基于逆向工程的特殊多孔零部件的快速修復(fù)的研究探索

徐慶川

摘要：本文將結(jié)合逆向工程的優(yōu)勢(shì)與企業(yè)的運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，通過發(fā)現(xiàn)我國(guó)相關(guān)企業(yè)在特殊多孔零部件處理過程中切實(shí)存在的問題，闡述了幾點(diǎn)基于逆向工程的特殊多孔零部件快速修復(fù)的過程，希望相關(guān)企業(yè)能夠盡快突破技術(shù)方面的瓶頸，早日實(shí)現(xiàn)最大程度降低成本、提升服務(wù)質(zhì)量的愿景。

關(guān)鍵詞：逆向工程;特殊多孔零部件;3D打印;快速修復(fù)

1 ?逆向工程優(yōu)勢(shì)

首先，逆向工程的實(shí)質(zhì)是為了更清楚的了解產(chǎn)品，一旦將其應(yīng)用于如特殊多孔零部件的快速修復(fù)這樣的領(lǐng)域之中，會(huì)極大的提高產(chǎn)品的二次應(yīng)用率，減少產(chǎn)品損耗，維護(hù)企業(yè)與客戶之間的利益。其次，3D打印技術(shù)在近幾年備受推崇，無(wú)論是在國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，其研發(fā)力度都是十分大的。3D打印技術(shù)發(fā)源于美國(guó)，早在20世紀(jì)80年代就得到了推廣與發(fā)展，經(jīng)過歷時(shí)沉淀，在一些領(lǐng)域已取得了巨大成就。一旦逆向技術(shù)應(yīng)用于特殊零部件的發(fā)展，研究更成熟，將會(huì)極大的縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高整個(gè)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)“中國(guó)智造”也只是時(shí)間問題。當(dāng)然，逆向工程的成熟，亦是對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)者的保護(hù)，這樣可以追根溯源到企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的過程，尋找更有力的證據(jù)，打擊侵犯知識(shí)產(chǎn)權(quán)的公司及個(gè)人。

2 ?逆向工程下特殊多孔零部件快速修復(fù)的實(shí)踐過程

基于逆向工程，快速多孔零部件想要實(shí)現(xiàn)快速修復(fù)，離不開企業(yè)的管理與逆向技術(shù)流程的規(guī)范，通過基于逆向工程和3D打印技術(shù)的重構(gòu)方法，想要實(shí)現(xiàn)快速修復(fù)，需要企業(yè)的支持、技術(shù)的開發(fā)，這樣才能早日完成 “中國(guó)制造”到“中國(guó)智造”的轉(zhuǎn)變。

2.1 基于逆向工程，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集

逆向工程技術(shù)，不同于產(chǎn)品的正向生產(chǎn)與與設(shè)計(jì)，其需要從完整或者殘缺的已存在產(chǎn)品來(lái)進(jìn)行研究與構(gòu)造，只有在原產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)等的調(diào)整，不僅是對(duì)產(chǎn)品的復(fù)制，更是要求在當(dāng)前已有的設(shè)計(jì)上進(jìn)行再設(shè)計(jì)，從而進(jìn)一步提升產(chǎn)品的各方面性能與價(jià)值。

基于逆向工程，想要實(shí)現(xiàn)特殊多孔零部件的快速修復(fù)，其中很重要的一點(diǎn)就是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)字化，不同的產(chǎn)品，其數(shù)字化的方法與原理不同，相似產(chǎn)品同樣存在著些微區(qū)別。一般而言，數(shù)字獲取的方法有接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。接觸式測(cè)量主要是基于力與變形的原理，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量，得到一個(gè)完整的坐標(biāo)系，形成產(chǎn)品的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。這種測(cè)量方法只適用于材質(zhì)堅(jiān)硬的產(chǎn)品，而非接觸式測(cè)量則適用的產(chǎn)品更廣泛，如我們經(jīng)常采用的激光三角法、圖像分析法、激光測(cè)距法等。特殊多孔零部件的形狀復(fù)雜，存在著不規(guī)則曲面，因此常規(guī)方法無(wú)法滿足其整體的數(shù)據(jù)測(cè)量，建議采用先進(jìn)的非接觸測(cè)量法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

應(yīng)用離散、堆積原理是3D打印技術(shù)的特點(diǎn)，即任何零部件，都可以將其看成是由許多等厚度的二維平面疊加而成的。三維實(shí)體模型經(jīng)過切片處理后，會(huì)生成新的數(shù)控代碼，這些代碼由數(shù)控系統(tǒng)控制3D打印機(jī)以平面逐層掃描順序地連續(xù)加工，使它們?cè)诟叨确较蜃詣?dòng)黏接成立體原型，就可以實(shí)現(xiàn)最終的三維實(shí)體零件修復(fù)與重構(gòu)，與其他先進(jìn)制造技術(shù)相比，3D打印技術(shù)具有數(shù)字化、快速成型等的特點(diǎn)，適合特殊多孔零部件這類復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速修復(fù)與個(gè)性化定制。

2.2 反推特殊零部件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行預(yù)處理

3D打印技術(shù)的加工原理是通過計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)，或由逆向工程所獲得的三維模型數(shù)據(jù)，通過軟件進(jìn)行逐層的加工與處理，實(shí)現(xiàn)層層疊加，就達(dá)到了原型復(fù)制或生產(chǎn)的目的，是一種高效的、低成本的數(shù)字化生產(chǎn)技術(shù)。一旦技術(shù)成熟，將其應(yīng)用于特殊多孔零部件的快速修復(fù)領(lǐng)域，那最終的效果與效益可想而知。

在對(duì)零部件數(shù)據(jù)獲取的過程中，會(huì)因各種人為原因及隨機(jī)因素的影響，而出現(xiàn)數(shù)據(jù)中包含一些之后的工序所無(wú)用的數(shù)據(jù)，因此技術(shù)人員需要對(duì)獲取的零部件點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，其中包括噪聲的去除、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)、多視對(duì)齊、數(shù)據(jù)光順、數(shù)據(jù)分割等。一旦點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過了預(yù)處理，不僅可使產(chǎn)品后續(xù)的曲面恢復(fù)如初，構(gòu)造簡(jiǎn)單，而且可以更精確地保證產(chǎn)品各個(gè)方面的最終精度，如曲面的要求。逆向技術(shù)一旦在特殊多孔零部件修復(fù)領(lǐng)域變得成熟，只需在對(duì)有缺損的零部件進(jìn)行掃描，即使在沒有圖紙的情況下，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)其三維實(shí)體的重構(gòu)與修復(fù)，當(dāng)然，這些最后是在3D打印機(jī)上對(duì)原產(chǎn)品進(jìn)行的快速修復(fù)。

2.3 依據(jù)數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行零部件的修復(fù)與重構(gòu)

將預(yù)處理過的點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用ProE等技術(shù)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)重造，以此得到所需要的零部件曲面以及結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)快速修復(fù)。在整個(gè)數(shù)據(jù)擬合的過程中，單純的用一張曲面來(lái)擬合所有的數(shù)據(jù)，這顯然是行不通的。一般來(lái)講，需要深入了解零部件原型所具有的特征，只有將這些前期測(cè)量到的點(diǎn)數(shù)據(jù)分割成不同的區(qū)域，再依次將各個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行擬合與修復(fù)，才能實(shí)現(xiàn)整體構(gòu)成。在ProE中造型得到零部件的三維模型，通過MasterCAM軟件本身提供的標(biāo)準(zhǔn)圖形轉(zhuǎn)換接口，如DWG、STL、DXF、IGES等格式將Po/E三維模型導(dǎo)入MasterCAM。根據(jù)模型特點(diǎn)依次設(shè)置毛壞尺寸、工作原點(diǎn)、選擇刀具，確定工藝參數(shù)以及合理的加工工藝，通過加工仿真功能，來(lái)驗(yàn)證數(shù)控程序的合理性與正確與否。根據(jù)相應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)程序特點(diǎn)，經(jīng)過適當(dāng)調(diào)整后，生成適合數(shù)控機(jī)床對(duì)應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)的程序。最終，生成的數(shù)控程序，可以利用MasterCAM等系統(tǒng)的通訊模塊，或者采用專門的數(shù)據(jù)通訊軟件與數(shù)控機(jī)床通訊結(jié)合，進(jìn)行最終的數(shù)控加工，實(shí)現(xiàn)對(duì)缺損或有瑕疵的零部件的修復(fù)。

2.4 模型實(shí)體化

將創(chuàng)建好的模型曲面進(jìn)行合并后，使多個(gè)曲面之間組合成一個(gè)封閉的空間曲面體，并對(duì)模型做輪廓面反射分析（如圖1），以檢查模型表面縫合是否光滑;最后選中曲面體，用建模軟件的實(shí)體化工具，將曲面實(shí)體化（如圖2）。

2.5 重構(gòu)實(shí)體模型數(shù)據(jù)與實(shí)際物體對(duì)比

因本課題中的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在不可見部分，無(wú)法像傳統(tǒng)造型方式那樣，將重構(gòu)后的模型和點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，以判斷逆向工程實(shí)現(xiàn)的結(jié)果是否達(dá)到要求。項(xiàng)目組只能利用其它方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，項(xiàng)目組的做法是給重構(gòu)的模型賦予和現(xiàn)實(shí)物體相同的材料密度，通過軟件的工具測(cè)量重構(gòu)模型的重量、體積、表面積等參數(shù)，并和實(shí)際中的參數(shù)比對(duì)，判斷最終結(jié)果。

3 ?企業(yè)對(duì)于此領(lǐng)域逆向工程創(chuàng)新人才的需求

3.1 實(shí)際調(diào)研

據(jù)本人對(duì)8家相關(guān)企業(yè)的研究表明，7家企業(yè)都表示非常愿意在逆向工程下嘗試對(duì)特殊多孔零部件進(jìn)行修復(fù)，為更多人才提供機(jī)會(huì)，當(dāng)然，會(huì)對(duì)員工入職后進(jìn)行較為全面的考核，一旦符合崗位標(biāo)準(zhǔn)，那后期的入職合同隨之就可以簽訂。

逆向工程是源于商業(yè)以及軍事領(lǐng)域?qū)τ布M(jìn)行分析，一旦將其應(yīng)用于特殊多孔零部件領(lǐng)域，勢(shì)必會(huì)為企業(yè)及社會(huì)帶來(lái)更大的應(yīng)用價(jià)值。

3.2 技術(shù)設(shè)備更新慢，跟不上需求

新技術(shù)的突破與發(fā)展，離不開企業(yè)設(shè)備的及時(shí)更新與換代。目前，我國(guó)部分企業(yè)雖然已經(jīng)為特殊多孔零部件的快速修復(fù)發(fā)展購(gòu)入了大量的設(shè)備，但仍存在設(shè)備落后、老化的情況，一旦企業(yè)只是追求形式化，反而會(huì)是對(duì)先進(jìn)設(shè)備對(duì)于技術(shù)人才動(dòng)手能力培養(yǎng)目的的忽視。針對(duì)技術(shù)人員創(chuàng)新意識(shí)及動(dòng)手能力的培養(yǎng)與實(shí)踐，設(shè)備真的是落后或者是老齡化，那員工的參與度與積極性便會(huì)降低，實(shí)踐過程中對(duì)于人才實(shí)踐能力提高的作用也不會(huì)很大，浪費(fèi)彼此時(shí)間，造成惡性循環(huán)。

3.3 管理者思想落后，未能協(xié)調(diào)理論與實(shí)踐

企業(yè)在管理的過程中，如果理論的開設(shè)與實(shí)踐的指導(dǎo)是為了應(yīng)付或者陪襯，如技術(shù)人員每周安排的理論課程培訓(xùn)很少，只進(jìn)行一些簡(jiǎn)單理論的實(shí)驗(yàn)操作輔導(dǎo)，缺少計(jì)劃性的實(shí)驗(yàn)課程安排，不設(shè)置對(duì)理論知識(shí)的抽考，沒有實(shí)踐檢驗(yàn)的測(cè)試安排，長(zhǎng)此以往，技術(shù)人員不僅難以將所學(xué)的專業(yè)理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐當(dāng)中，還會(huì)讓其思維慢慢固定，放松對(duì)實(shí)踐的理解，影響培養(yǎng)他們長(zhǎng)期實(shí)踐動(dòng)手的能力。如何協(xié)調(diào)技術(shù)人員理論與實(shí)踐的培養(yǎng)，是特殊多孔零部件行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)應(yīng)該關(guān)注的問題。

4 ?結(jié)論

對(duì)于特殊多孔零部件，出現(xiàn)了不可避免的缺損或意外損壞，一旦沒有產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)，就很難通過一般的技術(shù)與方法對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，而這也是逆向工程的出現(xiàn)與長(zhǎng)期以來(lái)備受各個(gè)行業(yè)關(guān)注的主要原因，市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展規(guī)則因?yàn)椤皟?yōu)勝劣汰，適者生存”?；谀嫦蚬こ?，特殊多孔零部件的快速修復(fù)無(wú)疑面臨著巨大的挑戰(zhàn)，這一領(lǐng)域想要實(shí)現(xiàn)突破性的發(fā)展，不僅對(duì)于制造企業(yè)而言是技術(shù)方面的挑戰(zhàn)，更是對(duì)行業(yè)新技術(shù)的研究與突破提出了更高的要求，這就意味著企業(yè)需要及早地發(fā)現(xiàn)并培養(yǎng)出符合特殊多孔零部件市場(chǎng)需求的“智造型”創(chuàng)新人才。當(dāng)然，新技術(shù)的發(fā)展對(duì)于所有企業(yè)而言，都是一個(gè)新的開始，所以，對(duì)于企業(yè)而言，要敢于嘗試，一旦通過建立科學(xué)的實(shí)踐體系、嚴(yán)格制定制度、聯(lián)合外力等措施，就不會(huì)被新的發(fā)展浪潮所淹沒;而在面對(duì)新技術(shù)的突破與發(fā)展的道路上，敢于求變，以變制變，方能在未來(lái)的行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中謀得一席之地。期待特殊多孔零部件的快速修復(fù)，在逆向工程的支持下，能夠得到更快速的發(fā)展。

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