汽車發(fā)電機(jī)端蓋的快速原型制造研究

李巖, 趙旭東, 孫志瑩

(1. 錦州師范高等專科學(xué)校 機(jī)械電子工程系，遼寧 錦州 121001; 2. 遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 錦州 121001; 3. 江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，逆向工程技術(shù)(reverse engineering)已成為一種消化吸收先進(jìn)技術(shù)、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)和快速開發(fā)的重要技術(shù)手段[1-3]。借由相關(guān)逆向工程軟件完成產(chǎn)品的CAD模型重構(gòu)，可為零件結(jié)構(gòu)的再設(shè)計(jì)或輕量化設(shè)計(jì)提供用于求解的模型，并為快速成型制造或數(shù)控加工做好相關(guān)準(zhǔn)備。然而以端蓋為代表的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多孔類零件快速原型制造過程中仍有不足之處。文獻(xiàn)[4]在完成端蓋模型逆向重構(gòu)時(shí)，先采用曲線曲面對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，再將擬合得到的曲面數(shù)據(jù)進(jìn)行縫合完成端蓋的逆向重構(gòu)，但此種方法在曲面間修剪與縫合次序中出現(xiàn)差錯(cuò)時(shí)極易造成模型重構(gòu)后變?yōu)闅んw而出現(xiàn)失敗。文獻(xiàn)[5]利用正逆向混合建模的方法實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)端蓋的逆向重構(gòu)，但在對深孔及掃描邊緣鈍化位置并未給出較好的處理方法。文獻(xiàn)[6]主要通過三維建模軟件Pro/Engineer經(jīng)正向設(shè)計(jì)后，通過SPS450B紫外光快速成型機(jī)實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)端蓋的快速原型設(shè)計(jì)研究。

本文以某進(jìn)口發(fā)電機(jī)端蓋為代表的多孔類零件為例，對其結(jié)構(gòu)特征及逆向重構(gòu)中誤差的主要來源進(jìn)行了分析。在逆向建模過程中對端蓋邊界及深孔位置運(yùn)用二次正向設(shè)計(jì)的方法修正了端蓋在逆向建模中的誤差，提高了建模精度并借由3D打印技術(shù)完成了端蓋逆向重構(gòu)后樣件的制作，驗(yàn)證了這一建模方法的可行性，同時(shí)在端蓋樣件試制過程中對模型打印精度及表面質(zhì)量的控制上給出了相關(guān)的解決方法。

1 逆向工程技術(shù)

1.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取與預(yù)處理

本例選用COMET L3D三維結(jié)構(gòu)光掃描儀完成發(fā)電機(jī)端蓋三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取，其掃描誤差可控制在0.03mm以內(nèi)。發(fā)電機(jī)端蓋實(shí)物模型如圖1所示。將端蓋內(nèi)外表面經(jīng)兩次掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接并進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝處理，得到發(fā)電機(jī)端蓋點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖1 發(fā)電機(jī)端蓋實(shí)物模型

圖2 發(fā)電機(jī)端蓋點(diǎn)云數(shù)據(jù)

通常經(jīng)掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都會摻雜一些諸如壞點(diǎn)、跳點(diǎn)等異常數(shù)據(jù)，Geomagic Studio軟件對掃描得到的初始點(diǎn)云模型具有強(qiáng)大的修復(fù)功能，可將初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)由這一軟件完成初級修復(fù)。通過觀察圖2的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)內(nèi)含多處黃色區(qū)域，即為掃描儀未掃到的幾何特征。這一問題的出現(xiàn)主要是由于零件部分特征過深或是由于遮擋沒有完全暴露在掃描儀的光線下導(dǎo)致的，并且在掃描過程中工件精加工面的邊緣位置也極易出現(xiàn)鈍化現(xiàn)象。為保證后續(xù)模型重構(gòu)的順利進(jìn)行，對于黃色區(qū)域的幾何特征可利用軟件中的孔填充命令進(jìn)行適當(dāng)修復(fù)。根據(jù)建模經(jīng)驗(yàn)修復(fù)后的深孔結(jié)構(gòu)孔的外表面應(yīng)至少保證有2/3的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這樣在進(jìn)行模型重構(gòu)過程中可利用三點(diǎn)圓命令較為準(zhǔn)確地?cái)M合出深孔特征的圓心位置(因本刊為黑白印刷，如有疑問請咨詢作者)。

模型經(jīng)修復(fù)后在整個(gè)預(yù)處理的操作中，對于模型坐標(biāo)系的正確構(gòu)建是至關(guān)重要的，它將影響到后續(xù)CAD模型的建立能否滿足重構(gòu)精度的要求。點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立坐標(biāo)系時(shí)，可應(yīng)用Geomagic Studio軟件選擇模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)表面擬合出端蓋的回轉(zhuǎn)軸，再以端蓋口下表面擬合出最佳平面作為xy基準(zhǔn)平面。由于發(fā)電機(jī)端蓋從模型構(gòu)建方式上為回轉(zhuǎn)體零件，在坐標(biāo)系建立過程中只需擬合出一個(gè)平面及與其垂直的軸線即可將端蓋進(jìn)行約束，再通過創(chuàng)建對的方式以確定發(fā)電機(jī)端蓋在全局坐標(biāo)系下的xy平面與z軸，從而合理創(chuàng)建出點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系。坐標(biāo)系的建立如圖3所示。

圖3 創(chuàng)建坐標(biāo)系

1.2 CAD模型構(gòu)建

完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理后即可進(jìn)行模型重構(gòu)。通過上文對圖2的分析可知，由于非接觸式掃描儀自身工作特點(diǎn)導(dǎo)致了掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)出現(xiàn)了較多的破損及邊緣鈍化現(xiàn)象，且由于掃描得到的初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)自身的缺陷無法進(jìn)行模型的快速原型制造。因此想要完成模型的快速原型制造就需要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行二次重構(gòu)。目前在曲線曲面擬合上，3次B樣條曲線和NURBS樣條曲線以其良好的光順性以及可控性被廣泛應(yīng)用在CAD系統(tǒng)中[7]。所以為了高效、準(zhǔn)確地完成模型的重構(gòu)，選擇將發(fā)電機(jī)端蓋的三維數(shù)字模型以STL格式導(dǎo)入CATIA中進(jìn)行三維實(shí)體模型的創(chuàng)建。

目前，逆向工程中對于CAD模型的重構(gòu)主要采用“正/逆向相結(jié)合”的混合建模思想[5]。正/逆向混合建模的設(shè)計(jì)思想其精髓在于先利用零件設(shè)計(jì)模塊中的凸臺或旋轉(zhuǎn)命令繪制出零件的大致形狀，以經(jīng)過預(yù)處理后得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為零件設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)，在逆向點(diǎn)云編輯模塊中獲取零件點(diǎn)云模型截面的形狀信息作為零件實(shí)體特征草繪的基準(zhǔn)。再通過創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)模塊以及逆向曲面重構(gòu)模塊中拉伸、旋轉(zhuǎn)以及掃掠等相關(guān)命令，配合零件設(shè)計(jì)模塊中的凸臺、凹槽和圓角等命令完成對所需的實(shí)體特征及曲面的重建。在模型重構(gòu)過程中為了保證模型的逆向精度，每次進(jìn)行實(shí)體特征重構(gòu)過程時(shí)可對底層草繪或擬合的曲面進(jìn)行反復(fù)調(diào)整來提高模型重構(gòu)時(shí)的擬合精度。

在模型重構(gòu)過程中也應(yīng)注意，由于進(jìn)行逆向重構(gòu)的模型是鑄件且已經(jīng)是成型產(chǎn)品，零件在模具制造過程、鑄造過程、機(jī)械加工過程以及裝配過程中都會存在一定誤差與損傷，且模型在掃描過程中即使掃描設(shè)備精度再高也避免不了誤差的存在，因此所得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與產(chǎn)品的最初設(shè)計(jì)尺寸間會存在一定差距，這就需要在模型重構(gòu)過程中對一些細(xì)微特征進(jìn)行模型底層草圖的再設(shè)計(jì)，以求最真實(shí)地還原模型的最初設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

通過觀察端蓋外部結(jié)構(gòu)可發(fā)現(xiàn)：端蓋整體結(jié)構(gòu)為回轉(zhuǎn)體零件，并且其上分布有多種不規(guī)則的散熱孔及掛角。因此在模型重構(gòu)過程中，可在逆向點(diǎn)云編輯模塊中截切出端蓋的最大截面作為實(shí)體旋轉(zhuǎn)特征的草繪基準(zhǔn)，而后轉(zhuǎn)入零件設(shè)計(jì)模塊中以截切到的截面形狀為參照勾勒出草圖，再進(jìn)行旋轉(zhuǎn)可得到端蓋的實(shí)體外形。之后通過相同的截切辦法可得到各散熱孔的截面形狀作為孔切除操作時(shí)的草繪基準(zhǔn)，與此同時(shí)對于不規(guī)則孔可采用樣條曲線與三點(diǎn)圓弧命令聯(lián)合使用的方式完成孔特征的擬合，最后通過實(shí)體切除來創(chuàng)建端蓋的孔特征。對于非通孔結(jié)構(gòu)可利用創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)模塊擬合出平面，建立孔特征時(shí)通過孔拉伸到面的方式完成非通孔特征的創(chuàng)建。對于掃描過程中的深孔特征，為了更加準(zhǔn)確地?cái)M合出孔的圓心位置應(yīng)盡量采用三點(diǎn)圓命令進(jìn)行擬合，在圓半徑確定上應(yīng)采用卡尺多次測量求均值與點(diǎn)云數(shù)據(jù)共同作為參考基準(zhǔn)的方式完成深孔特征的創(chuàng)建。對于不易測量的深孔結(jié)構(gòu)可采用硅膠翻模的方式獲取其結(jié)構(gòu)特征。此外對于模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在的邊緣鈍化問題，可在擬合過程中以直線直接逼近鈍化位置的方式來解決。經(jīng)模型重構(gòu)后最終得到的CAD模型如圖4所示。通過面提取命令提取出CAD模型的各個(gè)表面，與經(jīng)預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型進(jìn)行比較，精度檢測云圖如圖5所示。由整體精度檢測云圖可看出，最大正值為0.993mm，最大負(fù)值為-0.996mm，因發(fā)電機(jī)端蓋為鑄件模型構(gòu)建誤差基本控制在±0.5mm之間，因此精度完全滿足其制造要求。

圖4 端蓋的CAD模型

圖5 精度檢測云圖

2 端蓋的快速原型制造

在端蓋樣件的試制過程中，本例選用FDM360mc型工業(yè)級3D打印機(jī)完成發(fā)電機(jī)端蓋的制作。3D打印數(shù)據(jù)格式以STL格式最為常用[8]。本例采用STL文件格式完成模型的分層與切片，在進(jìn)行分層前應(yīng)確保重構(gòu)后的端蓋CAD模型無實(shí)體相交及裂縫現(xiàn)象，并且生成的STL文件無漏洞。

由數(shù)據(jù)處理之后得到的STL文件可能會存在“錯(cuò)誤”。這些所謂的錯(cuò)誤雖然在正常的建模軟件中不會顯示，但3D打印對于模型的質(zhì)量要求較高，若3D打印機(jī)在打印過程中模型存在問題打印就會被迫中止，從而導(dǎo)致整個(gè)打印過程失敗。為避免這一問題的出現(xiàn)，可在Netfabb軟件中打開用于打印的模型文件進(jìn)行校驗(yàn)。若模型全部為綠色顯示并未出現(xiàn)紅色的“嘆號”警示標(biāo)志時(shí)，表明端蓋的STL文件沒有漏洞等相關(guān)錯(cuò)誤，可以直接用于打印。模型在打印前也應(yīng)綜合比較打印過程中打印材料與支撐材料的耗損和打印時(shí)間長短等問題來選擇合適的放置方向，同時(shí)也要充分考慮到模型安裝特征的精度、表面質(zhì)量以及支撐去除難度等問題。本例選擇端蓋口朝下放置在工作臺上，設(shè)定好相關(guān)的打印技術(shù)參數(shù)后開始依次執(zhí)行模型件的分層、支撐創(chuàng)建和刀路軌跡生成等操作。分層后的模型刀路輪廓如圖6所示。分層結(jié)束后為保證模型制備滿足強(qiáng)度要求，可顯示刀路寬度并可自底向上逐層查看刀路軌跡是否存在大面積空刀現(xiàn)象。若存在大面積空刀現(xiàn)象，可在其層厚允許的小范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整來實(shí)現(xiàn)空缺位置材料的填充。

圖6 模型刀路輪廓

在樣件試制時(shí)選用的成型材料為ABS，是目前產(chǎn)量最大且應(yīng)用最為廣泛的聚合物，其熔點(diǎn)較高，具有良好的熱塑性。對于3D打印，模型分層厚度及打印過程中擺放方式對于模型表面粗糙度有較大影響。經(jīng)實(shí)踐證明，在層厚一定的條件下，將重要成型表面作為分層的最頂層完成打印，其表面質(zhì)量將有較大改善。待打印結(jié)束后取出模型，將支撐結(jié)構(gòu)完全溶解后得到的發(fā)電機(jī)端蓋樣件，如圖7所示。

圖7 發(fā)電機(jī)端蓋樣件

3 結(jié)語

快速原型制造技術(shù)對于小批量尤其是單件產(chǎn)品的制造具有顯著的時(shí)間和成本優(yōu)勢。對于多孔類復(fù)雜零部件的逆向重構(gòu)中，在運(yùn)用正逆向混合建模技術(shù)完成模型重構(gòu)時(shí)，對模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)邊界具有鈍化及深孔的位置，運(yùn)用二次正向設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)可有效提高模型的重構(gòu)精度。對于鑄件結(jié)構(gòu)端蓋的模型構(gòu)建誤差基本控制在±0.5mm之間。在端蓋樣件的試制過程中，通過調(diào)節(jié)端蓋擺放方式以及內(nèi)部刀路軌跡能夠使產(chǎn)品表面質(zhì)量與強(qiáng)度得到一定保證。通過端蓋樣件的制備也驗(yàn)證了正/逆向混合建模與特殊結(jié)構(gòu)二次正向設(shè)計(jì)聯(lián)用的方法可提高模型重構(gòu)精度的可行性，能夠?yàn)槎嗫最悘?fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的開發(fā)提供有效的設(shè)計(jì)手段。