基于逆向工程的泵蓋設計及3D打印快速成型

張杰

摘 要：逆向工程已廣泛應用于產(chǎn)品創(chuàng)新設計與改型中，本文以某水泵泵蓋為研究對象，基于逆向工程設計和3D打印技術，展示了泵蓋的快速重構(gòu)和成型全過程。描述了由Win3DD-M掃描儀數(shù)據(jù)采集、Geomagic Wrap 3D三維掃描數(shù)據(jù)處理軟件逆向建模設計過程和Geomagic Design X軟件對數(shù)據(jù)模型后處理重構(gòu)過程，最后通過3D打印設備打印出泵蓋樣品，與原泵蓋樣品契合度較高。采用逆向工程設計的泵蓋可縮短產(chǎn)品的設計研發(fā)周期、提高設計研發(fā)效率，本文研究結(jié)果對其他產(chǎn)品設計具有一定參考價值。

關鍵詞：逆向工程 泵蓋設計 Geomagic 3D打印 快速成型技術

1 引言

隨著我國工業(yè)化進程地持續(xù)推進，石油化工、水利水電、機械制造等行業(yè)高加工度化和技術密集化趨勢明顯，水泵作為水源的輸送和增壓裝置，廣泛應用于上述行業(yè)。由于水泵泵蓋長期受到交變載荷的沖擊振動和自身工藝水平的限制導致其存在壽命短、易腐蝕等缺陷。而僅因泵蓋損壞便重新更換整個水泵設備，不僅增加了企業(yè)的運作成本，還浪費了資源。傳統(tǒng)的正向設計加工存在因大曲率曲面多而建模困難、設計周期長、效率低等缺點，采用逆向工程設計有利于設計人員快速獲取原產(chǎn)品的模型信息、快速加工成型替代品，從而實現(xiàn)了損壞零部件的低成本、高效率替代。

逆向工程也稱為逆向設計或反求工程，是在無法輕松獲得必要的產(chǎn)品生產(chǎn)信息時，直接分析成品并將已有的產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為工程設計模型和概念模型的復制過程，并在此基礎上解剖、深化和再創(chuàng)造的一系列分析方法和應用技術的組合[1]。逆向工程可有效改善設計技術水平，縮短產(chǎn)品設計研發(fā)周期，提高生產(chǎn)效率，是消化、吸收先進技術進而創(chuàng)造和開發(fā)各種新產(chǎn)品的重要手段。現(xiàn)階段的逆向工程技術是對已有的產(chǎn)品利用三維數(shù)字化測量儀器準確、快速地獲取產(chǎn)品表面的三維數(shù)據(jù)，經(jīng)過曲面重構(gòu)、編輯和修改后重建出產(chǎn)品CAD模型，然后結(jié)合快速成型技術加工出產(chǎn)品模型，整個過程快捷高效，克服了部分產(chǎn)品因曲面過多而無法正向建模設計的問題。逆向工程與3D打印技術是中國制造2025的重點方向，因此，本文基于逆向工程的泵蓋設計及3D打印快速成型技術全過程進行探索和研究，該產(chǎn)品的設計流程與方法可為其他種類的產(chǎn)品提供一定參考，進而促進逆向工程技術迅速迭代發(fā)展，這對完成我國傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有重要作用。

在逆向工程技術應用過程中，包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、模型重構(gòu)、快速加工、誤差分析五大關鍵技術[2]。本文中水泵泵蓋的逆向工程設計制造全流程主要包括三維數(shù)據(jù)采集、點云數(shù)據(jù)處理、三維模型重構(gòu)、3D打印快速成型、與樣品對比分析等流程，如圖 1所示。

2 三維數(shù)據(jù)采集

逆向工程首先要使用三維測量設備測量出產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)。產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)的獲取方法有兩大類，既接觸式和非接觸式。接觸式三維測量是利用設備的測量探頭與被測工件的直接接觸，從而獲得工件的三維數(shù)據(jù)，具有精度高、重復性好等優(yōu)點，其缺點是速度慢、效率低。非接觸式測量設備是利用某種與問題表面發(fā)生相互作用的物理現(xiàn)象來獲取泵蓋模型的三維數(shù)據(jù)信息，其具有測量過程簡單、測量速度快等優(yōu)點[3]。

本文采用北京三維天下公司推出的Win3DD-M三維掃描儀來對泵蓋樣品進行掃描，采集獲取被測工件的點云數(shù)據(jù)。該設備掃描原理是利用面掃描非接觸式方式，采用三維光學方式對工件進行掃描獲取工件表面三維數(shù)據(jù)，尤其對于外觀復雜的工件和自由曲面以及柔軟易變形的物體掃描效果更好。該設備采用增強的計算方法可對深色物體進行掃描，獲取的點云數(shù)據(jù)精度較高。

2.1 噴涂顯像劑

考慮到泵蓋樣品的材質(zhì)、環(huán)境光線的因素，為避免泵蓋樣品的高光和陰影處影響正常的掃描效果，需要對泵蓋樣品表面均勻噴涂顯像劑。實際操作中，顯像劑噴涂不易過厚，以增強零件表面的漫反射率，使黑色、反射透明表面等區(qū)域掃描更清晰，以獲得質(zhì)量較高的點云數(shù)據(jù)[4]。噴涂顯像劑的泵蓋樣品如圖2所示。

2.2 樣品掃描

本文中泵蓋樣品形狀復雜，在掃描前需要在其表面粘貼標定點，以便在掃描過程中隨意翻轉(zhuǎn)掃描樣品，獲得較完整的樣品整體掃描數(shù)據(jù)。三維掃描儀在掃描過程中，由于泵蓋局部表面掃描儀光照射不到，因此在完成標定后，需將泵蓋下方用橡皮泥固定，并將泵蓋傾斜墊起一定的角度，提高掃描質(zhì)量。圖3所示為Win3DD-M三維掃描儀掃描過程。

泵蓋在掃描過程中，通過觀察掃描儀軟件顯示區(qū)的實時數(shù)據(jù)圖像，需要手動翻轉(zhuǎn)和調(diào)整泵蓋樣品與掃描儀轉(zhuǎn)盤之間的方位和角度，盡可能將泵蓋的所有特征都掃描出來，以獲取理想的掃描數(shù)據(jù)。泵蓋樣品調(diào)整好掃描角度后，將轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)動60°左右掃描一次，掃描6次后得到如圖4所示的掃描原始點云數(shù)據(jù)。

3 點云數(shù)據(jù)處理

在實際掃描中，通過三維掃描儀得到的三維數(shù)據(jù)量很大，數(shù)據(jù)點可達上百萬，這就需要運算速度較快的計算機來支撐掃描軟件和處理軟件的正常運行。掃描儀掃描得到的數(shù)據(jù)點普遍具有離散性，為了下一步更好地利用掃描數(shù)據(jù)進行工件的三維重構(gòu)建模，必須要對這些采集到的離散點云數(shù)據(jù)進行處理。Geomagic Wrap是一款逆向建模軟件，它擁有強大的點云處理能力，可將掃描所得的點云數(shù)據(jù)或三角形面網(wǎng)格數(shù)據(jù)進行處理，通過去除冗余數(shù)據(jù)和噪音點，降低點云數(shù)據(jù)密度以及封裝等一系列操作，最終將點云數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)變?yōu)楦哔|(zhì)量的三角形面網(wǎng)格模型。本研究中將采用Geomagic Wrap三維掃描數(shù)據(jù)處理軟件來對數(shù)據(jù)模型進行優(yōu)化處理。

3.1 刪除體外孤點和非連接項

體外孤點是指掃描得到的點云數(shù)據(jù)模型中偏離主點距離較遠的數(shù)據(jù)，非連接項是指掃描時不小心掃描到遠離主點云的孤島，數(shù)據(jù)處理中需要將這些體外孤點和非連接項刪掉。在Geomagic Wrap軟件數(shù)據(jù)處理操作中，需要將泵蓋模型的點云數(shù)據(jù)分割參數(shù)和敏感度參數(shù)進行合理設置，然后將被選中的這些點進行刪除。

3.2 手動刪除點云

手動刪除點云是對掃描得到的模型數(shù)據(jù)進一步優(yōu)化，減小模型數(shù)據(jù)總量的過程。在軟件中將掃描得到的泵蓋三維數(shù)據(jù)模型通過放大、縮小、移動和旋轉(zhuǎn)點對象等操作，找到仍然存在數(shù)據(jù)模型自由曲面邊緣孤立的、不連續(xù)的點云數(shù)據(jù)，反復進行手動選擇和刪除，直到剩下連接完整的泵蓋模型點云數(shù)據(jù)。

3.3 減少噪音

在掃描過程中，由于所使用的掃描設備和掃描方法的原因，得到的掃描模型三維數(shù)據(jù)都會產(chǎn)生隨機誤差和系統(tǒng)誤差，在數(shù)據(jù)模型表面粗糙的非均勻的外表點云就是噪音點，在軟件中需要對泵蓋點云數(shù)據(jù)進行降噪濾波處理，以使數(shù)據(jù)排列更加平緩。

3.4 統(tǒng)一采樣

處理軟件中的點云數(shù)據(jù)量太大會直接影響計算機的運算速度，使用統(tǒng)一采樣功能可以在不移動任何點的情況下減少點云的數(shù)據(jù)量和密度，提高數(shù)據(jù)運算速度。本文中，設置統(tǒng)一采樣絕對間距為0.6mm。統(tǒng)一采樣后的泵蓋模型如圖5所示。

3.5 封裝

封裝是通過連接點來創(chuàng)建三角形面網(wǎng)格，從而將統(tǒng)一采樣后的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為直觀的數(shù)據(jù)模型。封裝后可放大模型，手動點選復雜過渡曲面區(qū)域的一個三角形面網(wǎng)格，并觀察其網(wǎng)格質(zhì)量，為后續(xù)CAD重構(gòu)建模做好準備。本文對點云數(shù)據(jù)進行封裝后得到的泵蓋數(shù)據(jù)模型如圖6所示，該模型是由三角形的頂點相互連接組成的一個集合，每個頂點代表一個點云數(shù)據(jù)。本文泵蓋點云數(shù)據(jù)封裝后的三角形面網(wǎng)格數(shù)約為25萬。

4 三維模型重構(gòu)

4.1 面網(wǎng)格優(yōu)化

質(zhì)量較差的三角形面網(wǎng)格難以曲面化，本文封裝后的三角形泵蓋面網(wǎng)格存在部分數(shù)據(jù)缺失或凸出的現(xiàn)象，可以使用Geomagic Wrap軟件中的修補、增強網(wǎng)格、刪除釘狀物等功能進行優(yōu)化，以確保網(wǎng)格無異常。所有修補和網(wǎng)格操作完成后，對模型的面網(wǎng)格質(zhì)量進行檢查，可利用網(wǎng)格醫(yī)生功能修正網(wǎng)格。本文泵蓋點云數(shù)據(jù)優(yōu)化后的面網(wǎng)格模型如圖7所示。

4.2 逆向建模

點云數(shù)據(jù)處理結(jié)束后，將Geomagic Wrap軟件修復后得到的泵蓋數(shù)據(jù)模型.stl格式文件導入Geomagic Design X軟件中進行逆向建模。通過領域分割、坐標系對齊、建立CAD模型等操作步驟對數(shù)據(jù)模型進行逆向三維重構(gòu)建模，得到的泵蓋三維重構(gòu)模型如圖8所示。

4.3 誤差分析

使用Geomagic Design X軟件中的精確度分析功能，可以生成以不同顏色區(qū)分重構(gòu)泵蓋模型的誤差云圖。分別設置許可公差值的上限和下限為1mm和-1mm，得到如圖9所示的泵蓋誤差云圖。圖中綠色部分表示模型誤差較小，也能看到其它顏色顯示的圖中部分大曲率過渡位置區(qū)域誤差較大，這是因為修正產(chǎn)品變形所導致。

由于逆向建模Geomagic Design X軟件無法將泵蓋模型的螺紋建立出來，可與CREO、UG、CATIA、SolidWorks等正向CAD設計軟件結(jié)合起來進行進一步修改，最終得到細節(jié)完整的泵蓋模型。

5 3D打印快速成型

完成逆向建模和正向設計修改，得到符合精度要求的泵蓋模型后，將修改完善的三維模型數(shù)據(jù)存儲為.stp的格式文件，并導入到3D打印切片軟件中進行掃描切片。切片后生成.gcode格式的文件，導入到3D打印機選擇打印文件執(zhí)行打印，相應的G代碼指令控制3D打印機噴頭移動，最終打印出的泵蓋實體模型如圖10所示。經(jīng)過對比分析，該實體模型與原樣品模型契合度較高。

6 結(jié)論

本文運用了逆向工程技術的相關理論知識，結(jié)合3D打印快速成型技術，以水泵泵蓋零件為例，展示了其重構(gòu)設計和快速成型全流程方案。采用Win3DD-M三維掃描儀完成了泵蓋數(shù)據(jù)的獲取，用Geomagic Wrap軟件對點云數(shù)據(jù)進行處理，用Geomagic Design X軟件完成了零件的三維模型重構(gòu)，最后通過3D打印機完成了泵蓋實物的3D打印快速成型。

本文案例是基于逆向工程的泵蓋設計和3D打印快速成型全流程，具有設計制造周期短、成本低、快捷高效等優(yōu)點。隨著我國裝備制造產(chǎn)業(yè)的升級轉(zhuǎn)型和快速發(fā)展，逆向工程設計技術和快速成型技術將得到越來越多的應用，本文案例將會對其他種類的產(chǎn)品研發(fā)設計具有參考價值。

參考文獻：

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