连杆的逆向创新与3D打印在工业产品数字化设计与制造教学和竞赛中的研究

陈亚梅

摘 要：逆向创新和3D打印技术已经成为工业产品数字化设计与制造的热点。本研究以连杆产品为例，探讨了连杆的三维数据采集、数据预处理、逆向建模、创新设计、3D打印和数控加工等要点，为高职院校工业产品数字化设计与制造教学和竞赛提供参考。

关键词：逆向创新;3D打印;连杆

0 引言

逆向工程（Reverse Engineering，RE）又称之为反求工程、反向工程，即对现有的零件或实物原型，利用三维数字化测量设备准确、快速地测量出实物表面的三维坐标点，并根据这些坐标点通过三维几何建模方法重构实物CAD模型的过程。逆向工程设计的典型工作流程如图1所示。

3D打印技术是一种新型的快速成型技术，称之为“未来制造业发展的必然趋势”。3D打印技术又称为“增材制造”（Additive Manufacturing）技术，是一种基于计算机辅助设计的、主要采用逐层叠加制造方式将材料紧密结合在一起的工艺方法，主要分为选择性激光烧结（SLS）、选择性激光熔化（SLM）、直接金属激光烧结（DMLS）、电子束选区熔化（EBSM）等，3D打印技术被誉为“第三次工业革命标志性的生产工具”。

本文以连杆为例，讲述了连杆产品的三维数据采集、数据预处理、逆向建模、创新设计、3D打印和数控加工等研究要点，为高职院校工业产品数字化设计与制造教学和竞赛提供参考。

1 连杆设计与加工

1.1 三维数据采集

三维扫描设备采集点云数据是逆向工程设计的最初阶段，是进行产品最终制造前进行CAD创新设计的先期基础。连杆如图2所示，三维数据采集可以分为接触式和非接触式两种。本文采用非接触式三维数据采集中的照相扫描法，使用如图3所示的Win3DD单目型支架式三维扫描仪对连杆进行三维扫描，获取连杆的点云数据。连杆正反面三维数据采集结果如图4所示。

1.2 数据预处理

利用Geomagic Wrap软件对前期采集三位数据进行点云数据预处理，主要处理分析步骤为精简数据、降低噪音、异常点处理、修补破洞、消除特征等，封装后的“*.stl”格式的三角片面效果如图5所示。

1.3 逆向建模

利用Geomagic DesignX对连杆预处理后的三维数据进行逆向建模，对經点云数据预处理后的“*.stl”三角面片数据进行自动面片拟合，生成曲面（或曲面片），经过一系列曲面编辑，如过渡、拼接（缝合）和剪裁等，完成完整的曲面模型构建，得到了逆向的三维数字模型，如图6所示。运用Geomagic Control软件的功能并通过偏差图谱分析了建模精度，主要有2D比较和3D比较两种方法，过程点采样分析如图7所示，完成成型面精度和产品品质的检测。

1.4 创新设计

如图2所示连杆零件的大头在实际应用中与曲轴连接，随着曲轴一起做旋转运动，整个摇臂杆零件在工作中，除承受来自活塞的压力外，还要承受纵向和横向的惯性力。同时连杆装卸不太方便。创新设计点：拆分整体式连杆，摇臂杆的大头设计两个平凸台，用螺栓连接固定，凸台上设计两个直接为?9的孔，凸台的宽度设为螺栓孔的1.5倍，为了防止工作人员碰伤以及应力集中，对各个部位进行了倒圆角处理，创新后的连杆便于装配与拆卸，外形设计美观，结构合理，符合机械加工工艺。利用NX10/CAD模块对连杆进行建模设计，效果如图8所示。

1.5 3D打印快速成型

创设设计后的连杆在实际机械加工之前需要验证其装机效果验证，先利用3D打印技术快速成型零件实物予以验证装机效果。3D打印技术又称为“增材制造”（Additive Manufacturing）技术，是一种基于计算机辅助设计的、主要采用逐层叠加制造方式将材料紧密结合在一起的工艺方法。运用Makerbot软件对连杆NX10/CAD的“*.stl”文件进行切片等处理，使用Replicator Z18打印机进行实物打印，打印实物如图9所示。

1.6 数控加工与装配

快速打印的模型经过装机验证后，进入连杆的数控加工和装配阶段。首先完成加工工艺的编制，然后在NX10/CAM加工模块中完成刀具的选择，加工的模拟，程序的生成及后处理等，连杆是整体加工，数控加工完成后两边台阶钻孔，最后锯断。使用内六角螺钉、防滑垫片、平垫片及螺母完成连杆装配，实物效果如图10所示。

2 结束语

逆向创新设计技术和3D打印快速成型技术在工业产品数字化设计与制造中已经得到了广泛的应用，并成为热点。本文以连杆产品为例，在原有的产品实物基础之上进行三维数据采集、数据预处理、逆向建模等步骤完成连杆逆向工程，创新设计后的建模文件通过3D打印技术完成产品的快速成型，装机验证，最后通过数控加工的方法完成连杆的实际加工，最终装配成型。整个过程为高职院校工业产品数字化设计与制造教学和竞赛提供参考。

参考文献：

[1]刘建元.基于SLM快速成型方法的注塑模具随形冷却水道设计[J].塑料工业，2007（12）：45-48.

[2]刘斌.基于3D打印的随形冷却水道注塑模具设计[J].工程塑料应用，2015（10）：71-74.

[2]魏青松，李继康等.“新工科”下3D打印前言学科三位一体多维度教学模式研究[J]，2020（09）：10-14.