程美 朱旭晖 欧阳波仪

（湖南汽车工程职业学院）

随着汽车产业的发展，对零部件生产制造周期和更新换代周期都提出了更高要求。汽车车灯直接影响汽车外观和使用效果，零件质量要求高，更新换代快，因此应采用快速经济的零部件开发方法。文章应某汽车车灯生产厂家要求，根据其提供的某车灯座实物，运用三维扫描技术，获得实物表面精确的三维点云数据，再进行产品模型重建，得到实物数字模型。根据三维模型进行三维打印，加工出产品原型，经用户审核和修改，确认产品符合要求。该产品开发全部过程仅用了2天时间，与传统的设计与制造方法相比，从设计到生产的周期大大缩短，开发成本显著降低，产品质量完全满足使用要求。

1 F200卡车灯座的逆向工程

1.1 逆向工程技术及其关键技术

1.1.1 逆向工程技术

逆向工程（RE）是与“正向设计”过程相对应的新兴技术，是对实物模型测量获得数据，依据数据构建出CAD模型，再将这些模型和设计表征用于产品的分析和制造[1]。

RE是一个“从有到有”的过程，是以已有的产品原型、实物及影像等作为研究对象，运用系统工程学、产品设计学及计算机辅助技术，利用3D数字化测量设备快速测量出工件的轮廓坐标，用CAD软件加以编辑、修改并建构三维模型。

1.1.2 逆向工程中的关键技术

逆向工程的关键技术包括三维测量、数据处理、三维建模、模型分析和评价技术及逆向工程集成等。

1）三维测量是逆向工程的第1步，是利用三维数字化测量设备，运用三维测量技术获得零件表面离散点的几何坐标数据，如何高效、高精度的获得实物表面数据是逆向工程实现的基础和关键技术之一，现有的三维测量方法包括接触式、非接触式及逐层测量技术[2]。

2）为便于三维建模工作，需要完整准确的测量数据，要对测量数据进行数据转换、数据平滑和过滤、数据精简及数据分割等一系列的数据处理[3]。

3）曲面重建技术是三维建模中重要技术之一，是根据测量数据来恢复原始曲面的几何模型，包括函数曲面拟合法、矩形域参数曲面拟合法、三角曲面拟合法及神经网络拟合法[4]。

4）产品能否符合设计要求是由模型检测和评价决定的，是逆向工程的重要特点。模型分析是对模型进行结构工程分析，包括有限元分析、注塑工艺分析及运动模拟；模型评价是对模型精度进行评价，在造型的数据上取一个参考点，以参考点到评价曲面的偏差为目标函数，对模型的精度进行评价[4]。

5）逆向工程与计算机辅助测量（CAT）、辅助设计（CAD）、辅助制造（CAM）及计算机辅助工程分析（CAE）密切相关，各项技术集成运用对逆向工程的效果起非常关键作用，所以可以认为逆向工程是CAT/CAD/CAM/CAE的技术集成[5]。

1.2 F200卡车灯座的数据采集及三维建模

1.2.1 数据采集与处理

文献[6]研究表明，较高精度大量点云因测量点集趋于无穷多，比高精度的小量点云更能实现精确的形状描述和曲面拟合、误差更小。因此，本研究三维测量采用较高精度的大量点云的采样方法[7]。采用博维恒信三维扫描系统，根据系统自带扫描软件中的距离提示，选择合适距离进行扫描，获得的点云，如图1所示。

为了获得完整、正确的测量数据，方便后面的曲面重构，对点云数据进行预处理，将图1所示的点云数据中因外界干扰形成的点及不在扫描线上的杂点删除，即降噪处理[8]；将测量时出现的对齐、变形及测量误差数据进行处理，减少干扰点和误差等对重建模型精度的影响。

1.2.2 曲面重构与3D造型

数据处理完成后，以IGES格式输出到UG软件中进行曲面的重构。首先提取关键截面曲线的点云数据，选择互交式剖切截面线，进行生成曲线操作；然后寻找坏点并修改坏点的坐标值，对曲线进行粗光顺和精光顺等处理，即完成曲线的光顺处理；最后采用曲线生成曲面的方式，进行曲面的重构。

曲面创建后，对其进行误差分析和光顺品质检查，并运用X曲面命令，调节曲面控制点，使曲面满足精度要求。曲面构建完成后，对内部结构设计，使用偏置等命令构建F200卡车灯座的三维造型，如图2所示。

图2 F200卡车灯座3D造型图

2 F200卡车灯座的快速成型

2.1 快速成型技术及3D打印技术

2.1.1 快速成型技术

快速成型（RP）技术是基于“增材”加工法将三维模型制造成三维实体原型的一项技术[8]，是当今世界上发展最快的制造技术。该技术应用于新产品开发，不但能节省开发时间，而且能精确体现设计者的设计理念，为产品的评审决策工作提供直接和准确的模型依据，减少决策工作中的不正确因素。

RP制造的主流工艺有10多种，其中光固化成型（SLA）、分层实体制造（LOM）、选择性激光烧结（SLS）、熔丝沉积制造（FDM）及三维打印（3DP）等相对成熟且应用广泛，各种工艺的差别在于使用的成型原材料及每层轮廓的成型方法[9]。

2.1.2 3D打印技术

3D打印技术作为第3次工业革命的代表性技术之一，是通过“分层制造，逐层叠加”的原理，将其一层层叠加，把计算机中的三维效果图打印出三维实体[10]。3D打印的基本过程，如图3所示。首先在计算机中创建三维数字模型，然后按照一定规律在Z方向离散成有序片层；根据片层信息，输入加工参数，生成加工代码；最后3D打印机喷头在程序控制下沿轮廓路径喷出材料，上下材料粘接在一起，得到三维实体。3D打印技术依据所用材料的性质及片层结构的生成方式不同，大致可分为光敏树脂选择性固化工艺（SLA）、SLS及丝状材料选择性熔覆工艺（FSM）。

图3 3D打印基本原理图

2.2 F200卡车灯座的3D打印

F200卡车灯座的快速成型是运用丝状材料选择FDM工艺，选用UP Plus 2三维打印机进行3D打印，该设备不需要使用激光器等耗材，采用双喷头系统，一个喷零件材料，另一个喷支撑材料，控制软件Aurora具有分层和控制功能。具体操作过程为：将F200卡车灯座三维模型（STL格式文件）载入三维打印机；通过自动布局的方式，将模型垂直放置在平台正中央；初始化打印机后，将喷头高度校准至距离打印平台0.2 mm；检查喷嘴与打印机平台的距离，并调平打印机平台后，将平台固定；设置如图4所示的打印参数；设置温度达到100℃时开始打印，打印完成后，取出模型，去除支撑材料，获得三维打印实体。

图4 F200卡车灯座打印参数设置界面

经过上述一系列的3D打印操作和处理，最后得到F200卡车灯座的产品原型，如图5所示。经检测，F200卡车灯座3D打印原型各项指标完全符合设计要求。

图5 F200卡车灯座产品3DP原型

3 结论

文章基于RE和RP技术完成了对F200卡车灯座三维模型的重构、分析及快速成型制造等方面的工作。结果表明：RE技术是一种能够精确表达和重现产品模型的新设计技术，其与RP技术的结合和一体化，可以高效自动地将设计思想物化为具有结构和功能的原型或直接制造零部件，这为后续对新产品进行快速评价、修改及性能测试等方面提供了有力的依据，同时能够大幅缩短产品开发周期、降低开发成本、避免产品研发失败的风险、提高企业的竞争力和经济效益。