基于逆向工程與快速成型技術的某車燈座開發*

程美 朱旭暉 歐陽波儀

（湖南汽車工程職業學院）

隨著汽車產業的發展，對零部件生產制造周期和更新換代周期都提出了更高要求。汽車車燈直接影響汽車外觀和使用效果，零件質量要求高，更新換代快，因此應采用快速經濟的零部件開發方法。文章應某汽車車燈生產廠家要求，根據其提供的某車燈座實物，運用三維掃描技術，獲得實物表面精確的三維點云數據，再進行產品模型重建，得到實物數字模型。根據三維模型進行三維打印，加工出產品原型，經用戶審核和修改，確認產品符合要求。該產品開發全部過程僅用了2天時間，與傳統的設計與制造方法相比，從設計到生產的周期大大縮短，開發成本顯著降低，產品質量完全滿足使用要求。

1 F200卡車燈座的逆向工程

1.1 逆向工程技術及其關鍵技術

1.1.1 逆向工程技術

逆向工程（RE）是與“正向設計”過程相對應的新興技術，是對實物模型測量獲得數據，依據數據構建出CAD模型，再將這些模型和設計表征用于產品的分析和制造[1]。

RE是一個“從有到有”的過程，是以已有的產品原型、實物及影像等作為研究對象，運用系統工程學、產品設計學及計算機輔助技術，利用3D數字化測量設備快速測量出工件的輪廓坐標，用CAD軟件加以編輯、修改并建構三維模型。

1.1.2 逆向工程中的關鍵技術

逆向工程的關鍵技術包括三維測量、數據處理、三維建模、模型分析和評價技術及逆向工程集成等。

1）三維測量是逆向工程的第1步，是利用三維數字化測量設備，運用三維測量技術獲得零件表面離散點的幾何坐標數據，如何高效、高精度的獲得實物表面數據是逆向工程實現的基礎和關鍵技術之一，現有的三維測量方法包括接觸式、非接觸式及逐層測量技術[2]。

2）為便于三維建模工作，需要完整準確的測量數據，要對測量數據進行數據轉換、數據平滑和過濾、數據精簡及數據分割等一系列的數據處理[3]。

3）曲面重建技術是三維建模中重要技術之一，是根據測量數據來恢復原始曲面的幾何模型，包括函數曲面擬合法、矩形域參數曲面擬合法、三角曲面擬合法及神經網絡擬合法[4]。

4）產品能否符合設計要求是由模型檢測和評價決定的，是逆向工程的重要特點。模型分析是對模型進行結構工程分析，包括有限元分析、注塑工藝分析及運動模擬；模型評價是對模型精度進行評價，在造型的數據上取一個參考點，以參考點到評價曲面的偏差為目標函數，對模型的精度進行評價[4]。

5）逆向工程與計算機輔助測量（CAT）、輔助設計（CAD）、輔助制造（CAM）及計算機輔助工程分析（CAE）密切相關，各項技術集成運用對逆向工程的效果起非常關鍵作用，所以可以認為逆向工程是CAT/CAD/CAM/CAE的技術集成[5]。

1.2 F200卡車燈座的數據采集及三維建模

1.2.1 數據采集與處理

文獻[6]研究表明，較高精度大量點云因測量點集趨于無窮多，比高精度的小量點云更能實現精確的形狀描述和曲面擬合、誤差更小。因此，本研究三維測量采用較高精度的大量點云的采樣方法[7]。采用博維恒信三維掃描系統，根據系統自帶掃描軟件中的距離提示，選擇合適距離進行掃描，獲得的點云，如圖1所示。

為了獲得完整、正確的測量數據，方便后面的曲面重構，對點云數據進行預處理，將圖1所示的點云數據中因外界干擾形成的點及不在掃描線上的雜點刪除，即降噪處理[8]；將測量時出現的對齊、變形及測量誤差數據進行處理，減少干擾點和誤差等對重建模型精度的影響。

1.2.2 曲面重構與3D造型

數據處理完成后，以IGES格式輸出到UG軟件中進行曲面的重構。首先提取關鍵截面曲線的點云數據，選擇互交式剖切截面線，進行生成曲線操作；然后尋找壞點并修改壞點的坐標值，對曲線進行粗光順和精光順等處理，即完成曲線的光順處理；最后采用曲線生成曲面的方式，進行曲面的重構。

曲面創建后，對其進行誤差分析和光順品質檢查，并運用X曲面命令，調節曲面控制點，使曲面滿足精度要求。曲面構建完成后，對內部結構設計，使用偏置等命令構建F200卡車燈座的三維造型，如圖2所示。

圖2 F200卡車燈座3D造型圖

2 F200卡車燈座的快速成型

2.1 快速成型技術及3D打印技術

2.1.1 快速成型技術

快速成型（RP）技術是基于“增材”加工法將三維模型制造成三維實體原型的一項技術[8]，是當今世界上發展最快的制造技術。該技術應用于新產品開發，不但能節省開發時間，而且能精確體現設計者的設計理念，為產品的評審決策工作提供直接和準確的模型依據，減少決策工作中的不正確因素。

RP制造的主流工藝有10多種，其中光固化成型（SLA）、分層實體制造（LOM）、選擇性激光燒結（SLS）、熔絲沉積制造（FDM）及三維打印（3DP）等相對成熟且應用廣泛，各種工藝的差別在于使用的成型原材料及每層輪廓的成型方法[9]。

2.1.2 3D打印技術

3D打印技術作為第3次工業革命的代表性技術之一，是通過“分層制造，逐層疊加”的原理，將其一層層疊加，把計算機中的三維效果圖打印出三維實體[10]。3D打印的基本過程，如圖3所示。首先在計算機中創建三維數字模型，然后按照一定規律在Z方向離散成有序片層；根據片層信息，輸入加工參數，生成加工代碼；最后3D打印機噴頭在程序控制下沿輪廓路徑噴出材料，上下材料粘接在一起，得到三維實體。3D打印技術依據所用材料的性質及片層結構的生成方式不同，大致可分為光敏樹脂選擇性固化工藝（SLA）、SLS及絲狀材料選擇性熔覆工藝（FSM）。

圖3 3D打印基本原理圖

2.2 F200卡車燈座的3D打印

F200卡車燈座的快速成型是運用絲狀材料選擇FDM工藝，選用UP Plus 2三維打印機進行3D打印，該設備不需要使用激光器等耗材，采用雙噴頭系統，一個噴零件材料，另一個噴支撐材料，控制軟件Aurora具有分層和控制功能。具體操作過程為：將F200卡車燈座三維模型（STL格式文件）載入三維打印機；通過自動布局的方式，將模型垂直放置在平臺正中央；初始化打印機后，將噴頭高度校準至距離打印平臺0.2 mm；檢查噴嘴與打印機平臺的距離，并調平打印機平臺后，將平臺固定；設置如圖4所示的打印參數；設置溫度達到100℃時開始打印，打印完成后，取出模型，去除支撐材料，獲得三維打印實體。

圖4 F200卡車燈座打印參數設置界面

經過上述一系列的3D打印操作和處理，最后得到F200卡車燈座的產品原型，如圖5所示。經檢測，F200卡車燈座3D打印原型各項指標完全符合設計要求。

圖5 F200卡車燈座產品3DP原型

3 結論

文章基于RE和RP技術完成了對F200卡車燈座三維模型的重構、分析及快速成型制造等方面的工作。結果表明：RE技術是一種能夠精確表達和重現產品模型的新設計技術，其與RP技術的結合和一體化，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、修改及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。