朱振國,李旗號

(1.安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程學(xué)院， 安徽 合肥 230011; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院， 安徽 合肥 230009)

傳統(tǒng)的機械正向設(shè)計是依據(jù)產(chǎn)品圖紙或者相關(guān)技術(shù)參數(shù)為依據(jù)進行生產(chǎn)，但是對于沒有圖紙參數(shù)只有實物模型的情況就只能選擇逆向工程技術(shù)。在產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)過程中，有些產(chǎn)品的造型過于復(fù)雜，只能通過泥?；蚰灸５确椒ǐ@得產(chǎn)品原型，并沒有數(shù)字模型，于是需要將這些產(chǎn)品原型進行數(shù)據(jù)測量還原為數(shù)字模型，方便后續(xù)的改型與再設(shè)計，這種方法統(tǒng)稱為逆向工程或反求工程[1-2]。逆向工程技術(shù)實質(zhì)上就是將實物模型轉(zhuǎn)化為CAD模型的數(shù)字化測量技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱，與傳統(tǒng)正向設(shè)計相比，逆向工程技術(shù)實現(xiàn)了“由無到有”的革命性轉(zhuǎn)變，它是作為數(shù)字化與快速響應(yīng)制造大趨勢下的一項重要的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計技術(shù)，已在制造業(yè)各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3]。

以斷齒齒輪教具的逆向修復(fù)為案例，介紹逆向設(shè)計的流程以及3D打印的情況，具體流程如圖1所示。

1 斷齒齒輪點云數(shù)據(jù)的生成

在一次正常教學(xué)過程中不慎將該活動齒輪墜落地面，出現(xiàn)其中兩個嚙合齒斷裂現(xiàn)象，如圖2所示。該斷齒齒輪屬于難再修復(fù)零部件，其具有以下特點：一是教具有一定的使用年限，沒有相關(guān)的設(shè)計圖紙，而且對嚙合精度要求較高；二是該齒輪為非標(biāo)準(zhǔn)化零部件，且其為嚙合齒輪齒系中唯一可拆卸齒輪，用于向?qū)W生展示齒輪結(jié)構(gòu)構(gòu)造。如果不能修復(fù)，整套齒輪傳動系統(tǒng)就無法工作，浪費教學(xué)資源；三是該齒輪材質(zhì)為鑄鐵，設(shè)計選材不合理，因重量較大，每次拆卸不方便。本次優(yōu)化將把斷齒齒輪的輕量化設(shè)計考慮進去。

圖1 斷齒齒輪修復(fù)制造流程

圖2 斷齒齒輪

數(shù)據(jù)采集是逆向技術(shù)的第一步，也是最關(guān)鍵的一步，因為數(shù)據(jù)采集得到的點云數(shù)據(jù)是決定后續(xù)產(chǎn)品制造的關(guān)鍵。本次數(shù)據(jù)采集使用的是SHINING3D三維掃描儀，其具體參數(shù)如表1所示。

表1 SHINING3D三維掃描儀主要參數(shù)

在數(shù)據(jù)采集過程中，首先需要考慮的是前處理環(huán)節(jié)。前處理包括表面清理和貼標(biāo)記點，該斷齒齒輪的表面需要進行清理以保證掃描件的干凈無污染，但是由于其本身表面不是黑色或者透明反光，所以不需要噴灑顯像劑，而且由于其存在斷齒和完整齒并存的情況，特征點相對比較突出，所以也不需要進行標(biāo)記點的張貼，表面處理后直接進行三維掃描。

要建立掃描數(shù)據(jù)模型，先要計算出不同測站公共區(qū)域內(nèi)點的旋轉(zhuǎn)參數(shù)和平移參數(shù)，這就需要對點云進行旋轉(zhuǎn)和平移，再旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣[XYZ]T關(guān)系如式(1)[4-5]，即

(1)

SHINING3D三維掃描儀本身具有掃描數(shù)據(jù)自動拼接功能，掃描結(jié)束后自動將若干次掃描數(shù)據(jù)拼接為一個整體的掃描文件，將該點云數(shù)據(jù)保存為“斷齒.asc”后導(dǎo)出，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理做準(zhǔn)備。

2 斷齒齒輪掃描數(shù)據(jù)處理

由于齒輪的齒形和斷齒面曲面較為復(fù)雜，采用Geomagic WRAP和Geomagic Design X逆向工程軟件進行數(shù)據(jù)處理，先將掃描后得到的原始點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到WRAP軟件進行“初修”，然后再將封裝后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Design X進行“定?！保唧w操作過程如下。

1) WRAP點云數(shù)據(jù)“初修”處理。

將獲取的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入逆向軟件，通過逆向軟件將點云數(shù)據(jù)擬合出實體特征并生成產(chǎn)品的3D模型[6-9]；再將三維掃描后得到的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到WRAP軟件中進行第一步“初修”，剛導(dǎo)入的“.asc”格式點云數(shù)據(jù)為原始掃描數(shù)據(jù)，需要進行一定的處理。由于SHINING3D掃描儀得到的掃描數(shù)據(jù)已經(jīng)是自動拼接成的完整數(shù)據(jù)，因此本步驟不需要再進行“手動注冊”，可以直接進入雜點刪除環(huán)節(jié)。此時先將掃描過程中出現(xiàn)的雜點(主要為掃描過程中外部輔助支撐材料，例如橡皮泥等)進行全部刪除，如圖3所示。A處為在掃描過程中為了減少掃描次數(shù)將斷齒齒輪豎直放置便于前后面掃描的橡皮泥點云數(shù)據(jù)，B處為斷齒部分。雜點刪除一般先將整體大部分雜點進行“粗刪”，然后再通過“非連接項”和“體外孤點”命令進行“精刪”。刪除雜點后對數(shù)據(jù)進行封裝，封裝之后的數(shù)據(jù)為面片結(jié)構(gòu)，此時需要對掃描過程中出現(xiàn)的孔洞進行“填充空”處理，然后利用網(wǎng)格醫(yī)生等命令對斷齒齒輪的面片數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，優(yōu)化后得到最終封裝模型，如圖4所示。

圖3 掃描原始數(shù)據(jù)

圖4 最終封裝模型

2) Design X封裝數(shù)據(jù)處理。

逆向工程技術(shù)中，曲面重構(gòu)一直是最為復(fù)雜、最為重要的一個環(huán)節(jié)。其涉及的影響因素較多，比如邊界條件如何確定，型值點的權(quán)值以及其相應(yīng)權(quán)值點的反求，造成曲面重構(gòu)較為困難[10]。曲面重構(gòu)一般選用NURBS曲面插值，它是由曲線差值推廣得到的，曲面表達式如式(2)，即

(2)

本例中，將經(jīng)過WRAP處理后的面片數(shù)據(jù)(斷齒.STL)導(dǎo)入到Design X軟件中進一步處理，主要運用曲面擬合和曲面剪切的功能。對于由其他軟件導(dǎo)入到Design X中的數(shù)據(jù)模型，一般要先進行對齊，也就是坐標(biāo)系的重建；然后開始進行曲面擬合，選擇一個完整的輪齒刷上領(lǐng)域，根據(jù)所刷到的領(lǐng)域依次建立擬合曲面。曲面擬合完成后進入曲面剪切環(huán)節(jié)，在事先通過“描紅”得到的實體上導(dǎo)入輪齒的擬合曲面，剪切出來的模型就是輪齒的形狀，如圖5所示。由于斷齒齒輪整體具有一定的對稱性，在得到一個完整的輪齒后，通過陣列得到全部的輪齒，實現(xiàn)斷齒齒輪的完整性修復(fù)，如圖6所示。

圖5 斷齒齒輪模型的曲面剪切

圖6 DX中修復(fù)的完整齒輪

3 輕量化創(chuàng)新設(shè)計和增材制造

原斷齒齒輪材質(zhì)為灰鑄鐵，但是由于該機構(gòu)僅用于普通的教學(xué)演示，運行時間短、嚙合力小、對強度要求不高，經(jīng)驗證換成ABS材質(zhì)的齒輪。在嚙合過程中可以滿足要求，因此3D打印過程中材質(zhì)選擇ABS。該齒輪是齒系傳動中的唯一可拆卸零部件，拆卸的目的是為了更好的將齒輪結(jié)構(gòu)展示給學(xué)生觀看。但是其自身鑄鐵的材質(zhì)也很容易造成輪齒在撞擊情況下的損壞，輕量化設(shè)計可以在不改變齒輪傳動效果的情況下，通過合理優(yōu)化材料布局、減少材料等方法達到輕量化目標(biāo)。在這個過程中零件的機械強度、安全系數(shù)等仍滿足要求，破損齒輪的輕量化設(shè)計是在UG軟件中進行的。為了實現(xiàn)這一效果，先將DX修復(fù)后的完整齒輪模型保存為“.STP”格式，然后導(dǎo)入到UG軟件中進行輕量化減材設(shè)計。對輕量化設(shè)計進行強度和受力校核，結(jié)果滿足要求，保存模型以備后續(xù)3D打印。

本案例使用的是WEDOO FDM 3D打印機，F(xiàn)DM 工作原理是將低熔點絲狀材料通過加熱器的擠壓頭熔化成液體，使熔化的熱塑材料絲通過噴頭擠出，噴頭沿工件的每一橫截面的輪廓準(zhǔn)確運動。每完成一層成型，噴頭再進行下一層截面的掃描噴絲，這樣逐層由底到頂?shù)囟逊e成一個實體模型或零件[13]。在進行打印之前，先將處理好的三維模型導(dǎo)入切片軟件進行切片預(yù)處理，調(diào)整模型的放置位置、角度，設(shè)置層厚、填充方式、支撐角度等參數(shù)。其中層厚對3D 打印精度的影響最為關(guān)鍵，層厚越小打印精度越高[14-15]。切片處理完成后保存文件，直接導(dǎo)入到打印機進行產(chǎn)品制造。為了滿足輕量化的設(shè)計需求，打印材質(zhì)選擇PLA絲材，最后打印出符合條件的齒輪模型，如圖7所示。齒輪打印出來后與原來齒輪系統(tǒng)進行嚙合，滿足要求。

圖7 3D打印的齒輪實物模型

4 結(jié)語

利用增材制造技術(shù)、逆向技術(shù)等解決了非標(biāo)準(zhǔn)化齒輪零部件破損修復(fù)并輕量化的問題，利用逆向技術(shù)將破損的斷齒齒輪進行修復(fù)。根據(jù)齒輪的受力特點和工作環(huán)境，對齒輪進行二次的輕量化設(shè)計，設(shè)計結(jié)束后進行強度校核，最終結(jié)果滿足設(shè)計要求。采用3D打印技術(shù)將建模數(shù)據(jù)打印成實物模型，并將其安裝后進行運行驗證，結(jié)果滿足要求。