基于逆向工程的支架零件優(yōu)化設(shè)計(jì)及快速成型

閆 磊，馮蘭芳，惠延波，周 穎，馬曉曉

（河南工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)制造研究所，鄭州 450007）

0 引言

逆向工程（Reverse Engineering，RE）是對(duì)已有的產(chǎn)品或者實(shí)物原型進(jìn)行CAD模型重建，即對(duì)已有的產(chǎn)品或者實(shí)物原型，利用三維數(shù)字化測(cè)量設(shè)備來(lái)快速、準(zhǔn)確地獲取實(shí)物表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些坐標(biāo)數(shù)據(jù)使用三維幾何建模的方法重建實(shí)物CAD模型。逆向工程可以縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，降低產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本；通過(guò)逆向工程，工程師可以對(duì)產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)行消化、吸收，并進(jìn)一步改進(jìn)、提高產(chǎn)品性能，有利于產(chǎn)品的快速創(chuàng)新開(kāi)發(fā)[1]。在逆向建模過(guò)程中，參數(shù)化的逆向建模技術(shù)能夠快速還原產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖，并且工程師可以使用正向建模的方法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)，而非參數(shù)化的建模方法雖然可以快速實(shí)現(xiàn)模型重建，但是其尺寸驅(qū)動(dòng)的編輯功能較弱，只能借助變形工具實(shí)現(xiàn)模型的再設(shè)計(jì)[2]。計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）是指在計(jì)算機(jī)上利用有限元法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行工程分析。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和商用有限元軟件的推廣，計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)已經(jīng)成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)[3]。

支架類零件是起支撐作用的構(gòu)架，以薄壁構(gòu)件為主，其結(jié)構(gòu)形式根據(jù)功用不同而變化，在各種機(jī)械和設(shè)備中應(yīng)用廣泛。本文選取三維激光掃描儀支架作為研究對(duì)象，將參數(shù)化逆向建模技術(shù)和有限元分析技術(shù)聯(lián)合使用，對(duì)支架零件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，再通過(guò)快速成型技術(shù)制造出實(shí)物，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代。圖1為本次實(shí)驗(yàn)的主要工作流程。

圖1 工作流程

1 采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)采集和模型重建是逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)[4]。本次實(shí)驗(yàn)使用Handyscan 3D手持式三維激光掃描儀對(duì)支架零件采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使用配套的掃描軟件VXelements獲得stl格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。手持式三維激光掃描系統(tǒng)是利用激光三角測(cè)量原理對(duì)模型的表面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由激光束的發(fā)射角度和在CCD內(nèi)生成像的位置，運(yùn)用三角幾何關(guān)系得到被測(cè)點(diǎn)的位置信息等數(shù)據(jù)[5]。針對(duì)曲面復(fù)雜的零件，該掃描方法可以快速獲取其點(diǎn)云數(shù)據(jù)，滿足逆向工程高效率和高質(zhì)量的要求。

針對(duì)手持式掃描儀，可以將掃描方式分為兩種：以掃描對(duì)象自身為參考定位掃描對(duì)象和以標(biāo)定板或標(biāo)定靶為參考定位掃描對(duì)象。前者是將標(biāo)定點(diǎn)貼在掃描對(duì)象上，無(wú)需參照物，利用自身進(jìn)行空間定位，實(shí)現(xiàn)掃描物體所有表面的數(shù)據(jù)采集。由于掃描儀空間定位時(shí)需要不斷變換掃描角度并且保證3個(gè)以上的有效標(biāo)定點(diǎn)，因此該方法適用于表面曲率變化小的模型。后者是將掃描對(duì)象放在標(biāo)定板等參照物旁邊，對(duì)掃描對(duì)象進(jìn)行空間定位。由于參照物和掃描對(duì)象需要固定放置，不能有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此該方法無(wú)法一次完成所有表面的數(shù)據(jù)采集，需要多次擺放多次掃描才能獲得所有表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。如圖2所示，在本次實(shí)驗(yàn)中，支架零件的細(xì)節(jié)特征多，曲面多，曲率變化大，適合在標(biāo)定板上多次掃描以獲得所有表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖2 支架實(shí)物

手持式激光掃描儀的基本工作流程如下：

1）在標(biāo)定板上粘貼標(biāo)定點(diǎn)，為了確保掃描儀視野內(nèi)的有效標(biāo)定點(diǎn)數(shù)目在3個(gè)以上，相鄰標(biāo)定點(diǎn)的間距在2mm～10mm之間。

2）傾斜擺放掃描對(duì)象，以便掃描儀快速采集各個(gè)表面的點(diǎn)云信息。若掃描對(duì)象為透明材質(zhì)或者反光較強(qiáng)的材質(zhì)，需要噴涂顯影劑后再進(jìn)行掃描。

3）通過(guò)掃描儀和掃描軟件配合采集數(shù)據(jù)。本次實(shí)驗(yàn)針對(duì)該支架零件，進(jìn)行正面，背面和側(cè)面三個(gè)視角的掃描以獲得完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，圖3是掃描支架零件的現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景。

圖3 掃描模型數(shù)據(jù)

2 模型重建

本次逆向建模使用的軟件是Geomagic Design X軟件。它是業(yè)界最全面的逆向軟件，可將三維掃描數(shù)據(jù)處理和基于模型樹(shù)的CAD數(shù)據(jù)模型相結(jié)合，能創(chuàng)建出基于特征樹(shù)的CAD數(shù)據(jù)模型，并且與現(xiàn)有的主流CAD軟件兼容，強(qiáng)大之處在于其兼?zhèn)淠嫦蚪Ｅc正向再設(shè)計(jì)兩者的特點(diǎn)[6]。

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

掃描系統(tǒng)在采集數(shù)據(jù)時(shí)都不可避免地存在誤差，一般會(huì)存在數(shù)據(jù)過(guò)于龐大和噪點(diǎn)的情況[7]。在點(diǎn)階段的數(shù)據(jù)處理中，通過(guò)采樣以避免點(diǎn)云過(guò)于密集，通過(guò)過(guò)濾噪點(diǎn)來(lái)限制每個(gè)噪點(diǎn)群集內(nèi)單元點(diǎn)的數(shù)量。在多邊形階段的數(shù)據(jù)處理中，進(jìn)行多視點(diǎn)云的拼接，拼接后的數(shù)據(jù)會(huì)存在重疊單元面，交叉單元面，小單元面，網(wǎng)格分布不均勻等缺陷，為此需要進(jìn)行面片修補(bǔ)，采樣，消減，面片優(yōu)化等處理，以得到高質(zhì)量的多邊形數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 高質(zhì)量的多邊形數(shù)據(jù)

2.2 實(shí)體模型重建

Geomagic Design X的逆向建模將掃描數(shù)據(jù)的處理與三維正向建模相結(jié)合，可得到包含特征樹(shù)的CAD數(shù)據(jù)模型。首先，根據(jù)多邊形數(shù)據(jù)的幾何特征，對(duì)其進(jìn)行領(lǐng)域劃分，建立模型的坐標(biāo)系。通過(guò)領(lǐng)域劃分出的規(guī)則幾何特征，可以快速創(chuàng)建實(shí)體特征或者曲面特征；對(duì)于不規(guī)則的幾何特征，運(yùn)用放樣等方法在不同平面上創(chuàng)建軌跡線和引導(dǎo)線，得到空間曲面。再通過(guò)曲面間的修剪，獲得所需的曲面特征。如圖5所示，通過(guò)曲面修剪，得到支架零件的部分曲面特征。在Geomagic Design X中，封閉曲面模型即可轉(zhuǎn)化為實(shí)體模型。運(yùn)用曲面切割實(shí)體，實(shí)體之間的布爾運(yùn)算等建模方法，得到重建后的實(shí)體模型。圖6為支架零件重建后的實(shí)體模型。

圖5 部分特征參數(shù)化逆向建模

圖6 實(shí)體模型重建

3 有限元分析

有限元法是用較簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替復(fù)雜的問(wèn)題再求解。它將求解域劃分成有限數(shù)量的互連單元，對(duì)每一個(gè)單元假定一個(gè)合適的近似解，然后按照求解域的滿足條件推導(dǎo)求解，從而得到問(wèn)題的解[8]。有限元模型的質(zhì)量很大程度上決定了仿真計(jì)算結(jié)果，因此需要高效而精確的建立有限元模型[9]。在本次實(shí)驗(yàn)中，將支架零件的實(shí)體模型導(dǎo)入hypermesh軟件中進(jìn)行前處理，包括幾何清理、網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格質(zhì)量檢查、創(chuàng)建材料屬性、添加載荷和邊界條件。在ABAQUS軟件中進(jìn)行有限元求解及后處理結(jié)果顯示。

3.1 有限元前處理

在hypermesh中對(duì)支架零件的CAD模型進(jìn)行幾何清理，主要修復(fù)自由邊、T形邊和壓縮邊，以得到精確而高質(zhì)量有限元模型。網(wǎng)格的劃分以能表現(xiàn)出模型最小特征為準(zhǔn)，該支架零件的網(wǎng)格大小為2.5mm，調(diào)整特征邊界上網(wǎng)格的數(shù)目以保證網(wǎng)格的流向與模型的形狀一致。使用quality index和check elems等工具進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查并優(yōu)化網(wǎng)格。

支架零件的材質(zhì)為ABS，本次實(shí)驗(yàn)使用3D打印的材料為SZUV-W8001，是一種類ABS的光敏樹(shù)脂材料，其耐久性和強(qiáng)度等性能優(yōu)于傳統(tǒng)的ABS材料。該材料固化后的密度為1.16g/cm3，彈性模量為2700Mpa，泊松比為0.38。該支架主要起支撐設(shè)備重量的作用，設(shè)備的重力為50N，如圖7所示，在支架與設(shè)備接觸面設(shè)置載荷，在支架底部的網(wǎng)格設(shè)置固定約束。

圖7 設(shè)置載荷及邊界條件

3.2 求解及后處理顯示

在ABAQUS中進(jìn)行有限元求解以及后處理的結(jié)果顯示，圖8為支架零件的應(yīng)力云圖，可以看出應(yīng)力范圍在0～7.622Mpa，主要集中在支架與設(shè)備接觸的部位，最大應(yīng)力出現(xiàn)在上方支撐部分。圖9為位移云圖，可以看出最大位移在上方支撐處，最大位移為0.5187mm。

圖8 應(yīng)力云圖

圖9 位移云圖

4 支架零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在Geomagic Design X中所重建的模型具有特征樹(shù)，屬于參數(shù)化建模，可通過(guò)修改建模的尺寸來(lái)優(yōu)化結(jié)構(gòu)。通過(guò)有限元分析，最大應(yīng)力和最大位移集中在支架零件的上部支撐處。加厚0.5mm該處的壁厚并縮短2mm懸臂梁的長(zhǎng)度以改進(jìn)結(jié)構(gòu)，圖10為優(yōu)化后支架零件的應(yīng)力云圖，可以看出最大應(yīng)力從7.622Mpa減小到1.367Mpa。圖11為優(yōu)化后的位移云圖，最大位移從0.5187mm減小到0.1033mm。通過(guò)此次結(jié)構(gòu)改進(jìn)，支架零件的安全系數(shù)顯著提高。

圖10 改進(jìn)后的應(yīng)力云圖

圖11 改進(jìn)后的位移云圖

5 支架零件的快速成型

快速成型是根據(jù)CAD模型生產(chǎn)樣件的技術(shù)總稱，它集成了CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、光學(xué)技術(shù)和材料技術(shù)等多種現(xiàn)代科技成果。本次實(shí)驗(yàn)使用光固化激光快速成型機(jī)3DSL，其原理是利用液態(tài)光敏樹(shù)脂在紫外激光的照射下吸收光能，發(fā)生光聚合反應(yīng)而成型零件[10]。本次實(shí)驗(yàn)的基本流程為：在快速成型制造軟件Magics中設(shè)置模型擺放位置，添加支撐，切片處理。再將數(shù)據(jù)上傳至3D打印機(jī)，打印模型，如圖12為光固化打印機(jī)中的模型。打印完的零件還需經(jīng)過(guò)無(wú)水乙醇的清洗，去支撐處理及砂紙打磨處理。將逆向工程與3D打印相結(jié)合，大大縮短了新產(chǎn)品的研制周期，實(shí)現(xiàn)按需個(gè)性化定制[11]。

圖12 快速成型

6 結(jié)論

本文以常用的支架零件為例，探索出一條改進(jìn)產(chǎn)品的路線：從三維數(shù)據(jù)采集，CAD模型重建，有限元分析及其優(yōu)化改進(jìn)，最終到快速成型的產(chǎn)品。該技術(shù)路線的現(xiàn)實(shí)意義在于：

1）將逆向建模與正向曲面建模的設(shè)計(jì)思路相結(jié)合，創(chuàng)建高質(zhì)量的曲面特征。

2）將逆向工程的參數(shù)化建模與有限元分析相結(jié)合，創(chuàng)建出帶有特征樹(shù)的CAD模型，可以不斷改進(jìn)優(yōu)化產(chǎn)品。

3）將逆向工程與快速成型相結(jié)合，縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的更新?lián)Q代。

4）該技術(shù)路線具有模塊化的結(jié)構(gòu)，對(duì)產(chǎn)品的研發(fā)具有針對(duì)性，易于工業(yè)化改造。