連桿的逆向創新與3D打印在工業產品數字化設計與制造教學和競賽中的研究

陳亞梅

摘 要：逆向創新和3D打印技術已經成為工業產品數字化設計與制造的熱點。本研究以連桿產品為例，探討了連桿的三維數據采集、數據預處理、逆向建模、創新設計、3D打印和數控加工等要點，為高職院校工業產品數字化設計與制造教學和競賽提供參考。

關鍵詞：逆向創新;3D打印;連桿

0 引言

逆向工程（Reverse Engineering，RE）又稱之為反求工程、反向工程，即對現有的零件或實物原型，利用三維數字化測量設備準確、快速地測量出實物表面的三維坐標點，并根據這些坐標點通過三維幾何建模方法重構實物CAD模型的過程。逆向工程設計的典型工作流程如圖1所示。

3D打印技術是一種新型的快速成型技術，稱之為“未來制造業發展的必然趨勢”。3D打印技術又稱為“增材制造”（Additive Manufacturing）技術，是一種基于計算機輔助設計的、主要采用逐層疊加制造方式將材料緊密結合在一起的工藝方法，主要分為選擇性激光燒結（SLS）、選擇性激光熔化（SLM）、直接金屬激光燒結（DMLS）、電子束選區熔化（EBSM）等，3D打印技術被譽為“第三次工業革命標志性的生產工具”。

本文以連桿為例，講述了連桿產品的三維數據采集、數據預處理、逆向建模、創新設計、3D打印和數控加工等研究要點，為高職院校工業產品數字化設計與制造教學和競賽提供參考。

1 連桿設計與加工

1.1 三維數據采集

三維掃描設備采集點云數據是逆向工程設計的最初階段，是進行產品最終制造前進行CAD創新設計的先期基礎。連桿如圖2所示，三維數據采集可以分為接觸式和非接觸式兩種。本文采用非接觸式三維數據采集中的照相掃描法，使用如圖3所示的Win3DD單目型支架式三維掃描儀對連桿進行三維掃描，獲取連桿的點云數據。連桿正反面三維數據采集結果如圖4所示。

1.2 數據預處理

利用Geomagic Wrap軟件對前期采集三位數據進行點云數據預處理，主要處理分析步驟為精簡數據、降低噪音、異常點處理、修補破洞、消除特征等，封裝后的“*.stl”格式的三角片面效果如圖5所示。

1.3 逆向建模

利用Geomagic DesignX對連桿預處理后的三維數據進行逆向建模，對經點云數據預處理后的“*.stl”三角面片數據進行自動面片擬合，生成曲面（或曲面片），經過一系列曲面編輯，如過渡、拼接（縫合）和剪裁等，完成完整的曲面模型構建，得到了逆向的三維數字模型，如圖6所示。運用Geomagic Control軟件的功能并通過偏差圖譜分析了建模精度，主要有2D比較和3D比較兩種方法，過程點采樣分析如圖7所示，完成成型面精度和產品品質的檢測。

1.4 創新設計

如圖2所示連桿零件的大頭在實際應用中與曲軸連接，隨著曲軸一起做旋轉運動，整個搖臂桿零件在工作中，除承受來自活塞的壓力外，還要承受縱向和橫向的慣性力。同時連桿裝卸不太方便。創新設計點：拆分整體式連桿，搖臂桿的大頭設計兩個平凸臺，用螺栓連接固定，凸臺上設計兩個直接為?9的孔，凸臺的寬度設為螺栓孔的1.5倍，為了防止工作人員碰傷以及應力集中，對各個部位進行了倒圓角處理，創新后的連桿便于裝配與拆卸，外形設計美觀，結構合理，符合機械加工工藝。利用NX10/CAD模塊對連桿進行建模設計，效果如圖8所示。

1.5 3D打印快速成型

創設設計后的連桿在實際機械加工之前需要驗證其裝機效果驗證，先利用3D打印技術快速成型零件實物予以驗證裝機效果。3D打印技術又稱為“增材制造”（Additive Manufacturing）技術，是一種基于計算機輔助設計的、主要采用逐層疊加制造方式將材料緊密結合在一起的工藝方法。運用Makerbot軟件對連桿NX10/CAD的“*.stl”文件進行切片等處理，使用Replicator Z18打印機進行實物打印，打印實物如圖9所示。

1.6 數控加工與裝配

快速打印的模型經過裝機驗證后，進入連桿的數控加工和裝配階段。首先完成加工工藝的編制，然后在NX10/CAM加工模塊中完成刀具的選擇，加工的模擬，程序的生成及后處理等，連桿是整體加工，數控加工完成后兩邊臺階鉆孔，最后鋸斷。使用內六角螺釘、防滑墊片、平墊片及螺母完成連桿裝配，實物效果如圖10所示。

2 結束語

逆向創新設計技術和3D打印快速成型技術在工業產品數字化設計與制造中已經得到了廣泛的應用，并成為熱點。本文以連桿產品為例，在原有的產品實物基礎之上進行三維數據采集、數據預處理、逆向建模等步驟完成連桿逆向工程，創新設計后的建模文件通過3D打印技術完成產品的快速成型，裝機驗證，最后通過數控加工的方法完成連桿的實際加工，最終裝配成型。整個過程為高職院校工業產品數字化設計與制造教學和競賽提供參考。

參考文獻：

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[2]魏青松，李繼康等.“新工科”下3D打印前言學科三位一體多維度教學模式研究[J]，2020（09）：10-14.