李衛(wèi)民，張凱璇，刁家宇，付松松

基于逆向工程和3D打印的水泵葉輪快速重建方法

李衛(wèi)民，張凱璇，刁家宇，付松松

（遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

以某電子水泵葉輪為例，基于逆向工程及3D打印技術(shù)，介紹水泵葉輪快速重建的全過程。介紹了由Handyscan 3D激光掃描儀和VXelements 3D數(shù)據(jù)采集軟件組成的點云數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)、描述了Ceomagic Studio逆向軟件對點云數(shù)據(jù)處理的方法、CATIA軟件對實體的三維數(shù)字化模型的重建過程等，最后獲得符合精度要求的數(shù)據(jù)模型并通過FORTUS 360mc 3D打印機(jī)完成實物打印的過程。研究結(jié)果對其他種類的產(chǎn)品具有參考價值，逆向工程作為吸收先進(jìn)技術(shù)的一種手段，可以基于原有產(chǎn)品進(jìn)行分析和再創(chuàng)新，對于縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期、提高設(shè)計水平具有重要意義。

逆向工程；Handyscan 3D激光掃描儀；3D打印；數(shù)據(jù)模型；快速重建

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，逆向工程技術(shù)在制造業(yè)中的地位愈發(fā)重要起來。葉輪作為電子水泵的核心部件，在工作中易受水質(zhì)、工作環(huán)境等各種因素影響而造成磨損，影響水泵的工作效率和使用壽命，進(jìn)而造成工程或項目的停滯。而僅因葉輪損壞便重新購入整個水泵設(shè)備，不僅增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本，而且延誤了整個工程或項目的進(jìn)展[1]。因本文提出了利用逆向工程和3D打印技術(shù)對水泵葉輪進(jìn)行實物模型的快速重建方法，以最具效率的方式解決因設(shè)備損壞造成的項目停滯問題。

1 點云數(shù)據(jù)獲取

作為逆向過程的第一步，點云數(shù)據(jù)的獲取尤為關(guān)鍵，數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的高低直接決定了模型重建的效率和精度。本文就以目前市面上使用最廣泛的Handyscan 3D激光掃描儀和VXelements 3D數(shù)據(jù)采集軟件組成的點云數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)對葉輪各部位、各曲面進(jìn)行掃描，采集葉輪的輪廓數(shù)據(jù)。點云數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 點云數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)

1.1 準(zhǔn)備工作

零件在掃描前需在表面均勻噴涂顯像劑，以增強(qiáng)零件表面漫反射率，使得黑色、反射透明表面等物體的點云數(shù)據(jù)獲取更加完整，以獲得高質(zhì)量的點云數(shù)據(jù)模型。但要注意顯像劑噴涂不可過厚，均勻覆蓋表面即可，以免造成尺寸誤差。噴涂顯像劑后的葉輪實物模型如圖2所示。

圖2 水泵葉輪實物圖(著色后)

顯像劑風(fēng)干后，將零件放置于工作臺上，利用工作臺上的標(biāo)記點對零件進(jìn)行定位。在掃描時需要保持零件位置不變，不斷旋轉(zhuǎn)工作臺以掃描零件各部位。

對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，無法通過掃描進(jìn)行內(nèi)部數(shù)據(jù)的獲取，就需要對零件進(jìn)行切割以便于測量，如線切割等。要注意的是，切割后的零件可能會產(chǎn)生誤差和形變而影響測量數(shù)據(jù)。而對于尺寸較大的零件，可以對其表面張貼標(biāo)記點，貼有標(biāo)記點的零件，在掃描過程中可以對零件隨意旋轉(zhuǎn)和翻動，便于零件的整體掃描[2]。

這種基于標(biāo)記點的點云數(shù)據(jù)拼接方法的主要過程原理如圖3所示，圖中黑點代表標(biāo)記點。

圖3 標(biāo)記點數(shù)據(jù)拼接原理圖

由此可知，點云數(shù)據(jù)間至少應(yīng)存在4個共同的標(biāo)記點，根據(jù)共同標(biāo)記點確定位置關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)間的拼接，拼接后的數(shù)據(jù)仍可以用于下次的數(shù)據(jù)拼接，以此確保點云數(shù)據(jù)的完整性[3]。

然后，根據(jù)零件的實際情況和精度要求對VXelements 3D軟件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。在面對不同掃描環(huán)境時，由于環(huán)境條件的改變，掃描儀參數(shù)的設(shè)置并非固定不變的，需要實時改變掃描儀參數(shù)以確保掃描精度，掃描儀配置中如圖4所示。

圖4 掃描儀參數(shù)設(shè)置

1.2 數(shù)據(jù)獲取

掃描時，先對葉輪表面進(jìn)行整體掃描，以獲取點云數(shù)據(jù)模型的大體輪廓；其次針對葉輪上結(jié)構(gòu)復(fù)雜部分以及內(nèi)孔進(jìn)行重點掃描，以保證數(shù)據(jù)的完整性；最后，用同樣方法掃描零件反面，以便于后續(xù)點云數(shù)據(jù)的拼接。

在掃描過程中切忌某一部分點云數(shù)據(jù)掃描次數(shù)過多、時間過長，以免點云數(shù)據(jù)在此處大量堆積，造成尺寸誤差，同時大量的點云數(shù)據(jù)也會降低計算機(jī)運行速度，影響后續(xù)工作效率[4]，掃描成像圖如圖5所示。

圖5 掃描儀掃描成像圖(正面)

2 點云數(shù)據(jù)處理

將采集到的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Ceomagic Studio逆向軟件中進(jìn)行點云數(shù)據(jù)的初步處理。在掃描過程中，受掃描儀精度、掃描環(huán)境、零件幾何特征和人員操作經(jīng)驗的影響會產(chǎn)生大量的噪聲點和無效數(shù)據(jù)，因此在模型重構(gòu)前對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[5]。

2.1 點云數(shù)據(jù)的精簡

在保證數(shù)據(jù)完整度的前提下，對采集到的數(shù)量眾多的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡，以此提升軟件的運行速度，提高點云數(shù)據(jù)的處理效率。對點云數(shù)據(jù)的精簡主要是進(jìn)行濾波處理，濾波是將點云噪音進(jìn)行刪除，以得到精確平滑的數(shù)據(jù)的一種處理方法[5]。目前濾波一般分為高斯濾波、中值濾波、均值濾波。其中高斯濾波就是對整幅數(shù)據(jù)圖像進(jìn)行加權(quán)平均的過程，用加權(quán)平均后得到的來點表示鄰域內(nèi)的多個點，是一種線性平滑濾波[6]，經(jīng)分析后選擇高斯濾波對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其處理原理如圖6所示。點云數(shù)據(jù)個數(shù)精簡至60%時，如圖7所示。

圖6 數(shù)據(jù)處理方法

圖7 點云數(shù)據(jù)精簡前后對比圖

2.2 點云數(shù)據(jù)的降噪和補(bǔ)缺

通過折角命令將與葉輪點云數(shù)據(jù)無關(guān)的數(shù)據(jù)（主要是工作臺點云數(shù)據(jù)）進(jìn)行刪除，處理后的點云數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 處理后的點云數(shù)據(jù)

對遠(yuǎn)離葉輪點云核心區(qū)域的無效的數(shù)據(jù)、非連接項進(jìn)行圈選刪除，旋轉(zhuǎn)不同角度對不同視角上的偏離數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除。也可以選定葉輪整體點云數(shù)據(jù)后再進(jìn)行反選，以此刪除空間中散布的大量無效噪聲點。通過網(wǎng)格醫(yī)生命令檢測點云數(shù)據(jù)缺失處并自動修復(fù)，再將剩余的缺孔進(jìn)行填充，使葉輪表面無缺口。若葉輪表面粗糙，可通過刪除釘狀物命令在保證不失真的前提下使葉輪表面變平滑。

2.3 點云數(shù)據(jù)的對齊

對掃描得到的葉輪正反面的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行對齊，主要采用Ceomagic Studio逆向軟件中的手動注冊和全局注冊命令進(jìn)行。在采用手動注冊時，首先選擇正反面點云數(shù)據(jù)有明顯特征的公共點，完成點云數(shù)據(jù)的初始拼接，如圖9所示。

圖9 點云數(shù)據(jù)的對齊

其次通過全局注冊命令對初對齊完的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)拼接，直到正反面點數(shù)據(jù)達(dá)到達(dá)到最大迭代。最后對葉輪數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系對齊，使點云數(shù)據(jù)與Ceomagic Studio軟件坐標(biāo)系重合，將葉輪底面與XZ平面創(chuàng)建對，葉輪回轉(zhuǎn)軸線與Z軸創(chuàng)建對，目的是使葉輪點云數(shù)據(jù)以便于建模的方向和位置放置于空間中，便于后續(xù)在CATIA軟件中進(jìn)行模型重構(gòu)。

3 模型重構(gòu)

模型重構(gòu)是逆向工程中非常重要的一部分，主要是將點云數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)化為數(shù)字化三維模型，并在此基礎(chǔ)上完成工程分析和再創(chuàng)新設(shè)計。將在Ceomagic Studio軟件中處理完成的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入CATIA中，應(yīng)用零件設(shè)計模塊、逆向點云編輯模塊、創(chuàng)成式外形設(shè)計、快速曲面重建等模塊完成三維數(shù)字模型重構(gòu)[7]。在葉輪實體點云數(shù)據(jù)獲取過程中，葉輪內(nèi)孔部分因掃描不到導(dǎo)致點云數(shù)據(jù)缺失，這就要求我們手動去測量內(nèi)孔的數(shù)據(jù)，即采用正逆向結(jié)合的方式完成模型重建的整個過程。

水泵葉輪除了葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜之外，其它部分主要為圓柱狀實體組成，因此在建模過程中，利用快速曲面重建模塊中的曲線網(wǎng)格（Curve on Mesh）和二維平面（Planar Sections）命令獲取Z軸上某一高度平面圖，再利用掃描曲線（Curve from Scan）命令獲取該平面的曲線輪廓，即可在CATIA測量該曲線的尺寸，如圖 10所示。

圖10 模型重構(gòu)

對于Z軸方向的高度，主要通過在快速曲面重建模塊中建立兩平面并對平面間的高度進(jìn)行測量。通過上述這種方法，即可獲得圓柱實體的尺寸數(shù)據(jù)，并通過零件設(shè)計模塊中凸臺命令生成圓柱體。

對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的葉片部分，葉片數(shù)據(jù)測量不便，因此我們選擇正逆向結(jié)合的方式進(jìn)行模型的重建。首先在快速曲面重建模塊中按上文所述方法獲取Z軸方向某一平面葉片的輪廓曲線，并通過創(chuàng)成式外形設(shè)計模塊中投影命令將其投影到葉片所在平面。由于葉片部分呈螺旋上升結(jié)構(gòu)，無法通過一次凸臺命令完成構(gòu)建，可先通過凸臺命令將葉片輪廓曲線按Z軸方向拉伸到最大高度，其次在草圖中繪制葉片在X軸或Y軸方向的輪廓曲線、葉片上升弧度曲線，并對多余部分通過凹槽命令進(jìn)行切除，最后通過陣列命令生成其余4個葉片模型。再對葉輪在完成葉片的重建后，可以觀察生成的三維數(shù)字模型與點云數(shù)據(jù)模型的相間程度來確定模型重建的精度，相間頻率越大則說明貼合度較高，誤差較小。在整個模型重建的過程，需要不斷觀察三維數(shù)字模型與點云數(shù)據(jù)間的相間程度，對誤差較大部分及時進(jìn)行數(shù)據(jù)修改，以確保精度要求，葉片重構(gòu)如圖11所示。

圖11 葉片三維數(shù)字模型重構(gòu)圖

在進(jìn)行逆向重建的過程中，要充分研究CATIA中各個模塊、各個命令的作用，不能僅局限于幾個命令就完成三維數(shù)字模型的構(gòu)建，否則很難保證模型精度和效率。另外在建模過程中，需要使用各個模塊中的大量指令，為了節(jié)省時間、提高效率，可以將使用頻率最多的模塊設(shè)為主要重建模塊，并在此模塊中建立工作臺，將其他模塊中所用到的指令添加到主模塊工作臺中，大大減少了切換設(shè)計模塊和尋找命令的時間。

如圖12為模型重建后的葉輪三維數(shù)字模型與點云數(shù)據(jù)模型對比圖。

圖12 重構(gòu)模型與點云數(shù)據(jù)模型對比圖

4 誤差分析

完成三維數(shù)字模型的重建后，通過提取命令將葉輪表面提取出來，再通過偏差分析（Deviation Analysis）命令將葉輪表面與點云數(shù)據(jù)模型之間進(jìn)行誤差分析，其原理是檢測葉輪表面與點云數(shù)據(jù)間的間距數(shù)值以獲取各個點的偏離程度，觀察檢測結(jié)果的數(shù)值是否在要求的公差帶范圍內(nèi)。葉輪的誤差分析如圖13所示，其誤差在±0.6 mm之內(nèi)，存在一定的尺寸誤差。

圖13 誤差分析圖

誤差產(chǎn)生的主要原因是葉輪內(nèi)孔點云數(shù)據(jù)掃描不完整造成的，如圖14中箭頭所指處。

圖14 內(nèi)孔點云數(shù)據(jù)缺失圖

在數(shù)字化模型重構(gòu)過程中需要手動測量內(nèi)孔數(shù)據(jù)，而在進(jìn)行誤差分析時，是將提取到的不完整的點云數(shù)據(jù)模型與重建后的完整的三維數(shù)字模型進(jìn)行誤差對比，因此，在內(nèi)孔部分產(chǎn)生尺寸誤差是不可避免的。另一方面，掃描前顯像劑噴涂不均，測量系統(tǒng)、測量環(huán)境引起的系統(tǒng)誤差，掃面儀的精度、掃描時的光線影響都是產(chǎn)生誤差的次要原因[8]。其次，在進(jìn)行點云數(shù)據(jù)處理的時候，零件各點云數(shù)據(jù)的對齊和點云數(shù)據(jù)與坐標(biāo)系的對齊過程中可能會因為選點不準(zhǔn)確而造成誤差。

為了減少誤差，要針對誤差產(chǎn)生的根本原因進(jìn)行處理[9]：

(1)噴涂顯像劑時，保持最佳噴涂距離，避免顯像劑液體在零件的表面堆積，尤其是狹窄縫隙中堆積；

(2)掃描過程中，保證掃描環(huán)境光線充足，對深孔等內(nèi)部結(jié)構(gòu)掃描時，可以利用手持燈管增強(qiáng)光線條件再進(jìn)行掃描；

(3)對葉輪正反面點云數(shù)據(jù)對齊時，難以在圓柱體表面找到相同位置特征點，可以在噴涂完顯像劑的零件表面進(jìn)行標(biāo)記以便于選擇點云數(shù)據(jù)對齊時的特征點。

5 打印過程

在完成逆向建模并符合精度要求以后，才可以進(jìn)行實體模型的3D 打印。為了方便研究，本文使用ABS-M30塑料材料代替制造水泵葉輪所需的原材料，并通過FORTUS 360mc 3D打印機(jī)完成打印過程。在進(jìn)行打印之前，需要對打印方式進(jìn)行選擇，主要是對支撐材料的支撐方式和打印位置進(jìn)行選擇。支撐方式主要分為五種：

Smart方式 使用盡可能少的支撐材料，支撐面積稍比模型件小些，支撐材料傾斜增長，使用的支撐材料最少。這種方法不適合重心較高的模型，易在打印過程中出現(xiàn)模型倒塌的現(xiàn)象。

Sparse方式 應(yīng)用這種模式生成的支撐體的面積更大一些，大致與模型件等大，支撐體垂直增長。

Basic方式 支撐面積不僅與模型的投影面積等大，同時支撐體內(nèi)部形成的打印刀路更加緊密。

Surround方式 應(yīng)用這種方式支撐體內(nèi)部刀路不僅線條緊密且比待打印模型的投影面積還要更大一些，支撐范圍大于待打印模型件大小。

Box方式 軟件自動計算層厚，在支撐材料中間，每隔一定高度打印一層模型材料，支撐體最終可通過分塊的方式拆除。

由于葉輪結(jié)構(gòu)重心低，自身可平穩(wěn)放置于平面上，對支撐材料的要求不大，因此選擇Smart方式，盡量避免支撐材料的使用，減少打印時長。圖15所示為不同支撐方式下支撐材料的形狀。

待打印結(jié)束后，將零件從打印機(jī)中取出，并放入溫度為70℃的堿性溶液中超聲波處理后，即可消除支撐材料，得到完整零件模型。圖16所示為打印模型與實物模型(著色后)對比圖。

圖16 打印模型(左)與實物模型(右)

6 結(jié)論

針對因水泵葉輪損壞而導(dǎo)致的工程停滯問題，提出利用逆向工程和3D打印技術(shù)進(jìn)行葉輪實物的快速重建方法。

通過掃描儀對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，使用逆向軟件進(jìn)行點云數(shù)據(jù)的處理和三維數(shù)字化模型的重建，最終通過3D打印機(jī)獲得了符合精度要求的重建實物模型，以高效率、低費用的方法切實解決了工程的當(dāng)務(wù)之急，同時也證明了此方法的有效性。另一方面，針對逆向過程中所遇到的問題，提出了具有參考價值的解決方法。

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Rapid Reconstruction of Pump Impeller Based on Reverse Engineering and 3D Printing

LI Wei-min, ZHANG Kai-xuan, DIAO Jia-yu, FU Song-song

（College of Mechanical Engineering and Automation, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

Taking an electronic pump impeller as an example, this paper introduces the whole process of rapid reconstruction of the pump impeller based on reverse engineering and 3D printing technology. This paper introduces the point cloud data acquisition system composed of Handyscan 3D laser scanner and VXelements 3D data acquisition software, describes the method of point cloud data processing by Ceomagic Studio reverse software, and the reconstruction process of entity 3D digital model by CATIA software, etc. Finally, the data model that meets the precision requirements is obtained and the process of physical printing is completed by 3D printer. The research results have reference value for other kinds of products. As a means of absorbing advanced technology, reverse engineering can analyze and re-innovate the original products, which is of great significance for shortening the research and development cycle of new products and improving the design level.

reverse engineering；handyscan 3D laser scanner；3D printing；data model；rapid reconstruction

10.15916/j.issn1674-3261.2022.06.001

TP391

A

1674-3261(2022)06-0351-06

2021-10-09

2020年遼寧省教育廳科學(xué)研究經(jīng)費項目(202015401)

李衛(wèi)民(1965-)，男，遼寧朝陽人，教授，博士。

責(zé)任編輯：陳 明