數(shù)據(jù)進行處理、分析，以獲取其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、幾何形狀等相關(guān)參數(shù)，最后根據(jù)相關(guān)參數(shù)對零部件進行重新設計和加工。在機械零部件的逆向工程中，通常需要用到掃描測量設備和相應的軟件等。其主要的工作過程包括以下幾個方面。①原始數(shù)據(jù)采集。在對零件進行數(shù)據(jù)采集時，通常會運用到相應的測量設備，包括激光掃描儀、三維掃描儀以及三維激光掃描系統(tǒng)等。②數(shù)據(jù)處理。在對原始數(shù)據(jù)進行采集后，需要對其進行預處理。通常情況下，預處理工作主要包括以下幾個方面：第一，采用相應的軟件對原始數(shù)據(jù)進行預處理；第二，通過相應的軟件對零件表面數(shù)據(jù)進行預處理；第三，采用適當?shù)姆绞綄⒘慵砻鏀?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CAD模型；第四，將 CAD模型導入相應軟件中；第五，在CAD模型中加入相應的約束和屬性等。③產(chǎn)品重構(gòu)。在完成CAD模型轉(zhuǎn)換之后，需要將其轉(zhuǎn)化為相應的CAD模型。通常情況下，有以下幾個方面：第一，在完成上述步驟之后需要將CAD模型轉(zhuǎn)化為實物模型；第二，對實物模型進行裝配和干涉檢查；第三，將實物模型與逆向工程所設計的產(chǎn)品相比較，確定二者之間差異之處；第四，將實物模型進行再制造[1]。

1.1 數(shù)據(jù)采集

激光掃描儀主要適用于對不同形狀的物體進行數(shù)據(jù)采集，包括接觸式以及非接觸結(jié)合的掃描方式等。在對不同種類的物體進行數(shù)據(jù)采集時，所使用的設備也各不相同，需要根據(jù)不同物體的特征來選擇合適的設備。例如，對于一些較小或較大但外形較為簡單的物體，通常會采用激光掃描儀進行數(shù)據(jù)采集；對于一些較大且外形較為復雜的物體，通常會采用三維激光掃描儀進行數(shù)據(jù)采集。此外，由于不同類型的機械零部件在結(jié)構(gòu)上存在一定差異，因此在對不同類型機械零部件進行數(shù)據(jù)采集時，所選擇的設備也存在一定差異。另外，由于機械零部件在制造過程中所使用的材料不同，因此在對機械零部件進行數(shù)據(jù)采集時通常需要使用到相應的非接觸式設備。其中，非接觸式設備主要包括非接觸式激光掃描儀、非接觸式三維掃描儀等。其中，非接觸式激光掃描儀主要適用于對較大或形狀復雜的物體進行數(shù)據(jù)采集。在對機械零部件進行數(shù)據(jù)采集時，通常會采用不同類型的測量設備來對其進行數(shù)據(jù)采集。其中，三維激光掃描系統(tǒng)是一種用于工業(yè)領(lǐng)域中機械零部件測量和建模的設備，主要適用于對機械零部件進行快速掃描和建模。

1.2 數(shù)據(jù)預處理

通常情況下，預處理過程包括以下幾個方面：第一，對原始數(shù)據(jù)進行掃描；第二，將掃描數(shù)據(jù)與相關(guān)標準數(shù)據(jù)進行比較；第三，確定采樣點坐標與采樣點之間的關(guān)系；第四，將待測數(shù)據(jù)與已知點之間的關(guān)系進行確定；第五，對數(shù)據(jù)點云進行濾波處理。Delaunay三角網(wǎng)格是一種基于多邊形三角面的曲面模型描述方法。在此基礎上，還可以根據(jù)用戶所需要的曲面模型結(jié)構(gòu)和幾何特征等信息對三角網(wǎng)格的形狀及大小進行設置。采用Delaunay三角網(wǎng)格表示方法構(gòu)建的曲面模型具有較強的細節(jié)處理能力和較好的表達能力。但在該方法建立曲面模型過程中也存在一些缺陷：第一，采用Delaunay三角網(wǎng)格表示方法構(gòu)建的曲面模型所包含的自由度相對較少；第二，該方法構(gòu)建的曲面模型是一種局部曲面模型；第三，該方法構(gòu)建的曲面模型過于粗糙[2]。

1.3 模型重構(gòu)

通常情況下，在進行細化處理時需要滿足以下幾個方面的要求：第一，需要對零件進行徹底打磨；第二，對零件表面上存在的缺陷或錯誤處進行修正；第三，將零件的形狀和尺寸更加精確地表現(xiàn)出來；第四，將零件表面上存在的不連續(xù)處進行精確處理。在完成上述工作之后，可以根據(jù)工作需求確定各個零部件的設計參數(shù)和加工參數(shù)。在零部件設計參數(shù)確定之后需要對其進行精確計算，通常情況下，可以通過以下幾個方面來確定：第一，可以通過該零部件表面上存在的不連續(xù)處來計算實際加工所需要的材料；第二，可以通過該零部件表面上存在的不連續(xù)處來計算實際加工所需時間。在完成上述工作之后需要根據(jù)計算結(jié)果對零部件進行重新設計和加工。通常情況下，可以通過以下幾個方面來確定：第一，根據(jù)計算結(jié)果對零部件進行重新設計和加工；第二，將零部件表面上存在的不連續(xù)處進行修正；第三，將零部件表面上存在的不連續(xù)處重新繪制。

2 3D技術(shù)發(fā)展概況分析

20世紀70年代末，伴隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，以三維設計軟件為代表的3D技術(shù)迅速發(fā)展起來。3D設計軟件主要分為兩類：一類是基于平面CAD模型的二維設計軟件，另一類是基于三維模型的三維設計軟件。3D技術(shù)主要指的是在二維設計軟件平臺基礎上開發(fā)出的三維建模技術(shù)，可以使用戶在無需任何交互操作的情況下建立三維模型。同時，由于計算機建模技術(shù)和3D設計軟件的快速發(fā)展，使得用戶可以更加便捷、高效地獲取所需信息，從而實現(xiàn)對產(chǎn)品的準確建模和制造。目前，國際上有影響力的3D建模軟件包括UG、CATIA、SolidWorks等。其中，UG軟件是目前應用最為廣泛、功能最為強大的3D設計軟件之一。

3 3D技術(shù)在機械零部件逆向工程中的應用探析

3.1 零件表面點云處理

通過三維掃描儀對機械零部件表面進行點云采集和處理，從而得到其模型。而對于點云數(shù)據(jù)的處理則是通過計算機軟件來實現(xiàn)。通過對點云數(shù)據(jù)的處理，可以有效避免由于數(shù)據(jù)不完整、不準確所造成的模型誤差。通過對點云數(shù)據(jù)的處理，可以有效提高模型的準確性和完整性。對于曲面零件來說，一般都會存在曲面部分和平面部分。因此，在對曲面零件進行建模時，則需要對曲面部分進行有效擬合，并根據(jù)相關(guān)理論公式進行計算。同時需要注意的是，由于曲面零件表面通常都會存在一些凸起以及凹陷等非光滑表面。因此，就需要在建模時對其進行適當處理。

3.2 零件特征數(shù)據(jù)的提取

在進行機械零部件逆向工程設計時，通常會根據(jù)零部件的結(jié)構(gòu)、用途以及設計要求等對其進行分類。根據(jù)零部件分類，就可以有效降低逆向工程設計工作量。因此，在進行零部件逆向工程設計時，必須對所需的特征數(shù)據(jù)進行提取。一般來說，零件的特征數(shù)據(jù)主要包括結(jié)構(gòu)、材料、顏色以及形狀等內(nèi)容。而對于這些數(shù)據(jù)來說，通常都是由不同的軟件或程序生成的，因此在進行零部件逆向工程設計時，需要根據(jù)其特征數(shù)據(jù)的種類和來源等情況，來選擇合適的軟件或程序。其中，對于CAD模型來說，通常需要使用Geomagic Design、AutoCAD或者Pro/E等軟件來完成。而對于數(shù)控機床來說，則需要使用UG、NX或者CIMS等軟件來完成。除此之外，為了提高逆向工程設計的質(zhì)量和效率，還需要通過3D掃描儀來提取所需零部件的特征數(shù)據(jù)。

3.3 排水用葉輪3D打印

排水用葉輪在工業(yè)中的應用非常廣泛，它的主要功能是抽取水，并通過水泵輸送到相應的地方[3]。目前，傳統(tǒng)的葉輪設計方法已經(jīng)不能滿足人們對葉輪設計的要求，因此，對于復雜的葉輪零件來說，就可以利用3D打印技術(shù)進行制作。例如在制造排水用葉輪時，就可以利用3D打印機將復雜的零件進行三維掃描建模。3D打印機可以根據(jù)計算機指令輸出相應圖形，然后再通過特殊工藝對這些圖形進行處理。

3.4 三維掃描

三維掃描是在機械零部件逆向工程中比較常用的一種技術(shù)，三維掃描技術(shù)能夠全面、直觀、快速地測量機械零部件，其原理是將機械零部件的形狀通過數(shù)據(jù)采集設備來獲取，然后利用計算機技術(shù)將其處理成三維模型，并在計算機中進行顯示。三維掃描技術(shù)具有速度快、精度高、成本低等特點，能夠滿足當前機械零部件逆向工程的需要。三維掃描技術(shù)能夠?qū)C械零部件的三維模型和二維模型相結(jié)合，進而實現(xiàn)對機械零部件的精準測量。通常情況下，三維掃描技術(shù)分為兩種類型：接觸式和非接觸式。接觸式掃描技術(shù)是指通過相關(guān)設備來進行機械零部件的測量，一般情況下，采用的是光學掃描儀。在進行機械零部件三維掃描時，可以根據(jù)被測物體的形狀和尺寸來選擇合適的掃描儀，比如激光掃描儀、工業(yè)相機等[4]。通過這些設備可以將物體表面完整、清晰地拍攝下來，然后通過后期軟件將其處理成三維模型。在進行逆向工程時，需要將測量數(shù)據(jù)與設計數(shù)據(jù)進行對比，并對其中存在的問題進行分析。另外，為了保證測量數(shù)據(jù)和設計數(shù)據(jù)的一致性，在測量過程中還需要對掃描儀和被測物體進行合理安置。通過這種方法能夠有效保證測量數(shù)據(jù)與設計數(shù)據(jù)一致，從而保證機械零部件逆向工程質(zhì)量。同時還能夠有效提高逆向工程的效率。

對于三維掃描數(shù)據(jù)來說，一般都是通過軟件來進行處理。利用三維掃描技術(shù)，可以對機械零部件的三維模型進行全面觀察，然后通過軟件來對其進行處理，最終將其轉(zhuǎn)換成二維模型。三維掃描數(shù)據(jù)處理時，需要對采集到的數(shù)據(jù)進行整理和處理。首先，要將被測物體表面殘留的灰塵、毛邊等去掉。然后，要對點云進行三角網(wǎng)格化處理，并對其進行保存和管理[5]。最后，在將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成二維模型時，需要根據(jù)被測物體的尺寸不同來選擇合適的軟件。比如可以選擇使用 Geomagic DesignX軟件。在三維掃描數(shù)據(jù)處理過程中比較重要的一個環(huán)節(jié)就是將原始數(shù)據(jù)和測量結(jié)果之間進行對比分析。

4 結(jié)語

綜上所述，目前，隨著3D掃描技術(shù)的不斷發(fā)展，它在機械零部件逆向工程中的應用越來越廣泛。與傳統(tǒng)工藝相比，該技術(shù)具有簡單、快速、經(jīng)濟等特點。雖然該技術(shù)具有一定的局限性，但它仍然是逆向工程中不可或缺的一部分。在未來發(fā)展過程中，3D掃描技術(shù)將進一步提高其精度和效率，并逐漸成為逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)。