3D技术在机械零部件逆向工程中的应用分析

陈卓

摘要：通过3D扫描对机械零部件相应的点云数据进行获取，并运用数据处理技术，结合逆向软件设计，对二维图形和三维视图进行获取，再将逆向设计构建的模型对3D打印机进行导入，即能快速实现成型制造。该技术对装配实验、机械零部件设计以及小批量生产具有较强的适用性。本文浅析了3D技术概况，并结合相关案例探究了3D技术在机械零部件逆向工程中的应用。

关键词：3D技术;逆向工程;机械零部件

前言：在机械制造领域中，逆向工程是指根据实物模型，测取相关数据，在此基础上对二维和三维CAD模型进行直接构造，并在设计制造中加以应用。当前，3D扫描和打印技术日益发展完善，加速了机械零部件的设计制造，摒弃了设计周期较长、制模步骤繁琐的传统模式，3D技术特有的制造模式，为机械领域三维制造提供了高效的全新路线。

一、3D技术概述

3D技术，主要包括两大内容，一是3D数据采集技术，二是3D成型技术。前者包括两类技术，一类是机械式三坐标采集技术，一类是激光扫描采集技术。其中，常规采集通常借助传统量具对零件尺寸进行直接测量，效率较为低下，且极易产生较大误差;激光扫描采集，通常借助三维激光扫描仪，并结合三坐标测量仪，通过激光扫描仪对产品表面相应的点云进行获取，并结合相关拼接和拟合软件，对产品实施数字化的三维建模[1]。3D成型技术主要分为两类，一类是3D打印技术，一类是3D机械加工技术。3D打印主要包括熔融挤压、粒状物料成型以及光聚合打印等技术。

1、3D数据采集技术

3D激光扫描技术在诸多领域得到了日渐广泛的应用。该技术通过激光测距的基本原理，对大量存在于被测物体表面的密集点相应的纹理、反射率和三维坐标进行记录，实现对被测目标相应的图件数据以及三维模型的快速构建[2]。

3D扫描仪主要包括动作捕捉仪、数据处理器、激光扫描头以及移动工作站等构成部分。激光发射器将一组或者数组激光向被测零部件发射，被测零部件将激光反射后，由传感器对之进行捕捉，并经过工作站以及数据处理器的处理，实现点云模型数据的良好生成[3]。

通过3D激光进行扫描，要在旋转平台上放置零部件，并在测量平台上正确放置旋转平台，确保测量平台始终出现在动作捕捉仪相应的可视范围内;通过动作捕捉仪对扫描头与被扫描零部件二者的相对位置进行确定。激光发射器将激光发射至物体表面，物体反射激光后，由激光接收仪对之进行接收，并向处理器传输。在移动工作站上，对数据进行计算处理，据此实现对数据模型的有效生成。

2、3D打印

从打印原理上看，3D打印机类似与传统打印机。但是，就傳统打印机而言，其打印喷头仅能在X方向和Y方向自由移动;而3D打印机的喷头，能实现在X、Y、Z三个坐标中的自由移动。将三维模型导入3D打印机后，即能通过控制器，对机械零部件实施3D打印。另外，3D打印由电脑控制打印机，并通过重复叠加将打印材料按照三维图形，生成相应的立体实物。

二、3D技术在机械零部件逆向工程中的应用

机械零部件逆向工程，是指对机械零部件产品的逆向研究和再现。在逆向工程中，能获取机械零部件在组成结构、具体功能以及处理流程等方面的基本数据，有助于再利用机械零部件的优势，并增强机械零部件的产品功能。在机械零部件逆向工程中，对3D技术进行应用，便于观察零部件细节和保留零部件，能对零部件强化细节处理。3D技术通过电脑运作激光扫描，能基于对机械零部件的良好固定，获取精准性较强的扫描结果，其打印模型能完美再现机械零部件的具体细节，对于机械零部件的精准再造具有重要作用。

本文以3D打印矿山排水用叶轮为例，探究3D打印技术在机械零部件逆向工程中的应用。

1、三维扫描

三维扫描主要包括如下步骤：（1）对矿山排水用叶轮进行选取，对损坏零部件进行观察，据此对扫描方案进行确定。（2）清理测量的机械零部件，将零件表面存在的污渍清除，实现准确的数据采集;开展三维扫描，将控制标靶贴在零部件表面，实施扫描，将4到5个控制标靶贴在其表面，帮助动作捕捉仪对零件具体的空间位置进行定位。手持便携式激光扫描头从上、下、左、右、前、后等方位分别对零件各部分进行扫描，要确保被测零件与激光探头全程出现于动作捕捉仪的固定视野，确保动作捕捉仪与激光探头保持畅通的通信，防止信号质量差导致数据采集出现错误。激光探头完成数据采集后，由处理器对数据进行处理，并对工作站进行输送，在计算机屏幕上形成三维扫描，并形成可视化的三维图形成像和相关记录，促进人机交流。借助处理软件VX对三维数据进行处理，将生产所需的相应的点云格式导出。

2、对数据进行处理并建模

前期完成数据扫描后，要在后期对之进行处理并建模。将数据导入Geomagic Studio中按照步骤实施降噪以及数据精简处理，将处理后的数据导入CATIA软件中，实施有效的曲面重构，对扫描过程中存在的数据误差进行甄别，实现对扫描误差的人为控制;对零件存在破损的部分，实施有效的数据修复，获取良好的三维模型相关数据。将获取的三维数据对3D打印机直接导入，据此实施打印。

3、3D打印

可按照两种方案3D打印排水用叶轮。方案1：借助3D打印技术，并与反模铸造技术相结合;方案2：直接通过3D金属打印机对金属零件的毛坯进行打印，再实施精加工。可运用ABS工程塑料将机械零部件的相应模型打印出来。

结语

综上所述，在机械零部件逆向工程中应用3D技术，能实现对三维数据的准确获取，并构建逆向设计三维模型，还能借助3D打印小批量地制造加工机械零部件，避免零件损坏影响设备的正常运行。

参考文献

[1]康宇翔. 3D技术在机械零部件逆向工程中的应用探讨[J]. 广东蚕业， 2017， v.51（12）：24-24.

[2]郭晓鑫. 3D技术在机械零部件逆向工程中的应用与探究[J]. 现代制造技术与装备， 2018， （8）：93，96.

[3]杨航. 3D技术在机械零部件逆向工程中的应用[J]. 能源与环保， 2015（1）：92-94.