基于逆向工程和快速成型技术的零件制造

基于逆向工程和快速成型技术的零件制造

摘要：随着当前制造业的快速发展和用户对产品的要求不断地提高，产品更新

换代越来越快，这对产品开发提出了更高的要求。利用先进设计与制造理念和手段，对现有产品进行再设计以满足用户要求的产品开发方法是缩短产品开发周期

和降低产品研制开发成本的一种可行方法。

关键词：逆向工程；快速成型技术；零件制造

1基于逆向工程的产品数字化建模流程

1.1改良设计任务

一家专门生产高级液体鞋油的公司所用的塑料油瓶外包给另一家塑胶模具公司。由于模具公司设计部电脑受到黑客攻击导致所保存的原鞋油瓶的所有设计图

档等数据全部丢失。前期有用户在使用该款鞋油时反馈瓶盖过于光滑，不易扭开。经过前期的市场调研，公司决定在现有瓶身的基础上，重新优化设计鞋油瓶盖，

推出一款新的鞋油产品。

1.2原模型设计数据的获取

（1）扫描仪标定。在正式扫描之前必须先对扫描仪进行标定以保证扫描的精度，调整扫描距离，将标定板放置在视场中央，通过调整硬件系统的高度以及俯

仰角，使两个十字叉尽可能重合。将标定板水平放置，调整扫描距离后点击“标定”。根据界面左上角的标定指示直到完成标定工作。（2）标志点粘贴。由于物

品是空间曲面轮廓，不可能一次性扫描完毕，因此需要在待扫描物体上贴上标志点，借助标志点将当前扫描得到的点云数据与前一次扫描得到的点云数据进行拼接，最终完成整个物品的数据拼接。标志点要尽量贴在工件的平面区域或曲率较

小的曲面，且距离工件边界较远一些。标志点不要贴在一条直线上，且一定避免

对称粘贴。公共标志点至少为4个，由于图像质量、拍摄角度等多方面原因，有

些标志点不能正确识别，因而用尽可能多的标志点，一般5—7个为宜。粘贴的标志点要保证扫描策略的顺利实施，并使标志点在长度、宽度、高度方向均应合理

分布。（3）扫描过程。点击“新建工程”按钮，选择“拼接扫描”后确定，软件上出

现了待扫描物品，尽可能地将“十”字光标对准零件的几何中心位置，然后点击“单帧扫描”完成物品数据的第一次获取，然后转动物品再次扫描，直到全部数据扫描完毕。

1.3点云数据前处理

根据鞋油瓶身的结构特点，选择逆向工程点云处理软件GeomagicWrap对点

云数据优化处理。首先对点云进行优化处理（去噪、去除体外孤点等），然后对

其进行“封装”处理，得到由小三角面片组成的瓶身模型，再对小三角面片进行优

化处理（如简化模型、去除表面特征、砂纸打磨等），得到一个跟原始瓶身相近的、表面较为光滑的瓶身模型。经“封装”处理得到的模型是表面全部由三角面片

所组成的“壳体”模型，需另存为其他三维软件都能识读的中性格式数据文件，即STL格式文件。

1.4产品CAD三维模型重构

将前一步骤得到的瓶身三角网格模型导入三维设计软件进行进一步的实体化

设计。首先，根据产品外形左右对称的特征，提取其三维特征，以瓶底为基准建

立3个相互垂直的基准面（包括中间对称平面）。然后再结合关键点抽取、草绘

样条曲线、混合或边界曲面、裁剪、镜像、组合等命令，完成产品外观曲面模型

的重构。由于该设计目的在于瓶盖的改良设计，因此瓶身只要完成其外形曲面造

型即可。

2产品改良创新设计

根据前述步骤已经完成的瓶身曲面模型，应用三维软件设计与之配套的鞋油

瓶盖，根据创新设计方案的可行性、合理性和零件的工艺性，使其拥有合理的产

品料厚和装配结构，进一步完成瓶盖的结构设计。首先考虑的是防滑设计，根据

鞋油瓶嘴有一定的倾斜，一般拔开的人都会往后向上倾斜45°拔开，这样摩擦力

也会往后上倾斜45°，所以把防滑痕设计成斜向上45°微凸起弯月型，这样既起到

防滑作用，又美观；其次，考虑到大规模大批量生产时的模具脱模的要求，高度

设计为0.15mm；最后，考虑到瓶盖的使用频率较高，在设计时特意在开口面处

设计了3道加强筋以增强盖子的抗变形能力，同时有效防止由于使用过多而导致

盖子损坏。

3快速成型精度分析

3.1快速成型精度影响因素

进行快速成型技术的精度分析一般从尺寸误差、形状误差和表面误差三方面

进行考虑。快速成型尺寸误差是指快速成型制件与CAD模型在x，y，z方向上尺

寸的差值；快速成型形状误差主要指快速成型件在圆度、翘曲变形、扭曲变形、

局部缺陷等的表现；快速成型表面误差主要指制件的表面粗糙度。

所研究的主要是FDM快速成型工艺的误差。按照FDM快速成型工艺流程将

误差进行分类，则误差包括数据处理误差、成型加工误差、后处理误差。

快速成型技术的前期数据处理误差包括格式转换误差和分层处理误差。转换

误差指基于STL的分层方法时需将CAD文件转化为用三角形网格近似表示的STL

文件，从而产生的格式转化误差；分层误差指基于STL模型进行分层时，在分层

厚度和分层方向产生“台阶效应”导致的尺寸和表面误差。成型加工误差指由于机

器误差、材料性能或加工参数设置不合理等导致的快速成型精度损失。后处理误

差主要指去除支撑后造成的物体变形及后处理中打磨抛光等表面处理导致的误差。

3.2快速成型精度评价

快速成型精度评价采用扫描快速成型复制物体的方法，对该复制物体的点云

与重构CAD模型之间的差异。

点云数据与CAD模型对齐通常运用六点定位原理即限定点云6个自由度。在

空间坐标系中，物体具有6个自由度，即沿x，y，z轴移动和绕x，y，z轴转动，可通过限定6个自由度对物体进行定位。

运用对比3D打印复制物体的点云与重构CAD模型之间的差异的方法，将除

了测量误差外的其他误差全部体现到点云与CAD模型之间的偏差。

与逆向工程精度评价方法类似，点云的测量误差Δm为随机误差，运用最大

误差法计算其标准差。将其他误差用点云与CAD模型偏差反应，视为未定系统误差，采用式（2）进行计算。

由于快速成型过程与复制零件点云测量之间互不相关，误差传递系数ai近似

为1。根据式（2）对快速成型误差进行合成，其总体误差为

式中：Δm为测量误差；Δpcc为点云比较误差。

运用σrp对快速成型的精度进行评价，σrev越小，快速成型精度越高。

结论

逆向工程不是简单地将原有物体还原，而是在还原的基础上进行二次创新；

3D打印技术也不只是快速地将模型打印出来，更多的是有思想的创造模型；逆向工程与3D打印技术的结合可以快速地还原物体原貌并快速制作出创新设计的实