基于逆向工程的產品快速制造的研究

范同華， 孫勇

（江蘇省鹽城技師學院，江蘇鹽城224002）

0 引言

在當前激烈的市場競爭下，為了縮短新產品的開發周期、降低試制成本和提高企業競爭力，目前制造業正在逐步采用逆向工程和快速成型（RP）技術一體化的先進制造模式來完成產品的快速數字化建模和快速成型制造（RPM）。逆向工程是基于新的設計思想和方法的一種設計技術，針對已有實物樣件（尤其是復雜不規則的自由曲面）原型，通過采集物體表面空間的點云數據，利用軟件重構物體的三維CAD模型；快速成型技術是在零件CAD模型(或其它數據模型)基礎上采用適當的成型工藝方法將各種形狀復雜的實物樣件原型快速制造出來，可以極大地縮短產品的制造周期和降低開發成本。因此，逆向工程與快速成型技術的結合和一體化，在制造業尤其是機械設計與制造領域(CAD/CAM)中的發展日趨重要，對新產品特別是復雜型面產品的快速設計開發和快速成型制造方面將產生重大的現實意義［1-3］。

本文以吸塵器產品為研究對象，借助三坐標測量機測得其表面若干空間離散點數據，利用UG NX6.0完成對其點云數據模型的處理、曲線曲面的擬合、誤差和精度的分析以及三維CAD實體模型的重建，并在此基礎上，基于快速成型技術采用3D打印機實現對吸塵器原型的快速成型制造，從而為后續對新產品的快速評價、結構驗證和性能測試等方面打下堅實的基礎。

1 逆向工程的基本原理

逆向工程是近年來在計算機技術、數控測量技術以及CAD/CAM技術基礎上迅速發展起來的一門新興學科，通常用來執行基于實物或樣件的仿制和開發工作，特別是對于沒有原始幾何信息的模型或零件，逆向工程是完成它們精確幾何造型的唯一手段，加之開發方式簡單、周期短、成本低，故在產品設計和制造領域有著廣泛的技術需求［4-5］。

圖1 逆向工程工作流程圖

逆向工程的基本過程：針對現有實物或樣件尤其是復雜不規則的自由曲面原型，利用3D數字化測量儀器準確、快速地測量出其表面三維離散數據作為初始素材，借助曲面處理軟件和CAD/CAM構造實物或樣件的三維CAD模型，輸出NC加工代碼或STL文件驅動快速成型機制造出原型或產品。逆向工程的工作流程如圖1所示。

2 逆向工程及其實現過程

2.1 數據采集

數據采集是指采用某種測量方法和設備測量出實物樣件各表面若干組點的幾何坐標，是逆向工程實現的基礎和關鍵操作，它可由多種方式實現［5］。在表面數字化技術中，根據測量探頭是否接觸零件表面，數據的采集方法可以分為接觸式和非接觸式兩大類，其中接觸式（尤以三坐標測量機）為典型代表，因其效率高、精度相對精確，故在實際應用中最為廣泛?？紤]到吸塵器材質為硬質塑料、結構對稱、定位相對容易等特點，故本文采用三坐標測量機對其模型表面進行三維數據的采集。

為了保證測量準確度和造型方便，根據吸塵器待測曲面的幾何（曲率）特性，基于外形測量的數據分割方法，將其分成頭部、身部、尾部和柄部等不同曲面域，并對曲面的輪廓、孔槽邊界、表面脊線等特征進行標志，以便后面分層處理及顯示；在對三坐標測量機完成組裝和校準三維測頭、設置觸頭參數等準備工作的基礎上，采用環形測量或行測量優化測量路徑的方式，分橫向和縱向對吸塵器外表面進行等距自動打點測量，獲得其1/2模型表面的三維數據（點云數據）模型如圖2所示，最后將采集的原始點云數據保存為IGES格式文件導出。

圖2 點云數據模型

2.2 數據處理

數據處理是逆向工程的關鍵一步，結果將直接影響后期CAD模型重構的質量。由三坐標測量機獲得的吸塵器表面點云數據比較龐大，而處理該數據就是從中識別和抽取原型的幾何特征信息。

由于三坐標測量機所運用的測量方法、誤差處理方式以及周圍環境等因素的影響，使采集到的吸塵器點云數據尤其在尖銳邊和邊界附近的測量數據不可避免地受到噪聲的污染，同時在凹陷區域還會產生測量盲區，所以在曲線曲面擬合之前必須對原始點云數據進行濾波、去噪、平滑、精簡、分割和基準重建等工作，以保證后期模型重建的質量。文獻［6］、［7］詳細講述了有關逆向工程數據處理的過程和方法，這里不再贅述。

2 .3 三維C A D模型重構

逆向工程的曲面重構基本遵循“點-曲線-曲面”的原則。在曲面構建之前，應根據需要判斷和決定生成哪種類型的曲線，最終目標是希望生成準確度高且光順性好的曲線曲面。逆向工程創建曲面的方法主要有基于曲線的模型重構、曲面片直接擬合模型和基于特征及約束的模型重構三種［7］。

本文采用基于曲線的模型重構方法，利用UG NX6.0實現對吸塵器三維CAD實體模型的重建，具體操作過程如圖3所示。

2.3.1 曲線擬合

根據吸塵器的幾何特征，先對其點云數據進行分層處理，即把相同的數據類型放置同一層中，不同的數據類型標識不同顏色分別設置圖層，以使后面擬合方便。在構造曲線的過程中，根據吸塵器的形狀和特征確定哪些點或線是可用的，哪些點或線是細化特征的，通過插值或逼近的方法將數據點擬合成樣條曲線（或參數曲線）。

圖3 模型重構流程圖

在UG NX6.0環境下，本文主要通過曲線/樣條曲線/通過點的命令操作方式構造吸塵器的外形曲線，保證曲線盡量簡單、光順連續且無尖角、交叉和重疊［8］。為使后續自由曲面延展后仍具有較好的準確性和光順性，通過改變控制點的數目來調整曲線，同時采用直線擬合曲線兩端的方法來構造所需曲線。

曲線進行光順處理的過程可以分為三步：1）尋找壞點，并修改壞點的坐標值；2）粗光順，使曲線上各段的曲率符號一致，保證曲線單凸性或單凹性；3）精光順，使曲線上各段的曲率變化均勻，滿足光順的要求。

2.3.2 曲面重構

完成吸塵器的特征曲線構造后，即可開始面的創建及造型。在構造曲面的過程中，須對所用曲線進行曲率分析，避免造成曲面的不光順；盡量避免使用高階次的曲面，過高的階次不僅帶來曲面調整的困難，而且很難保證曲面的光順度；盡量避免構造非參數化的曲面，參數化的曲面會給曲面的調整帶來極大的方便。

在UG NX6.0環境下，基于最小二乘曲面擬合原理，本文主要通過網格曲面/曲線組的命令操作方式，分別對吸塵器的各個曲面進行擬合。由于重構的曲面片之間可能存在著裂縫或缺少曲面邊界信息等原因，使得表示吸塵器模型的幾何信息和拓撲信息不夠完整，因此完成曲面片重構后須對其進行細部特征設計，通過延伸、相交、裁剪、過渡、倒圓等曲面編輯手段將多個曲面片連貫成一個整體，得到其曲面模型如圖4所示。

圖4 曲面模型

2.3.3 誤差分析

對生成的吸塵器曲面進行誤差分析，其實質就是對構建的曲面與點云數據進行偏差對比分析，比較結果通過用彩色云圖將差異顯示出來，如圖5所示。若點云剛好在曲面上，即點云與曲面之間沒有誤差，則誤差顯示為0。假定把“0”看成是真值，則點云與曲面的誤差可以看成是測量值與真值之差。由圖5可見，吸塵器的重構曲面與點云誤差基本落在±0.2 mm范圍內，僅在腰部凸起過渡處個別微小區域誤差達到0.47mm、眼部附近一處達到0.49mm，故僅需對這兩處的曲線或曲面進行修改或重新構建，使誤差控制在符合逆向造型的一般公差要求范圍內（±0.3 mm），這樣重構的吸塵器曲面模型就完全符合高精度NURBS曲面的標準。

圖5 點云與曲面誤差分析圖

由于吸塵器的整個曲面是由多個子曲面拼接處理而成，在滿足精度的前提下，還應對曲面之間的連續性進行分析。分別選取兩相鄰連接處的曲面邊界線，并設置相應參數（位置為0.0010、相切為0.0500及曲率為0.0010）進行連續性分析，檢測結果顯示各曲面之間滿足連續性要求。

2.3.4 實體模型

在吸塵器曲面模型重構合格的基礎上，通過縫合加厚命令和片體加厚命令等對其曲面模型進行操作處理，即可得到吸塵器的三維CAD實體模型（圖略），最后將模型保存為二進制的STL格式文件導出。

3 基于3DP的產品快速制造

3.1 快速成型原理

快速成型（RP）又稱快速原型，可以快速自動地將設計思想物化為具有結構和功能的原型或直接制造零部件。與傳統制造方法不同，快速成型技術從零件的三維CAD實體模型出發，通過分層離散軟件和數控成型系統，用融熔和粘結等特殊的工藝方法將復雜的三維實體制造轉化為一系列二維層制造的疊加，故可以在沒有模具和工具的條件下生成任意形狀的實體原型或產品，極大地提高生產效率和柔性制造，從而實現對產品的快速評價和修改?？焖俪尚椭圃斓墓に囘^程主要分為4個步驟：

1）建模。包括工件三維CAD模型的構造和近似處理，具體操作過程和方法如前所述。

2）切片。將三維CAD模型轉化為RPM系統能接受的格式文件（如STL），然后運用切片軟件將模型分層，即在成型高度方向上用一系列一定間隔的平面切割模型，以便提取截面的輪廓信息。

3）成型。根據切片處理的截面輪廓，由數控掃描裝置對各截面輪廓形狀進行逐層掃描，通過加熱加壓等方式使成型材料在工作臺上一層一層堆積成型，然后將各層粘結便可得到成型產品。

4）后處理。對成型件進行剝離、修補、打磨、拋光等處理，降低表面粗糙度、提高強度等。

3.2 快速成型制造

快速成型制造（RPM）技術是基于快速成型原理將設計者的設計思想自動、直接、快速地轉化成三維實物原型，不僅能節省大量時間，而且能精確地體現設計者的設計理念，為產品的評審決策工作提供直接、準確的模型依據，減少決策工作中的不正確因素。

目前快速成型的工藝方法已有10多種，其中相對成熟且應用廣泛的有光固化成型（SLA）、分層實體制造（LOM）、選擇性激光燒結（SLS）、熔絲沉積制造（FDM）及三維打?。?DP）等，它們都是基于“增材”加工法的原理，差別在于使用的成型原材料及每層輪廓的成型方法［9］。

基于三維打印技術，本文采用北京太爾時代公司的3D打印機（型號：UP Plus2；打印材料：白色ABS）對吸塵器三維CAD實體模型進行快速成型制造。具體操作過程如下：1）將吸塵器的三維CAD實體模型（STL格式文件）載入到3D打印機中；2）通過自動布局的方式，將模型垂直放置在平臺的中央位置；3）初始化打印機；4）校準噴頭高度，該高度以工作時噴嘴距離打印平臺0.2 mm時噴頭的高度為佳；5）調平打印平臺，檢查噴嘴和打印平臺4個角的距離是否一致；6）固定打印平臺并設置打印參數(如圖6所示）；7）打印預熱，設置溫度達到100℃時開始打??；8）移除材料，當模型打印完成后，通過鏟刀慢慢撬動模型，直至從工作臺上取下模型；9）去除支撐材料，使用鋼絲鉗或者尖嘴鉗移除支撐材料。

圖6 打印參數設置界面

經過上述一系列的3D打印操作和處理，最后得到吸塵器的產品原型如圖7所示。經檢測，吸塵器3DP原型各項指標完全符合設計要求。

圖7 產品3DP原型

4 結語

本文對逆向工程的關鍵技術數據采集、數據處理、曲線曲面擬合、CAD模型重建以及快速成型制造等方面進行了系統闡述，并基于逆向工程和快速成型技術完成了對吸塵器三維CAD模型的重構和分析以及快速成型制造等方面的工作。研究表明：逆向工程技術是一種能夠精確表達和重現產品模型的新的設計技術，其與快速成型技術的結合和一體化，為新產品尤其是復雜型面產品的設計開發與快速制造提供了更為廣闊的平臺，可以高效自動地將設計思想物化為具有結構和功能的原型或直接制造零部件，這為后續對新產品進行快速評價、修改和性能測試等方面提供了有力的依據，同時能夠大幅縮短產品開發周期、降低開發成本、避免產品研發失敗的風險、提高企業的競爭力和經濟效益。

［1］ 吳迪，張春蘭.逆向工程與快速成型技術應用研究［J].機械制造與自動化，2009，38（4）：72-74.

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［3］ 陳銀清，李凱，馮旭強.快速原型制造及逆向工程技術的應用［J］.茂名學院學報，2009，19（4）：25-28，34.

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［7］ 陳雪芳，孫春華.逆向工程與快速成型技術應用［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［8］ 申麗萍，何連英，王杰.基于UG的逆向CAD的應用［J］.機械工程及自動化，2010（2）：199-200.

［9］ 盧秉恒，李滌塵.增材制造（3D打印）技術發展［J］.機械制造與自動化，2013，42（4）：1-4.