3D技术在机械零部件逆向工程中的应用

吴钧

江苏联合职业技术学院镇江分院（镇江高等职业技术学校），江苏镇江，212016

0 引言

随着科学技术的不断发展，现代机械零部件设计制造技术也在不断地创新与提高，特别是3D技术的发展，给机械零部件设计制造技术带来了全新的突破。现阶段，在机械零部件设计过程中，很多机械零部件都是利用传统的设计手段进行设计的，而且很多设计也仅仅是模仿制造对象，这种设计方法并不能完全满足实际生产需求，且效率较低。而随着3D技术的不断发展，它在机械零部件设计制造过程中所发挥的作用也越来越大。本文主要就3D技术在机械零部件逆向工程中的应用展开研究。

1 机械零部件逆向工程概述

逆向工程是指利用先进的测量设备以及相应的软件对零件或产品的实体进行数据采集，并对数据进行处理、分析，以获取其内部结构、几何形状等相关参数，最后根据相关参数对零部件进行重新设计和加工。在机械零部件的逆向工程中，通常需要用到扫描测量设备和相应的软件等。其主要的工作过程包括以下几个方面。①原始数据采集。在对零件进行数据采集时，通常会运用到相应的测量设备，包括激光扫描仪、三维扫描仪以及三维激光扫描系统等。②数据处理。在对原始数据进行采集后，需要对其进行预处理。通常情况下，预处理工作主要包括以下几个方面：第一，采用相应的软件对原始数据进行预处理；第二，通过相应的软件对零件表面数据进行预处理；第三，采用适当的方式将零件表面数据转换为CAD模型；第四，将 CAD模型导入相应软件中；第五，在CAD模型中加入相应的约束和属性等。③产品重构。在完成CAD模型转换之后，需要将其转化为相应的CAD模型。通常情况下，有以下几个方面：第一，在完成上述步骤之后需要将CAD模型转化为实物模型；第二，对实物模型进行装配和干涉检查；第三，将实物模型与逆向工程所设计的产品相比较，确定二者之间差异之处；第四，将实物模型进行再制造[1]。

1.1 数据采集

激光扫描仪主要适用于对不同形状的物体进行数据采集，包括接触式以及非接触结合的扫描方式等。在对不同种类的物体进行数据采集时，所使用的设备也各不相同，需要根据不同物体的特征来选择合适的设备。例如，对于一些较小或较大但外形较为简单的物体，通常会采用激光扫描仪进行数据采集；对于一些较大且外形较为复杂的物体，通常会采用三维激光扫描仪进行数据采集。此外，由于不同类型的机械零部件在结构上存在一定差异，因此在对不同类型机械零部件进行数据采集时，所选择的设备也存在一定差异。另外，由于机械零部件在制造过程中所使用的材料不同，因此在对机械零部件进行数据采集时通常需要使用到相应的非接触式设备。其中，非接触式设备主要包括非接触式激光扫描仪、非接触式三维扫描仪等。其中，非接触式激光扫描仪主要适用于对较大或形状复杂的物体进行数据采集。在对机械零部件进行数据采集时，通常会采用不同类型的测量设备来对其进行数据采集。其中，三维激光扫描系统是一种用于工业领域中机械零部件测量和建模的设备，主要适用于对机械零部件进行快速扫描和建模。

1.2 数据预处理

通常情况下，预处理过程包括以下几个方面：第一，对原始数据进行扫描；第二，将扫描数据与相关标准数据进行比较；第三，确定采样点坐标与采样点之间的关系；第四，将待测数据与已知点之间的关系进行确定；第五，对数据点云进行滤波处理。Delaunay三角网格是一种基于多边形三角面的曲面模型描述方法。在此基础上，还可以根据用户所需要的曲面模型结构和几何特征等信息对三角网格的形状及大小进行设置。采用Delaunay三角网格表示方法构建的曲面模型具有较强的细节处理能力和较好的表达能力。但在该方法建立曲面模型过程中也存在一些缺陷：第一，采用Delaunay三角网格表示方法构建的曲面模型所包含的自由度相对较少；第二，该方法构建的曲面模型是一种局部曲面模型；第三，该方法构建的曲面模型过于粗糙[2]。

1.3 模型重构

通常情况下，在进行细化处理时需要满足以下几个方面的要求：第一，需要对零件进行彻底打磨；第二，对零件表面上存在的缺陷或错误处进行修正；第三，将零件的形状和尺寸更加精确地表现出来；第四，将零件表面上存在的不连续处进行精确处理。在完成上述工作之后，可以根据工作需求确定各个零部件的设计参数和加工参数。在零部件设计参数确定之后需要对其进行精确计算，通常情况下，可以通过以下几个方面来确定：第一，可以通过该零部件表面上存在的不连续处来计算实际加工所需要的材料；第二，可以通过该零部件表面上存在的不连续处来计算实际加工所需时间。在完成上述工作之后需要根据计算结果对零部件进行重新设计和加工。通常情况下，可以通过以下几个方面来确定：第一，根据计算结果对零部件进行重新设计和加工；第二，将零部件表面上存在的不连续处进行修正；第三，将零部件表面上存在的不连续处重新绘制。

2 3D技术发展概况分析

20世纪70年代末，伴随着计算机技术的飞速发展，以三维设计软件为代表的3D技术迅速发展起来。3D设计软件主要分为两类：一类是基于平面CAD模型的二维设计软件，另一类是基于三维模型的三维设计软件。3D技术主要指的是在二维设计软件平台基础上开发出的三维建模技术，可以使用户在无需任何交互操作的情况下建立三维模型。同时，由于计算机建模技术和3D设计软件的快速发展，使得用户可以更加便捷、高效地获取所需信息，从而实现对产品的准确建模和制造。目前，国际上有影响力的3D建模软件包括UG、CATIA、SolidWorks等。其中，UG软件是目前应用最为广泛、功能最为强大的3D设计软件之一。

3 3D技术在机械零部件逆向工程中的应用探析

3.1 零件表面点云处理

通过三维扫描仪对机械零部件表面进行点云采集和处理，从而得到其模型。而对于点云数据的处理则是通过计算机软件来实现。通过对点云数据的处理，可以有效避免由于数据不完整、不准确所造成的模型误差。通过对点云数据的处理，可以有效提高模型的准确性和完整性。对于曲面零件来说，一般都会存在曲面部分和平面部分。因此，在对曲面零件进行建模时，则需要对曲面部分进行有效拟合，并根据相关理论公式进行计算。同时需要注意的是，由于曲面零件表面通常都会存在一些凸起以及凹陷等非光滑表面。因此，就需要在建模时对其进行适当处理。

3.2 零件特征数据的提取

在进行机械零部件逆向工程设计时，通常会根据零部件的结构、用途以及设计要求等对其进行分类。根据零部件分类，就可以有效降低逆向工程设计工作量。因此，在进行零部件逆向工程设计时，必须对所需的特征数据进行提取。一般来说，零件的特征数据主要包括结构、材料、颜色以及形状等内容。而对于这些数据来说，通常都是由不同的软件或程序生成的，因此在进行零部件逆向工程设计时，需要根据其特征数据的种类和来源等情况，来选择合适的软件或程序。其中，对于CAD模型来说，通常需要使用Geomagic Design、AutoCAD或者Pro/E等软件来完成。而对于数控机床来说，则需要使用UG、NX或者CIMS等软件来完成。除此之外，为了提高逆向工程设计的质量和效率，还需要通过3D扫描仪来提取所需零部件的特征数据。

3.3 排水用叶轮3D打印

排水用叶轮在工业中的应用非常广泛，它的主要功能是抽取水，并通过水泵输送到相应的地方[3]。目前，传统的叶轮设计方法已经不能满足人们对叶轮设计的要求，因此，对于复杂的叶轮零件来说，就可以利用3D打印技术进行制作。例如在制造排水用叶轮时，就可以利用3D打印机将复杂的零件进行三维扫描建模。3D打印机可以根据计算机指令输出相应图形，然后再通过特殊工艺对这些图形进行处理。

3.4 三维扫描

三维扫描是在机械零部件逆向工程中比较常用的一种技术，三维扫描技术能够全面、直观、快速地测量机械零部件，其原理是将机械零部件的形状通过数据采集设备来获取，然后利用计算机技术将其处理成三维模型，并在计算机中进行显示。三维扫描技术具有速度快、精度高、成本低等特点，能够满足当前机械零部件逆向工程的需要。三维扫描技术能够将机械零部件的三维模型和二维模型相结合，进而实现对机械零部件的精准测量。通常情况下，三维扫描技术分为两种类型：接触式和非接触式。接触式扫描技术是指通过相关设备来进行机械零部件的测量，一般情况下，采用的是光学扫描仪。在进行机械零部件三维扫描时，可以根据被测物体的形状和尺寸来选择合适的扫描仪，比如激光扫描仪、工业相机等[4]。通过这些设备可以将物体表面完整、清晰地拍摄下来，然后通过后期软件将其处理成三维模型。在进行逆向工程时，需要将测量数据与设计数据进行对比，并对其中存在的问题进行分析。另外，为了保证测量数据和设计数据的一致性，在测量过程中还需要对扫描仪和被测物体进行合理安置。通过这种方法能够有效保证测量数据与设计数据一致，从而保证机械零部件逆向工程质量。同时还能够有效提高逆向工程的效率。

对于三维扫描数据来说，一般都是通过软件来进行处理。利用三维扫描技术，可以对机械零部件的三维模型进行全面观察，然后通过软件来对其进行处理，最终将其转换成二维模型。三维扫描数据处理时，需要对采集到的数据进行整理和处理。首先，要将被测物体表面残留的灰尘、毛边等去掉。然后，要对点云进行三角网格化处理，并对其进行保存和管理[5]。最后，在将点云数据转换成二维模型时，需要根据被测物体的尺寸不同来选择合适的软件。比如可以选择使用 Geomagic DesignX软件。在三维扫描数据处理过程中比较重要的一个环节就是将原始数据和测量结果之间进行对比分析。

4 结语

综上所述，目前，随着3D扫描技术的不断发展，它在机械零部件逆向工程中的应用越来越广泛。与传统工艺相比，该技术具有简单、快速、经济等特点。虽然该技术具有一定的局限性，但它仍然是逆向工程中不可或缺的一部分。在未来发展过程中，3D扫描技术将进一步提高其精度和效率，并逐渐成为逆向工程中的关键技术。