基于逆向工程的节气阀的快速成型和制造

1、摘 要关键词：三维激光扫描;逆向工程;快速成形; 目录1 概念1.1 1.22 逆向工程及快速成型技术产生的背景2.1 2.22.33 逆向工程技术及快速成型技术的基本原理3.1 3.24 激光三维扫描机的介绍4.1 4.25 典型的快速成型工艺5.1 5.26 快速成型技术在铸型制造中的应用6.1 6.27 总结7.1 7.2附录参考文献1.引言1.1 课题背景20世纪80年代中期发展起来的快速成型技术是先进制造技术的重要组成部分，其最大的特点就在于其制造的高柔性，即无需任何专用的工具，由零件的CAD模型，直接驱动设备完成零件或零件原型的成形制造；只需改变零件的CAD模型，就能很方便地获得相

2、应的零件或原型。逆向工程技术又称反求工程技术（Reverse Engineering，RE），是20世纪80年代末期发展起来的一项先进制造技术，是以产品及设备的实物等作为研究对象，反求出初始的设计意图，包括形状、材料、工艺、强度等诸多方面。4铸造是机械工业重要的基础工艺与技术，广泛地应用于机械制造、航空航天、能源、交通、化工、建筑以及社会生活的各个领域，并随着各相关技术领域的发展自身不断更新、发展和完善，是我们生产和生活中时时不可或缺的一项重要工艺技术。而在汽车制造产业中，铸造工艺，扮演着尤其重要的角色。一些重要的汽车零件如：发动机气缸体、变速箱壳体、刹车鼓，由于零件结构复杂，只能通过铸造制造

3、。铸造工艺在零件复杂性和材料适应性方面有其他加工方法无以比拟的优势。但铸造工艺也有它的短肋。从20世纪90年代初，人们已开始将制造技术本身的发展与新材料、信息技术和现代管理技术相结合，逐步形成了先进制造技术和先进制造系统的概念，制造模式由大规模批量化生产转变为小批量和个性化生产，由刚性制造转变为柔性制造，产品的生命周期和投放市场的时间越来越短。以汽车行业为例：十年前开发一种新车型需要两年以上的时间，而现在同一个汽车制造厂商每年就有几种新车问世，开发一个新车型不到一年时间，而一种车型的产量已从过去的上百万辆下降到现在的几万辆2。市场的严酷竞争要求应尽可能缩短产品的设计和制造周期，同时应尽量降低投

4、资风险。传统铸造工艺在现今工业生产模式下短肋尽显。传统铸造工艺中铸型的制造往往需要一个较长的周期，其柔性较差，铸件的结构和尺寸的改变将会直接影响铸型（还包括铸模）的设计、制造、装配等较长和较复杂的工艺过程。在大批量铸件生产的试制阶段（如汽车缸体，缸盖等铸件），由于产品尚未定型，更改结构和尺寸极为普遍，此时铸型生产周期过长等问题对试制的制约是十分明显的，铸型往往成为产品研发速度的限制因素之一。铸件生产的柔性化要求已成为工业界普遍追求的目标。将快速成形技术和逆向成形技术与铸造技术结合起来，应用逆向工程技术快速获取零件模型，采用快速成型技术直接或间接完成铸型的制造，将大大提高铸造的柔性。图表一表示了

5、一种创新性的铸造设计技术路线把虚拟原型（Visual Prototyping，VP）及快速原型（Rapid Prototyping，RP）与传统铸造有机结合起来的铸造工艺路线。图表 1新的铸造设计技术路线1.2 课题的主要研究内容本课题就以汽车零配件节气阀为例，研究其基于逆向工程和快速成型技术的快速设计与制造系统。其中主要以逆向工程（反求设计）与快速成型（RP零件原型）为重点研究对象，研究它们的一般工艺路线，加工处理方法等。在逆向工程阶段，通过Vivid910三维激光扫描仪获取节气阀外形点云数据，并应用Geomagic studio 以及Solidworks等软件对数据进行处理，为下一阶段的快

6、速成形做数据准备。在快速成型阶段，通过快速成形软件大法师（Daphne）将数字CAD模型转化为快速成型制造系统接受的层片模型，并计算生成CAD模型在快速成型时所需的支撑后，通过控制软件CRACK控制MEM快速成形机完成模型的制造。2.逆向工程技术介绍及节气阀的模型数据获取和处理2.1逆向工程技术新产品开发过程中的一条重要路线就是样件的反求。简单说，反求就是对存在的实物模型或零件进行测量并根据测量数据重构出实物的CAD模型，进而对实物进行分析、修改、检验和制造的过程。因反求（由实物得出设计数据）相对于一般的设计过程（由设计数据得出实物）是逆向的，所以就称其为逆向工程。逆向工程主要用于已有零件的复

7、制、损坏和磨损零件的还原、模型精度的提高及数字化模型检测等。4反求工程技术不是传统意义上的“仿制”，而是综合应用现代工业设计的理论方法，生产工程学，材料学和有关专业知识，进行系统地分析研究，进而快速开发制造出高附加值、高技术水平的新产品。反求工程对于难以用CAD设计的零件模型以及艺术模型的数据摄取是非常有利的工具，对快速实现产品等的改进和完善或参考设计具有重要的工程应用价值。尤其是该项技术与快速成型技术的结合，可以实现产品的快速三维拷贝，并经过CAD重新建模修改或快速成型工艺参数的调整，还可以实现零件或模型的变异复原。图表 2 难以用CAD设计的雕像模型反求的主要方法有三坐标法测量法、投影光栅

8、法、激光三角形法、核磁共振和CT法以及自动断层扫描法等。常用的扫描机有传统的坐标测量机（Coordinate Measurement MachineCMM）、激光扫描机（Laser Scanner）、零件断层扫描机（Cross Section Scanner）以及CT（Computer Tomography）和MRI（Magnetic Resonance Imaging）等4。采用反求工程方法进行产品快速设计，需要对样品进行数据采集和处理，反求工程中较大的工作量就是离散数据的处理。数据处理需要用到各种数据拟合软件如：Geomagic studio，Surfacer，CopyCAD，Trace等

9、。2.2 激光三维扫描仪工作原理2.3 应用Vivid910三维激光扫描仪获取节气阀外形这次毕业设计中要的的三维激光扫描仪为Vivid910三维激光扫描仪,它为非接触式的三维扫描仪。VIVID-910使用激光三角测距原理。Vivid通过光源孔发射出一束水平的激光束来扫描物体。该激光线经过旋转平面镜的作用，改变角度，使得激光线发射到物体表面。物体表面反射激光束，每一条激光线都通过CCD传感器采集成一帧数据。根据物体表面不同的形状，每条激光线反射回来的信息中所包含的表面等高线数据。完整范围的最高精度扫描只要2.5秒（快速模式0.3秒），物体表面的形状转换为超过300,000点（连接点）的点云数据。

10、Vivid不止能给您提供点云数据，还能创建提供保留所有连通信息的多边形网格图，因此，消除了几何不确定性，大大提高了扫描精度。一个24bit色深度的被扫描物体的彩色图像同时通过相同的CCD传感器被采集下来。不同于其他的扫描仪，Vivid910没有视差的问题，你所得到的三维数据就是你从屏幕上看到的。高精度的测量一台极高精度的三维扫描仪和用来计算3-D数据的高精度校正系统被研究开发，以专门适用于Vivid910。建立了可以溯源到国际标准的3-D的标准件，来利用这些先进的技术，并依靠优秀的算法达到更高精度的测量结果。Vivid910三维激光扫描仪的主要工作参数:扫描范围(镜深)500-2500mm精度

11、精度0.008mm扫描范围40*83*111mm-500*347*463mm扫描时间（每幅）0.3 sec转换时间1 sec (FAST mode), 1.5 sec (Fine mode)输出数据像素3D-Data: 640 x 480 30万点数据Color Data: 640 x 480取像设备3D data:1/3-inch frame transfer 33d (340,000pixels)彩色数据：common with 3D data (color separation by rotary filter)VIVID-910精度高,扫描速度快,使用方便。2.4 应用Geomagic

12、 studio逆向工程软件处理扫描得到节气阀外形数据3.快速成型技术的原理和方法3.1快速成型技术产生的背景随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈，产品的开发速度日益成为竞争的主要矛盾。同时，制造业需要满足日益变化的用户需求，又要求制造技术有较强的灵活性，能够以小批量甚至单件生产而不增加产品的成本。因此，产品开发的速度和制造技术的柔性变得十分关键。80年代后期发展起来的快速成型技术正满足了以上的社会需求，作为一项现代新型制造技术，快速成型技术被认为是近年来制造技术领域的一次重大突破，其对制造业的影响可与20世纪5060年代的数控技术的出现相媲美。RP系统综合了机械工程、CAD、数控技术

13、，激光技术及材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想物化为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评价、修改及功能试验，有效地缩短了产品的研发周期。而以RP系统为基础发展起来并已成熟的快速模具工装制造( Quick Tooling)技术，快速精铸技术(Quick Casting)，快速金属粉末烧结技术(Quick Powder Sintering)，则可实现零件的快速制造3。快速成形技术能快速地将产品零件的CAD模型转换为实物模型、零件原型和零件，而无需采用专用工具和工装，这一宝贵技术特征使快速成形技术能最好地适应当代制造业市场的竞争环境而飞速地发展起来。20世

14、纪80年代中后期至上世纪末是快速成形工艺、设备和材料蓬勃发展的年代，20世纪80年代中期美国在世界上推出了第一台商品化的快速成形设备，并很快扩展到日本及欧洲。2002年全球快速成形设备和服务的产值达4.845亿美元。13.2快速成形技术的基本原理及特点快速成形技术是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称，其基本过程是：首先设计出所需零件的计算机三维模型（本课题是通过逆向工程获得节气阀的数字模型），然后根据工艺要求，按照一定的规律将该模型离散为一系列有序的单位，通常在Z向将其按照一定厚度进行离散（习惯称为分层），把原来的三维CAD模型变为一系列的层片；再根据每个层片的轮

15、廓信息，输入加工参数，自动生成数控代码；最后由成形机成形一系列层片并自动将它们联接起来，得到一个三维物理实体。这样就将一个复杂的三维加工转变成一系列二维层片的加工，因此大大降低了加工难度，这也是所谓的降维制造。由于不需要专用的刀具和夹具，使成形过程的难度与待成形物理实物形状的复杂程度无关。快速成形技术具有以下几个基本特点：1由CAD模型直接驱动。2可以制造具有任意复杂形状的三维实体。3成形设备是无需专用夹具或工具的通用机械。4成形过程中无人干预或较小干预5快速成形的材料适应性好。3.3 离散方法与离散论方法学快速成形技术是基于离散堆积成形原理的成形方法。离散-堆积基本思路与数值积分中把任意函数

16、的积分问题转化为求解并累加-系列简单图元（如矩形）的面积问题一样。绝大多数现有的RP工艺都是将三维实体离散成二维层片然后叠加成形的。实际上，从离散-堆积原理本身出发，三维形体在离散过程中可沿一至三个方向进行不同的分解，生成形体的一个个截面、截线、截点，称之为离散面、离散线、离散点；在进行堆积过程时，首先要相应地分别进行二维单元体（面）、一维单元体（线）和零维单元体（点）的制造，然后将这些离散体相应进行一维、二维和三维的累加，即将它们依照原来的顺序堆积还原，转换成需要的三维零件实体。1 3.3.1 快速成形工艺过程的离散分析RP成形过程可分为离散和堆积两个过程，如图2。CAD模型模型分解（分层）

17、层片信息处理层片加工控制信息层片加工层片堆积实体模型数据处理过程（离散过程）物理实现过程（堆积过程）工艺规划离散过程将三维实体的CAD模型沿着一定方向分解，即将连续的实体（表面），按照一定厚度采样，分解成不连续的层片，得到一系列截面数据。堆积过程中，成形工具在运动轨迹的控制下，加工出层片，并将新生成的层片与已成形部分堆积、连接，层片生成与堆积连接过程循环往复，直至零件全部加工完成。离散和堆积是RP工艺特有的两个过程，离散是堆积的准备和依据，堆积是离散的复原。3.3.2 离散-堆积成形与其他成形原理比较回顾一下传统的成形方法，即去除成形和受迫成形。去除成形：去除裕量材料而成形,典型工艺：车，铣，

18、刨，磨。受迫成形：材料在型腔约束下成形，利用材料的可塑性，在模具或砧子的约束下，按模具型腔的形状与结构或在砧子的作用下而成形，典型工艺：模锻，轧制，冲压。离散-堆积成形与受迫成形方法相比，它无需专用工具（如成形模具锻模、冲模、注塑模、注射模、铸造造型木模）、专用型腔（如铸造用砂型）以及其他专用工装，因而具有最大的工艺柔性，特别适于个性化制定、批量定制、以及单件和小批量制造。与去除成形方法相比，离散-堆积成形方法适于任意复杂（形状和结构）的成形件；而去除成形方法受最小刀具半径的限制，无法“清根”，无法高效、整体完成具有内流道、中空和复杂内型腔的零件；离散-堆积成形将作为21世纪的重要成形方法而发

19、展，随着此种成形原理和技术与传统制造工艺进一步融合以及信息技术、材料科学的进步，必将促进制造科学向更新更广阔的领域迈进。5.典型的快速成型工艺及节气阀的快速成形（各数据的引用）快速成型工艺可细分为以下两大类：1.基于激光技术的快速成型工艺；2.基于微滴喷剂技术的快速成型工艺。常见的叠层实体制造，光敏树脂液相固化成形，选择性激光粉末烧结成形都属于第一种。而三维打印机及本课题中节气阀的快速成形熔丝堆积成形是属于第二种工艺。5.1叠层实体制造工艺叠层实体制造LOM（Laminating Object Manufacturer）工艺，是RP领域中具有代表性的技术之一。LOM技术的工艺过程见下图：图表

20、3 LOM技术工艺过程加工时，热压辊热压片材，使之与下面已成型的工件粘接。用CO2激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格。激光切割完成后，工作台带动已成型的工件下降，与带状片材分离。供料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移到加工区域。工作合上升到加工平面，热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚。再在新层上切割截面轮廓。如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完。最后，去除切碎的多余部分，得到分层制造的实体零件。3 LOM工艺只需在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面。因此成型厚壁零件的速度较快，易于制

21、造大型零件。工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起翘曲变形。工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，所以LOM工艺无需加支撑。5.2光敏树脂液相固化成形工艺光敏树脂液相固化成形（Sterolithography，SL）工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长（325或355nm）和强度(w=10400mw)的紫外光的照射下能迅速发生光聚合反应, 分子量急剧增大, 材料也就从液态转变成固态3。液槽中盛满液态光固化树脂，激光束在偏转镜作用下, 能在液态表面上扫描, 扫描的轨迹及激光的有无均由计算机控制, 光点扫描到的地方, 液体就固化。成型开始时，工作平台在

22、液面下一个确定的深度，液面始终处于激光的焦平面，聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点固化。当一层扫描完成后，未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，刮平器将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕, 得到一个三维实体模型。SL方法是目前RP技术领域中研究得最多的方法，也是技术上最为成熟的方法。一般层厚在0.1到0.15mm3，成形的零件精度较高。多年的研究改进了截面扫描方式和树脂成形性能，使该工艺的加工精度能达到0.1mm，现在最高精度已能达到0.05mm3。但这

23、种方法也有自身的局限性，比如需要支撑、树脂收缩导致精度下降等。5.3 选择性激光粉末烧结成形工艺选择性激光粉末烧结成形（Selected Laser Sintering，SLS）其原理是将一层很薄的（0.10.2mm）3材料粉末铺洒在已成型零件的上表面，并刮平，用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面，材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成型的部分连接。当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，有选择地烧结下层截面。烧结完成后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理得到零件。5.2基于微滴喷剂技术的快速成型工艺6.快速成型技术在铸型制造中的应用6.1 应用于铸型制造的快速成型技术产生背景在铸造生产中，模板、芯盒、压蜡型、压铸模等的制造往往是靠机械加工的办法，有时还需要钳工进行修整，费时耗资，而且精度不高而且从模具设计到加工制造是一个多环节的复杂过程，略有失误就会造成很大问题，