陈堰芳

（上海电机学院高职学院，上海200240）

基于逆向工程的摇臂杆零件的快速成型

陈堰芳

（上海电机学院高职学院，上海200240）

使用专业的三维扫描装置获取摇臂杆零件的点云数据，对点云数据进行精确的处理以及曲面重构，得到摇臂杆零件的曲面模型，最后将曲面模导入3D打印机，完成摇臂杆零件的快速成型制造。结果表明：基于逆向工程与快速成型技术可以比较精确地还原实体的各项特征，能够缩短新产品的研发周期，降低制造成本。

逆向工程；曲面重构；快速成型

逆向工程（Reverse Engineering）也称反求工程，是近年来迅速发展的一种产品开发设计制造技术，它是指设计人员对现有实物模型进行测量、数据处理及模型重构，最后经过CAD/CAE/CAM系统改进旧产品、创造新产品的过程。目前，随着科技的发展，3D打印技术不断完善，加快了工业产品制造的进程。逆向工程与3D打印技术相结合，这种设计制造技术给设计人员提供了方便快捷的产品开发途径，缩短了产品的设计制造周期，在工业产品开发中得到广泛的应用。袁晓东运用逆向工程技术对普通办公座椅进行了创新设计；陈田、全志龙等依据逆向设计的原理，对核电关键零件钩爪的模型重构进行了研究，提出了减小样件与原模型之间误差的方法；杨航以排水叶轮为例，初步研究了3D打印技术在机械零部件逆向工程中的应用。

文章运用逆向工程技术，对某产品的摇臂杆零件进行扫描获取其表面的点云数据，然后对点云数据进行精确处理和曲面造型，得到了比较可靠的曲面模型，导入3D打印机，进行该摇臂杆零件的快速成型制造。

1 逆向工程

逆向工程是一个从有到无的过程，根据已存在的产品模型或实物，通过各种测量手段、数据处理软件及三维几何建模方法，将原有的实物模型转化为三维数字模型，反向推出产品的设计图纸数据。

图1 逆向工程流程

图1为逆向工程流程。从图1可以看出，在逆向工程设计的过程中，可以根据机械零部件实物模型表面形状的特点来选取合适的测量方法和设备，来进行数据测量，得到一个精确的质量良好的点云，对测得的点云数据进行必要的剔除错误点、修补数据漏洞、降噪拉回偏离的杂点和噪声点、过滤一部分数据点等处理，最后进行点云数据的网格化、特征提取、表面分片和曲面生成等操作实现曲面重构，将得到的三维数字模型导入3D打印机中，制造出样件，完成该机械零部件的快速成型制造。

2 点云数据处理

在Geomagic Studio软件中导入扫描获取的摇臂杆零件点云数据，其数据处理过程如下：手动删除误采集到的意外点和体外孤点，其次通过减少噪音命令，将点移至统计的正确位置以弥补扫描误差，然后通过统一采样命令，设置采样间距和曲率，以规定密度来减少平坦曲面上的点数目。

通过封装命令，将点云网格化，使点对象转换成多边形对象，清除孔洞周围的点云数据，通过填充孔命令，完成孔洞的修补，得到完整的点云数据。然后通过快速光顺/砂纸/松弛命令，可以使三角网格的大小一致而且更平滑。最后通过网格医生命令，修复三角网格内的缺陷，得到一个质量良好的摇臂杆零件三角网格点云，如图2所示。

图2 摇臂杆零件的三角网格点云图

3 曲面模型重构与3D打印

将三角网格点云导入UG软件中，观察模型特征及创建方法，建立基准坐标系，使模型水平放置，采用拉伸命令创建两端的特征。创建若干竖直的基准平面，通过截面与点云的交点，绘制截面曲线并进行优化处理，然后通过曲线网格命令，获得摇臂杆零件的曲面。通过延伸或修剪命令，使曲面与两端接触，能够形成封闭空间，进行曲面缝合、布尔运算求和、拔模等操作，形成初步的曲面模型。最后通过倒圆、倒角等命令进行细节处理，得到最终的曲面模型，完成摇臂杆零件的曲面模型重构，如图3所示。

图3 摇臂杆零件的曲面模型

使用3D打印机对摇臂杆零件的曲面模型进行快速成型制造，其过程如下：以STL格式将曲面模型导入3D打印机，调整模型的位置与打印比例，然后将打印机初始化，校准喷头的高度，调平打印平台，固定打印平板，设置合适的打印参数，待打印结束后，取出3D打印的实体模型，去除支撑材料，得到完整的摇臂杆零件的打印实物，如图4所示。

图4 打印好的摇臂杆零件

4 结语

文章介绍了逆向工程的流程，并以某工业产品的摇臂杆零件为例，利用Geomagic Studio和UG软件对采集的点云数据进行优化处理和曲面模型重构，最后将得到的三维数字模型导入3D打印机中，打印出摇臂杆零件的实体。实践表明，这种基于逆向工程的机械零部件的快速成型设计方式，可以应用到产品的快速改造与创新优化中，能够缩短新产品研发周期、降低研发成本。

［1］裴永生,王连东,阮世捷.逆向工程在轿车顶盖多点成形中的应用［J］.中国机械工程,2008,19（6）：748-750.

［2］袁晓东.基于逆向工程与3D打印技术的产品创新设计研究［J］.机械设计,2015,32（10）：105-108.

［3］陈田,全志龙,王旭,王耀,贾宏燕,叶家槟.基于逆向工程的典型零件快速成型及误差分析［J］.上海电机学院学报,2015,18（6）：311-315.

［4］杨航.3D打印技术在机械零部件逆向工程中的应用［J］.中州煤炭,2015,1：92-94.

［5］曾林林,周利平,刘小莹.基于Geomagic Studio的汽车车身逆向建模技术的研究［J］.成都工业学院学报,2013,16（4）：48-51.

陈堰芳（1989-），女，湖北武汉人，硕士研究生，主要研究方向：机械设计制造及其自动化。