基于逆向設(shè)計(jì)與快速成型技術(shù)的油箱蓋產(chǎn)品開發(fā)研究

摘 要：使用手持式激光掃描儀對(duì)油箱蓋產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到完善、精確的油箱蓋點(diǎn)云；運(yùn)用Geomagic軟件進(jìn)行油箱蓋點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，得到精簡(jiǎn)、光順、無(wú)噪聲點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，包括清除噪點(diǎn)、精減點(diǎn)云、邊界優(yōu)化、簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)、保存等步驟。根據(jù)油箱蓋模型產(chǎn)品實(shí)物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用可實(shí)現(xiàn)逆向三維造型設(shè)計(jì)軟件UG NX進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，重新構(gòu)造實(shí)物的三維CAD模型。產(chǎn)品最終三維模型，經(jīng)STL數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后輸入到快速成型設(shè)備系統(tǒng)中，完成設(shè)計(jì)產(chǎn)品的打印及后處理。

關(guān)鍵詞：逆向設(shè)計(jì) 快速成型技術(shù) 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)處理 曲面重構(gòu)

中圖分類號(hào)：TH164 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）08（a）-0045-04

產(chǎn)品的逆向設(shè)計(jì)與快速成型技術(shù)，是指根據(jù)產(chǎn)品實(shí)物樣件表面進(jìn)行數(shù)字化處理，高效、準(zhǔn)確地采集到產(chǎn)品表面的三維幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并運(yùn)用相應(yīng)的軟件來(lái)處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用可實(shí)現(xiàn)逆向三維造型設(shè)計(jì)的軟件來(lái)重新構(gòu)造實(shí)物的三維CAD模型，進(jìn)行曲面模型重構(gòu)[1-2]。產(chǎn)品最終三維模型，經(jīng)STL數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后輸入到快速成型設(shè)備系統(tǒng)中，完成產(chǎn)品的打印及后處理。

1 油箱蓋模型的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理

1.1 掃描

針對(duì)油箱蓋的外形進(jìn)行模型分析，確定掃描方案，然后進(jìn)行油箱蓋點(diǎn)云數(shù)據(jù)的掃描。由于建模思想不一樣，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的掃描側(cè)重點(diǎn)也不一樣。數(shù)據(jù)點(diǎn)質(zhì)量的好壞直接影響到曲面精度。使用手持式激光掃描儀對(duì)油箱蓋進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到完善、精確的油箱蓋點(diǎn)云，如圖1所示。

1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理

油箱蓋點(diǎn)云的處理主要在Geomagic Studio軟件進(jìn)行，其中包括清除噪點(diǎn)、手動(dòng)注冊(cè)、全局注冊(cè)、合并、補(bǔ)洞、邊界優(yōu)化、簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)及保存等步驟[3]。

（1）清除噪點(diǎn)。

打開Geomagic Studio軟件，運(yùn)用【統(tǒng)一采樣】命令，右擊界面中黑色的雜亂點(diǎn)云，可以按下鼠標(biāo)中鍵旋轉(zhuǎn)觀察，在一起的點(diǎn)云變成綠色。選擇除噪的工具欄，在分隔欄中選擇“低”，并根據(jù)右邊選點(diǎn)的多少更改數(shù)值的大小，確定后刪除噪音點(diǎn)，如圖2所示。

（2）精減點(diǎn)云。

在下拉式菜單中選擇統(tǒng)一采樣，在絕對(duì)距離中設(shè)置距離值為1。由于存在大量的冗余數(shù)據(jù)，會(huì)影響后期建模的光滑度，并影響加工質(zhì)量。不同類型的點(diǎn)云可用不同的精減方式：對(duì)散亂點(diǎn)云可用隨機(jī)采樣法；對(duì)掃描線點(diǎn)云和多邊形點(diǎn)云可用等間距縮減、倍率縮減、等量縮減、弦偏差等方法；對(duì)網(wǎng)格化點(diǎn)云可用等分布密度和最小區(qū)域法，如圖3所示。

（3）邊界優(yōu)化。

放大油箱蓋的邊界，可以看到并不光滑，因此需要對(duì)其邊界進(jìn)行優(yōu)化。菜單欄：邊界→編輯，選擇“部分邊界“選擇邊界線上的2點(diǎn)，再單擊這條線，控制點(diǎn)應(yīng)在7～8，張力應(yīng)為0～1之間。可以調(diào)節(jié)數(shù)字使其邊界順滑。

（4）簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)及保存。

因?yàn)辄c(diǎn)云處理完后可能要被Imageware編輯和處理，所以要保存為stl格式，這種格式也可直接被快速成型機(jī)識(shí)別。

（5）數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

使用File→save as命令，選擇igs格式保存。igs格式是能被UG、PROE等三維軟件識(shí)別的一種文件格式。在保存時(shí)，注意刪除原有的點(diǎn)云，這樣才能更快地打開igs格式文件。

2 油箱蓋模型的曲面重構(gòu)

打開UG軟件，打開預(yù)先保存的，在Geomagic軟件中處理好的油箱蓋點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)入IGS文件，進(jìn)入建模模塊。

2.1 建立坐標(biāo)系

用【基本曲線】命令畫出兩條實(shí)線，再用【拉伸】命令選擇兩條直線拉伸出一個(gè)平面，并用動(dòng)態(tài)原點(diǎn)建立好坐標(biāo)系，如圖4所示。

2.2 建立基準(zhǔn)平面及繪制草圖

運(yùn)用【基準(zhǔn)平面】命令，創(chuàng)建所需的各個(gè)基準(zhǔn)平面，并根據(jù)點(diǎn)云創(chuàng)建如圖所示的草圖輪廓，如圖5所示。

2.3 構(gòu)建曲面、凹槽及固定件

運(yùn)用【掃掠】命令，按上一步驟繪制的草圖曲線掃掠片體。運(yùn)用【修剪片體】命令，修剪多余片體。從點(diǎn)云繪制曲線，并用【拉伸】命令，選取曲線拉伸成片體，并選取油箱蓋頂面進(jìn)行修剪。對(duì)凹槽內(nèi)部邊進(jìn)行邊倒圓，選擇【加厚】命令，并選擇片體加厚2.5 mm。最終得到的圖形，如圖6所示。

3 油箱蓋的快速成型設(shè)備具體步驟

3.1 導(dǎo)出STL格式

繪制好的圖形導(dǎo)出STL格式并修改三角公差為0.002 5、相鄰公差為0.12，勾選自動(dòng)法相生成并讓其三角形顯示，如圖7所示。

3.2 打開Aurora快速成型系統(tǒng)

3.2.1 系統(tǒng)連接、初始化、調(diào)試

將機(jī)器與Aurora快速成型系統(tǒng)連接，然后進(jìn)行Aurora快速成型系統(tǒng)初始化，最后調(diào)試儀器，檢查各噴頭的吐絲情況是否正常。

3.2.2 文件導(dǎo)入Aurora快速成型系統(tǒng)

單擊【載入模型】，將文件載入快速成型系統(tǒng)，如圖8所示。

3.2.3 將工件放入儀器中心并修改分層參數(shù)

將導(dǎo)入的文件自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，考慮節(jié)約支撐材料，將工件放置。把支撐間隔，輪廓線寬，工作臺(tái)高度等參數(shù)修改成自己經(jīng)驗(yàn)值的數(shù)據(jù)，如圖9所示。

3.3 打印實(shí)體及后處理操作

對(duì)于油箱蓋產(chǎn)品的快速成型，選擇3D打印成型強(qiáng)度較好的熔融沉積（FDM）成型方式。產(chǎn)品打印完成圖如圖10所示。

打印完成后處理包括設(shè)備降溫、零件保溫、去除支撐、表面處理等步驟[4]。

（1）設(shè)備降溫。

原型制作完畢后，如不繼續(xù)造型，即可將系統(tǒng)關(guān)閉，為使系統(tǒng)充分冷卻，至少于10 min后再關(guān)閉散熱按鈕和總開關(guān)按鈕。

（2）零件保溫。

零件加工完畢，下降工作臺(tái)，將原型留在成形室內(nèi)，薄壁零件保溫15～20 min大型零件20～30 min，過(guò)早取出零件會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力變形。

（3）模型后處理。

用小鏟子小心取出原型。去除支撐，避免破壞零件。用砂紙打磨臺(tái)階效應(yīng)比較明顯處，用小刀處理多余部分，用填補(bǔ)液處理臺(tái)階效應(yīng)造成的缺陷。如需要可用少量丙酮溶液把原型表面上光。

4 結(jié)論

（1）油箱蓋產(chǎn)品的數(shù)據(jù)采集是使用手持式激光掃描儀對(duì)油箱蓋進(jìn)行三維掃描，點(diǎn)云的數(shù)據(jù)處理主要在Geomagic Studio軟件進(jìn)行，其中包括清除噪點(diǎn)、手動(dòng)注冊(cè)、全局注冊(cè)、合并、補(bǔ)洞、邊界優(yōu)化、簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)及保存等步驟。

（2）油箱蓋產(chǎn)品的曲面重構(gòu)是運(yùn)用UG軟件重新構(gòu)造實(shí)物的三維CAD模型，其中包括導(dǎo)入IGS點(diǎn)云文件、建立坐標(biāo)系、建立基準(zhǔn)平面繪制草圖、構(gòu)建曲面、構(gòu)建凹槽、創(chuàng)建固定件、邊倒圓、得到最終模型等步驟。

（3）產(chǎn)品最終三維模型，經(jīng)STL數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后輸入到快速成型設(shè)備系統(tǒng)中，選擇3D打印成型強(qiáng)度較好的熔融沉積（FDM）成型方式，運(yùn)用Aurora快速成型系統(tǒng)完成系統(tǒng)連接、初始化、調(diào)試及相關(guān)參數(shù)設(shè)置，最終完成油箱蓋產(chǎn)品的打印及后處理。

參考文獻(xiàn)

[1]顏永年.先進(jìn)制造技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[2]彭燕軍，王霜，彭小歐.UG、Imageware在逆向工程三維模型重構(gòu)中的應(yīng)用研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（5）：85-87.

[3]謝英星，張曉紅.基于Geomagic Studio和快速成型技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)[J].工具技術(shù)，2015（6）：61-63.

[4]劉艷申.工藝亭子三維造型與3D打印[J].電子測(cè)試，2016（7）：17-19.