隨著精密測量技術(shù)、計算機(jī)輔助設(shè)計與制造(CAD/CAM)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于精密測量與逆向工程技術(shù)在機(jī)電設(shè)備部件修復(fù)中的作用逐步被人們認(rèn)識和采用[1]栓霜。長期以來在設(shè)備維修中往往采用提前準(zhǔn)備易損標(biāo)準(zhǔn)件的方式進(jìn)行，在汽車横蜒、家電胳蛮、共享單車等大批量產(chǎn)品中大量應(yīng)用，但對于無法適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)件的小批量和換代產(chǎn)品候铸，尤其是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件則無法適應(yīng)迄岸，只可求助于重新設(shè)計建模后制造的方式。逆向工程技術(shù)的成熟為機(jī)電設(shè)備復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的修復(fù)帶來便利眨额，人們利用精密測量和逆向工程技術(shù)苗泰，對已損復(fù)雜結(jié)構(gòu)件進(jìn)行測繪，獲得其三維特性笋再，重構(gòu)部件三維模型莲轮，3D打印原型實物用于完成設(shè)備結(jié)構(gòu)件的修復(fù)。

1逆向工程及3D打印在復(fù)雜結(jié)構(gòu)件修復(fù)中的優(yōu)勢

1.1擺脫對原模型的依賴性

機(jī)電設(shè)備的使用方往往并不是產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計者缤贯，當(dāng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件損壞需要修復(fù)時既帜，必然面臨無法取得原產(chǎn)品模型圖檔的問題。出于商業(yè)保密的原則瑰柄，開發(fā)商一般情況下不會將原模型公開制私，同時對于型號較舊的產(chǎn)品，其原模型也容易出現(xiàn)保存未完好的問題级汹。應(yīng)用逆向工程可擺脫產(chǎn)品修復(fù)過程中對原模型的依賴性摹菠，只需要對損壞的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行分析逆向便可得到該產(chǎn)品的模型。

1.2降低復(fù)雜結(jié)構(gòu)件建模難度

針對一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜骗爆、不規(guī)則曲線曲面較多次氨、尺寸難以測量的零部件，運(yùn)用傳統(tǒng)的CAD軟件進(jìn)行測繪時往往偏差太大摘投，而逆向工程從產(chǎn)品的最終實物出發(fā)煮寡，用先進(jìn)的點云掃描方式取代傳統(tǒng)的測量方式，所得到的零構(gòu)件數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠[2]犀呼。1.3減少修復(fù)時間現(xiàn)在人們對產(chǎn)品的個性化需求越來越強(qiáng)烈幸撕，逆向工程先獲取模型的三維實體薇组，然后根據(jù)自身的需求進(jìn)行再設(shè)計，可以實現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的快速復(fù)制及現(xiàn)有產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計坐儿，大大縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期律胀。針對制造環(huán)節(jié)，應(yīng)用3D打印技術(shù)能大大縮短制造的時間貌矿，3D打印技術(shù)的優(yōu)勢在于它不需要繁瑣的加工流程炭菌，利用液態(tài)或粉末狀材料不斷堆疊固化的原理，只需要通過一臺3D打印機(jī)就能實現(xiàn)整個產(chǎn)品的制造逛漫。

1.4降低產(chǎn)品修復(fù)成本

在傳統(tǒng)制造業(yè)中位满，加工越復(fù)雜的部件所需要的時間和成本越高，但是隨著3D打印機(jī)的普遍應(yīng)用土霞，部件的復(fù)雜度將不再與成本形成正比關(guān)系些脐，只需要將產(chǎn)品的模型推入3D打印機(jī)便可實現(xiàn)產(chǎn)品的成型過程，省去了包括數(shù)控編程每访，刀具選擇以及工裝夾具的設(shè)計等復(fù)雜的工藝流程盘肺，它會使加工的成本降低。

2逆向工程及3D打印在復(fù)雜結(jié)構(gòu)件修復(fù)流程

逆向工程及3D打印在復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的修復(fù)是對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的損壞零件進(jìn)行逆向工程建模及將重構(gòu)模型進(jìn)行3D打印闰收，并將重構(gòu)件代替原損壞件境株，恢復(fù)產(chǎn)品功能的修復(fù)過程。修復(fù)流程可分為待修復(fù)件結(jié)構(gòu)分析淀税，點云數(shù)據(jù)獲取肌蝶，3D模型生成，產(chǎn)品3D打印以及修復(fù)測試五部分狂篇，如圖1所示毙琴。

2.1待修復(fù)結(jié)構(gòu)件分析

要實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的修復(fù)，首先要對其結(jié)構(gòu)特點與功能進(jìn)行分析岗屏，了解其設(shè)計特點辆琅，圖形特征，使用材料以及工況这刷。如使用的材料特殊無法用3D打印實現(xiàn)時便只能使用CNC加工的方式婉烟，或零件本身可從市場上容易采購也不適合用逆向工程的方式增加修復(fù)時間和成本。對結(jié)構(gòu)件的分析是為了確認(rèn)是否采用逆向工程及3D打印的方式修復(fù)暇屋。

2.2點云數(shù)據(jù)獲取

要實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的逆向工程修復(fù)似袁，需要對結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特征，如尺寸咐刨、形狀昙衅、曲面特征，特征位置等進(jìn)行點云數(shù)據(jù)的獲取定鸟。根據(jù)點云數(shù)據(jù)的獲取方式可分為:非接觸式方法和接觸式方法而涉，如圖2所示著瓶。非接觸式方法多用于曲面特征的獲取，利用聲學(xué)啼县、光學(xué)和電磁學(xué)的手段進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取材原，如激光掃描;接觸式方法多用于尺寸、位置等特征的獲取决太，利用機(jī)械關(guān)節(jié)臂蓉厕、三坐標(biāo)測量機(jī)勾疏、機(jī)床測頭等手段進(jìn)行獲取晴灿。近年來，出現(xiàn)了非接觸式與接觸式整合的方式蛉渡，通過在三坐標(biāo)測量機(jī)上安裝高精度非接觸式光學(xué)掃描儀社芳，實現(xiàn)待測量產(chǎn)品的可編程特征掃描。

2.33D模型生成

將獲取的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入逆向軟件旧毯，通過逆向軟件將點云數(shù)據(jù)擬合出實體特征并生成產(chǎn)品的3D模型肢构。模型3D實體生成除了直接應(yīng)用點云數(shù)據(jù)應(yīng)用按點、線战钾、面踪钞、體的傳統(tǒng)方式還可直接應(yīng)用逆向軟件的模式進(jìn)行，市面上存在著逆向軟件主要有兩類辖嫁，一類是以逆向模塊的形式嵌入到通用的CAD/CAM軟件中泼司，如UG軟件中的QuickShape模塊、Pro/E軟件中的SCAN-TOOLS模塊;另一類是專用的逆向軟件暖眼，如EDS公司的Imageware惕耕、RaindropGeomagic公司的Geomagic、DELCAM公司的CopyCAD诫肠、Paraform公司的Paraform司澎、PTC公司的ICEMSurf、臺灣智泰科技公司的DigiSurf栋豫、AliasWaveffont公司的SurfaceStudio以及Mat?eralice公司的Mimics等[3]挤安。逆向軟件的選擇要根據(jù)需要逆向的產(chǎn)品的特征、點云數(shù)據(jù)的特點以及模型的后續(xù)用途要求進(jìn)行丧鸯。

2.4產(chǎn)品

3D打印3D打印技術(shù)是通過2D成型的三維疊加來實現(xiàn)零部件制造的一種新型增材制造技術(shù)蛤铜，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與造型設(shè)計不受傳統(tǒng)制造工藝的限制，可以實現(xiàn)任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成型[4]骡送。3D打印技術(shù)的應(yīng)用使結(jié)構(gòu)件的制造效率大大提高昂羡，同時降低了制造的難度。將3D模型導(dǎo)入進(jìn)行STL格式轉(zhuǎn)化摔踱，而后將轉(zhuǎn)化好的STL文件導(dǎo)入3D打印機(jī)切片軟件進(jìn)行切片虐先，最后進(jìn)行打印并對產(chǎn)品進(jìn)行后處理怨愤，從而得到想要的產(chǎn)品。其中切片的目的就是將空間三維問題轉(zhuǎn)化為X和Y的平面運(yùn)動問題并進(jìn)行路線優(yōu)化徘涤，包括有文件校核乒稚，確定擺放方位、增加支撐和設(shè)置切片參數(shù)四個過程想受。

2.5修復(fù)測試

3D打印生成的零件要進(jìn)行測試以確保達(dá)到預(yù)定的目的咐笙，需要將零件替換到原零件的位置，先觀察是否能正確地安裝配合谱累，再根據(jù)設(shè)備的使用功能進(jìn)行測試昨把，觀察空載運(yùn)行是否有異常，再負(fù)載運(yùn)行測試是否滿足功能要求谒电，最后停止后觀察零件是否有損壞臼格。測試通過后才可結(jié)束整個設(shè)備的修復(fù)工程。

3抽油泵葉輪修復(fù)實現(xiàn)

此次逆向工程及3D打印在設(shè)備復(fù)雜結(jié)構(gòu)件修復(fù)中以東莞市高技能公共實訓(xùn)中心實訓(xùn)設(shè)備抽油泵為例冗呀，該設(shè)備用于實訓(xùn)室日常金屬加工油品的抽取瘦涵，設(shè)備的核心部件為結(jié)構(gòu)復(fù)雜的曲面葉輪，如圖3所示钠锉。該葉輪由于誤操作已損壞雪隧，為確保抽油泵的正常使用，需要對葉輪進(jìn)行更換员舵。

3.1復(fù)雜結(jié)構(gòu)件修復(fù)分析

通過對葉輪的分析脑沿，該零件為結(jié)構(gòu)復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)，損壞較為嚴(yán)重固灵，材料為塑料捅伤，經(jīng)調(diào)研市場上沒有單獨(dú)葉輪零件的出售，為了實現(xiàn)抽油泵的正常功能巫玻，需要制造一個新的葉輪以替代原有已損壞葉輪丛忆。考慮到零件材料仍秤、制造數(shù)量以及結(jié)構(gòu)特點熄诡，采用3D打印的方式是一種較有效率和節(jié)省成本的方式。

3.2建模方案選擇

建模方案的選擇上主要是選擇點云數(shù)據(jù)獲取方式诗力，根據(jù)葉輪的特點分析在非接觸式和接觸式方法中選擇凰浮，鑒于修復(fù)前葉輪的損壞情況較為嚴(yán)重，根據(jù)非接觸式和接觸式兩種方式的對比苇本，如表1所示渡铲，此次修復(fù)適合采用接觸式的方法，采用三坐標(biāo)測量機(jī)對葉輪的特征點進(jìn)行點云數(shù)據(jù)采樣，后導(dǎo)入三維軟件進(jìn)行實體擬合楞澳。該方式能有效地避免由于特征損壞造成的掃描不清访跛，干擾數(shù)據(jù)過多的情況。

3.3葉輪模型逆向工程

(1)逆向工程設(shè)備堡扳，葉輪點云數(shù)據(jù)獲取采用褐妊克斯康GLOBALperformance橋式三坐標(biāo)測量，使用精密快速臺鉗夾具夾緊方式侄脂，如圖4所示冯峭。測量頭采用紅寶石探針，具有高硬度烫毡、低密度谁汤、質(zhì)量小等優(yōu)勢，做成的測頭磨損量控制在最小公遭，同時也可以避免機(jī)器運(yùn)動或振動造成的測頭誤觸屠伴。當(dāng)測量頭的機(jī)械裝置發(fā)生位移時，將產(chǎn)生信號觸發(fā)并采集一個測量數(shù)據(jù)禁灼。(2)點云數(shù)據(jù)獲取，人工使用操作手柄驅(qū)動測頭緩慢移動到葉輪的表面上轿曙，把測量探針伸進(jìn)葉輪的底部弄捕，從葉輪的底部靠著葉輪的扇葉逐點往上測量，采用的是豎直的測量方法导帝，這樣有利于把測量的點規(guī)律性地反應(yīng)出來守谓，以便于在形成點云圖時，更好地把扇葉上的點連接成為線您单，同時避開已損壞的部位斋荞，以便減少誤差。通過号扒兀克斯康PC-DMIS三坐標(biāo)控制軟件可顯示獲取點云數(shù)據(jù)的信息平酿，生成葉輪點云數(shù)據(jù)，如圖5所示悦陋。(3)擬合點云成實體蜈彼，應(yīng)用PRO/E軟件將獲取的點云數(shù)據(jù)通過從點到線、線到面俺驶、面到實體的過程究油，生成葉輪的完整模型，如圖6所示协黑。該方式從三坐標(biāo)實測的測量點出發(fā)迹匈，位置和尺寸精度高，能高度還原葉輪的各種特征，減少尺寸及裝配誤差帚孔。

3.4葉輪

3D打印(1)打印設(shè)備及材料够堆，葉輪打印采用的是聯(lián)泰RSPro-4503D打印機(jī)，打印方式為立體光固化成型法(SLA)鞭眠，分層厚度0.03~0.25mm吩秫，打印精度±0.07mm/150mm，采用高效穩(wěn)定的振鏡掃描方式抑希，可以同時固化二維平面X-Y軸上的光固化樹脂嘲绷，光固化樹脂選用型號為C-UVBESTY，該樹脂具有黏度低勤适、固化收縮小耽效、固化速率快、溶脹小括享、光敏感性高的特性搂根。(2)模型文件切片，采用MagicRP20.0數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行切片處理铃辖，切片過程包括四個步驟:第一是文件校核剩愧，確定文件模型沒有裂縫、空洞娇斩、重疊面仁卷、交叉面等，以免切片分層后出現(xiàn)不封閉環(huán);第二是確定擺放方位犬第，切片之前要確定擺放方位锦积，即成型方向，成型方向不同歉嗓，成型時間丰介、成型表面質(zhì)量以及添加支撐方式都會不一樣;第三是增加支撐，模型的獨(dú)立輪廓與懸臂結(jié)構(gòu)是不能在沒有支撐條件下成型的鉴分，因此在打印模型時需要額外添加支撐哮幢，制作成型后拆除;第四是設(shè)置切片參數(shù)，設(shè)置的參數(shù)包括層高舶卧、壁厚熬慎、填充密度、打印速度等乔胆，然后系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置進(jìn)行切片鳖建。經(jīng)過上述四個步驟后，葉輪模型可生成的切片分層圖如圖7所示济季。(3)打印及后處理淌窄，當(dāng)數(shù)據(jù)導(dǎo)進(jìn)3D打印機(jī)后础呈，其激光光束通過數(shù)控裝置控制的掃描器，按照設(shè)計的掃描路徑照射到液態(tài)光固化樹脂表面权炫，是其樹脂固化形成一層截面矛枚，然后升降臺下降，固化層上覆蓋另一層液態(tài)樹脂岁且，再進(jìn)行第二層樹脂固化阴默，反復(fù)疊加生成工件葉輪，如圖8所示乃楣。打印完的工件需要進(jìn)行后處理稚补，經(jīng)過酒精清洗、去除支撐材料以及紫外線光固箱上進(jìn)行二次固化的過程框喳，使工件的機(jī)械性能滿足要求课幕。(4)綜合測試，將3D打印的葉輪裝入抽油泵中五垮，觀察裝配情況乍惊，再進(jìn)行通電測試，測試結(jié)果達(dá)到設(shè)備的功能要求放仗，如圖9所示润绎。通過逆向工程及3D打印在設(shè)備復(fù)雜結(jié)構(gòu)件修復(fù)可行。

4結(jié)束語

通過逆向工程及3D打印的方式進(jìn)行設(shè)備修復(fù)具有節(jié)省成本匙监、提高效率等優(yōu)勢凡橱，在機(jī)設(shè)備修復(fù)中具有推廣的前景，尤其是貴重小批量設(shè)備中的應(yīng)用⊥だ眩現(xiàn)階段，由于受3D打印材料性能和品種的約束顾稀，對材料要求較高或特殊工況的設(shè)備仍然無法適合达罗，但隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，材料性能不斷提升陋沫，品種日益豐富以及打印效率進(jìn)一步提升放干，逆向工程及3D打印技術(shù)將越來越多地應(yīng)用到設(shè)備修復(fù)中。

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