劉帥 苗盈

摘? 要：以齒輪泵為例介紹了逆向設(shè)計的方法和流程。首先使用三坐標測量機采集齒輪泵各個零件的點云數(shù)據(jù)，然后采用Siemens NX軟件對齊點云數(shù)據(jù)進行逆向建模，最后使用3D打印機制作實物樣品來驗證逆向設(shè)計是否合理。通過逆向工程可以吸收先進技術(shù)，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，對產(chǎn)品的快速開發(fā)和改進創(chuàng)新具有一定的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：逆向設(shè)計;齒輪泵;3D打印;三坐標測量

中圖分類號：U463.6? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）25-0044-03

Abstract： Taking gear pump as an example， the method and process of reverse design are introduced. Firstly， the point cloud data of each part of gear pump was collected by coordinate measuring machine. Then Siemens NX software was used for aligning point cloud data and reverse modeling. Finally， 3D printer is used to make physical samples to verify whether the reverse design is reasonable. The prototype of gear pump can be quickly restored through reverse design， on this basis the following product improvement and innovative design can be carried out， and the development cycle of gear pump can be shortened.

Keywords： reverse design; gear pump; 3D printing; three-coordinate measuring

1 概述

逆向工程技術(shù)是通過現(xiàn)代測量手段獲取產(chǎn)品外形點云數(shù)據(jù)，進行數(shù)字模型重構(gòu)并優(yōu)化，完成設(shè)計意圖，得到預(yù)期產(chǎn)品模型，最后利用先進制造技術(shù)制作模型樣品，測試模型可用性的過程，廣泛用于模具設(shè)計、快速成型等領(lǐng)域[1-3]。本文以齒輪泵為載體，使用三坐標測量機采集齒輪泵各個零件的點云數(shù)據(jù)，然后采用Siemens NX軟件對齊點云數(shù)據(jù)并進行逆向建模，最后使用3D打印機制作實物樣品來驗證逆向設(shè)計是否合理，其逆向設(shè)計流程如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是從已有產(chǎn)品原型表面獲取點云數(shù)據(jù)的過程[4]。點云數(shù)據(jù)采集是逆向設(shè)計的基礎(chǔ)[5]。常見的數(shù)據(jù)采集方式有三坐標測量機采集和激光掃描儀采集兩種，本文采用三坐標測量機對齒輪泵進行接觸式數(shù)據(jù)采集。首先進行數(shù)據(jù)采集規(guī)劃，其目的是使數(shù)據(jù)采集正確、高效。一般原則是：（1）順著特征方向走，沿著法線方向采;（2）重要部位精確多采，次要部位適當取點;（3）復(fù)雜部位密集采點，簡單部位稀疏采點;（4）先采外廓數(shù)據(jù)，后采內(nèi)部數(shù)據(jù)[6]。

圖2（a）所示為使用三坐標測量機采集上端蓋數(shù)據(jù)的過程，圖2（b）所示為采集得到的上端蓋點云數(shù)據(jù)，將點云數(shù)據(jù)保存為IGES格式。齒輪泵其他零件的數(shù)據(jù)采集方法與上端蓋類似。

3 數(shù)據(jù)對齊

導入到NX軟件中發(fā)現(xiàn)齒輪泵各個零件的點云數(shù)據(jù)的位置關(guān)系不正確，如圖3（a）所示。所以，必須進行點云數(shù)據(jù)對齊操作，對齊流程如圖4所示。

第一步，對齊上端蓋和泵體的點云數(shù)據(jù)。首先，選擇上端蓋底面上的點云數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個平面。然后，將構(gòu)成圓孔的點云數(shù)據(jù)投影到平面上，用這些投影點創(chuàng)建兩個圓。最后，連接兩個圓的圓心創(chuàng)建一條直線。上端蓋坐標系的Z軸方向為平面的法向，X軸方向為直線方向，原點為直線的中點。用同樣的方法創(chuàng)建泵體的坐標系。移動組成泵體的所有點云數(shù)據(jù)，使泵體的坐標系與上端蓋的坐標系對齊。

第二步，對齊泵體和下端蓋的點云數(shù)據(jù)。此時，不需要重新建立泵體的坐標系，只需將其移動至泵體與下端蓋的安裝面上，然后建立下端蓋的坐標系。同樣，移動下端蓋的所有點云數(shù)據(jù)，使泵體的坐標系和下端蓋的坐標系對齊。

最后用同樣的方式，將底座的點云數(shù)據(jù)對齊到下端蓋。對齊后的齒輪泵點云數(shù)據(jù)如圖3（b）所示。

4 逆向建模

采用Siemens NX軟件在點云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對齒輪泵進行逆向設(shè)計，下面從過點精度、基準坐標系、成型特征和裝配特征四個方面進行介紹。

4.1 過點精度

過點精度是指通過逆向設(shè)計創(chuàng)建的特征與點云數(shù)據(jù)的之間的偏差，是衡量逆向設(shè)計是否精確的重要指標之一。過點精度要求與特征類型有關(guān)，一般特征的過點精度要求在0.5mm以內(nèi)，上端蓋的頂平面、底平面和四周側(cè)面是確定基準坐標系的重要依據(jù)，所以這些平面的過點精度要求在0.2mm以內(nèi)。螺絲孔、齒輪軸安裝孔等與裝配有關(guān)的特征，過點精度要求在0.3mm以內(nèi)。

4.2 基準坐標系

觀察產(chǎn)品外觀和點云數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)各個組件的頂平面和底平面均互為平行，且與內(nèi)部結(jié)構(gòu)近似垂直，所以上端蓋、泵體、下端蓋和底座四個組件共用一個基準坐標系，并將其確定在上端蓋的頂面上。圖5所示為最終創(chuàng)建的基準坐標系。

4.3 成型特征

上端面、泵體和下端蓋的分型線均位于底平面上方2mm處。以分型線所在處的平面為工具，使用拆分體命令將整體拆分成兩部分，分別進行拔模。為了滿足模具成型工藝，保證產(chǎn)品能順利的從模具中取出，在設(shè)計過程中設(shè)置脫模斜度。脫模斜度的大小可以參照點云數(shù)據(jù)，但必須保證脫模斜度≥0.5°。

4.4 裝配特征

裝配特征制作的要點如下：（1）各個零件之間的安裝平面必須貼合;（2）上端蓋、泵體、下端蓋和底座上的螺絲孔的軸線必須一致，上端蓋、泵體和下端蓋上的齒輪軸安裝孔的軸線也必須一致;（3）為了產(chǎn)品外形的美觀，上端蓋、泵體和下端蓋的外輪廓形狀保持一致;（4）設(shè)計完成后，利用Siemens NX軟件的裝配干涉功能檢查各個零件之間是否存在干涉。

5 設(shè)計驗證

為了驗證逆向建模得到的齒輪泵模型的尺寸和結(jié)構(gòu)是否正確，將齒輪泵模型導入到Cura軟件中進行切片處理，然后以聚乳酸（PLA）為打印材料，采用熔絲堆積（FDM）3D打印機試制了齒輪泵的各個零件，如圖6（a）所示。通過外觀檢驗和裝配驗證，齒輪泵各個零件的尺寸及其裝配關(guān)系正確，如圖6（b）所示。

6 結(jié)束語

以齒輪泵為例詳細介紹了逆向設(shè)計的方法和流程，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)對齊、逆向建模和設(shè)計驗證四個方面。通過逆向工程可以吸收先進技術(shù)，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，對產(chǎn)品的快速開發(fā)和改進創(chuàng)新具有一定的應(yīng)用價值。

參考文獻：

[1]李菲.基于逆向工程的塑料制品造型設(shè)計[J].塑料科技，2012，40（2）：76-79.

[2]王君，李文濤，程群超，等.基于逆向工程的產(chǎn)品設(shè)計研究[J].塑料科技，2019，5.

[3]秦旭紅.逆向工程技術(shù)在箱體零件設(shè)計中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2019（02）：34-35.

[4]謝騏.基于三坐標測量機的數(shù)據(jù)采集技術(shù)[J].機械研究與應(yīng)用，2006，19（5）：59-60.

[5]徐連強.陶瓷產(chǎn)品逆向工程建模創(chuàng)新設(shè)計[J].輕工科技，2018，34（07）：83-84.

[6]朱建寧.面向制造的車鉤幾何反求方法研究[D].大連交通大學，2008.