隨著精密測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造隨著精密測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造鍛制管件技術(shù)的不斷發(fā)展，基于精密測(cè)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(shí)和采用。長(zhǎng)期以來(lái)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、家電、共享單車等大批量產(chǎn)品中大量應(yīng)用，但對(duì)于無(wú)法適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)件的小批量和換代產(chǎn)品，尤其是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鍛制管件則無(wú)法適應(yīng)，只可求助于重新設(shè)計(jì)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(lái)便利，人們利用精密測(cè)量和逆向工程技術(shù)，對(duì)已損復(fù)雜結(jié)構(gòu)件進(jìn)行測(cè)繪，獲得其三維特性，重構(gòu)部件三維模型，鍛制管件原型實(shí)物用于完成設(shè)備結(jié)構(gòu)件的修復(fù)。
1.逆向工程及鍛制管件在復(fù)雜結(jié)構(gòu)件修復(fù)中的優(yōu)勢(shì)
1.1擺脫對(duì)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(jì)者，當(dāng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件損壞需要修復(fù)時(shí)，必然面臨無(wú)法取得鍛制管件圖檔的問(wèn)題。出于商業(yè)保密的原則，開發(fā)商一般情況下不會(huì)將原鍛制管件公開，同時(shí)對(duì)于型號(hào)較舊的產(chǎn)品，其原模型也容易出現(xiàn)保存未完好的問(wèn)題。應(yīng)用逆向工程可擺脫產(chǎn)品修復(fù)過(guò)程中對(duì)原模型的依賴性，只需要對(duì)損壞的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行分析逆向便可得到該鍛制管件的模型。
1.2降低復(fù)雜結(jié)構(gòu)件建模難度
針對(duì)一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則曲線曲面較多、尺寸難以測(cè)量的鍛制管件，運(yùn)用傳統(tǒng)的CAD軟件進(jìn)行測(cè)繪時(shí)往往偏差太大，而逆向工程從產(chǎn)品的最終實(shí)物出發(fā)，用先進(jìn)的點(diǎn)云掃描方式取代傳統(tǒng)的測(cè)量方式，所得到的零構(gòu)件數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠。
1.3減少修復(fù)時(shí)間現(xiàn)在人們對(duì)鍛制管件的個(gè)性化需求越來(lái)越強(qiáng)烈，逆向工程先獲取模型的三維實(shí)體，然后根據(jù)自身的需求進(jìn)行再設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的快速?gòu)?fù)制及現(xiàn)有產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)，大大縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期。針對(duì)制造環(huán)節(jié)，應(yīng)用鍛制管件技術(shù)能大大縮短制造的時(shí)間，3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于它不需要繁瑣的加工流程，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(guò)一臺(tái)3D打印機(jī)就能實(shí)現(xiàn)整個(gè)鍛制管件的制造。
1.4降低產(chǎn)品修復(fù)成本
在傳統(tǒng)制造業(yè)中，加工越復(fù)雜的鍛制管件所需要的時(shí)間和成本越高，但是隨著鍛制管件的普遍應(yīng)用，部件的復(fù)雜度將不再與成本形成正比關(guān)系，只需要將產(chǎn)品的模型推入鍛制管件便可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的成型過(guò)程，省去了包括數(shù)控編程，刀具選擇以及工裝夾具的設(shè)計(jì)等復(fù)雜的工藝流程，它會(huì)使加工的成本降低。
2.逆向工程及鍛制管件在復(fù)雜結(jié)構(gòu)件修復(fù)流程
逆向工程及鍛制管件在復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的修復(fù)是對(duì)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)鍛制管件模型進(jìn)行3D打印，并將重構(gòu)件代替原損壞的鍛制管件，恢復(fù)產(chǎn)品功能的修復(fù)過(guò)程。修復(fù)流程可分為待修復(fù)件結(jié)構(gòu)分析，點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取，3D模型生成，鍛制管件產(chǎn)品3D打印以及修復(fù)測(cè)試五部分。
2.1待修復(fù)結(jié)構(gòu)件分析
要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的修復(fù)，首先要對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與功能進(jìn)行分析鍛制管件，了解其設(shè)計(jì)特點(diǎn)，圖形特征，使用材料以及工況。如使用的材料特殊無(wú)法用鍛制管件3D打印實(shí)現(xiàn)時(shí)便只能使用CNC加工的方式，或零件本身可從市場(chǎng)上容易采購(gòu)也不適合用逆向工程的方式增加修復(fù)時(shí)間和成本。對(duì)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)。
2.2點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取
要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的逆向工程修復(fù)鍛制管件，需要對(duì)結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特征，如尺寸、形狀、曲面特征，特征位置等進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取。根據(jù)點(diǎn)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。非接觸式方法多用于曲面特征的獲取，利用聲學(xué)、光學(xué)和電磁學(xué)的手段進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，如激光掃描;接觸式方法多用于尺寸、位置等特征的獲取，利用機(jī)械關(guān)節(jié)臂、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、機(jī)床測(cè)頭等手段進(jìn)行獲取鍛制管件。近年來(lái)，出現(xiàn)了非接觸式與接觸式整合的方式，通過(guò)在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上安裝高精度非接觸式光學(xué)掃描儀，實(shí)現(xiàn)待測(cè)量產(chǎn)品的可編程特征掃描。
2.3D模型生成
將獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入逆向軟件，通過(guò)逆向軟件將點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合出實(shí)體特征并生成鍛制管件的3D模型。模型3D實(shí)體生成除了直接應(yīng)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)用按點(diǎn)、線、面、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，一類是以逆向模塊的形式嵌入到通用的CAD/CAM軟件中，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，如EDS公司的Imageware、RaindropGeomagic公司的Geomagic、DELCAM公司的CopyCAD、Paraform公司的Paraform、PTC公司的ICEMSurf、臺(tái)灣智泰科技公司的DigiSurf、AliasWaveffont公司的SurfaceStudio以及Materalice公司的Mimics等。逆向軟件的選擇要根據(jù)需要逆向的鍛制管件的特征、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特點(diǎn)以及模型的后續(xù)用途要求進(jìn)行。
2.4產(chǎn)品
3D打印技術(shù)是通過(guò)2D成型的三維疊加來(lái)實(shí)現(xiàn)零部件制造的一種新型增材制造技術(shù)，鍛制管件的結(jié)構(gòu)與造型設(shè)計(jì)不受傳統(tǒng)制造工藝的限制，可以實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成型。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，同時(shí)降低了制造的難度。將3D模型導(dǎo)入進(jìn)行STL格式轉(zhuǎn)化，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，最后進(jìn)行打印并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行后處理，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(wèn)題轉(zhuǎn)化為X和Y的平面運(yùn)動(dòng)問(wèn)題并進(jìn)行路線優(yōu)化，包括有文件校核，確定擺放方位、增加支撐和設(shè)置切片參數(shù)四個(gè)過(guò)程。
2.5修復(fù)測(cè)試
3D打印生成的鍛制管件要進(jìn)行測(cè)試以確保達(dá)到預(yù)定的目的，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，再根據(jù)設(shè)備的使用功能進(jìn)行測(cè)試，觀察空載運(yùn)行是否有異常，再負(fù)載運(yùn)行測(cè)試是否滿足功能要求，最后停止后觀察鍛制管件是否有損壞。測(cè)試通過(guò)后才可結(jié)束整個(gè)設(shè)備的修復(fù)工程。
3.抽油泵葉輪修復(fù)實(shí)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(shí)訓(xùn)中心實(shí)訓(xùn)設(shè)備抽油泵為例，該設(shè)備用于實(shí)訓(xùn)室日常金屬加工油品的抽取，設(shè)備的核心鍛制管件部件為結(jié)構(gòu)復(fù)雜的曲面葉輪，。該葉輪由于誤操作已損壞，為確保抽油泵的正常使用，需要對(duì)葉輪進(jìn)行更換。
3.1復(fù)雜結(jié)構(gòu)件修復(fù)分析
通過(guò)對(duì)葉輪的分析，該鍛制管件為結(jié)構(gòu)復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)，損壞較為嚴(yán)重，材料為塑料，經(jīng)調(diào)研市場(chǎng)上沒有單獨(dú)葉輪鍛制管件的出售，為了實(shí)現(xiàn)抽油泵的正常功能，需要制造一個(gè)新的葉輪以替代原有已損壞葉輪�？紤]到鍛制管件材料、制造數(shù)量以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取方式，根據(jù)葉輪的特點(diǎn)分析在非接觸式和接觸式方法中選擇，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(duì)比，此次修復(fù)適合采用接觸式的方法，采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)葉輪的特征點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采樣，后導(dǎo)入三維軟件進(jìn)行實(shí)體擬合。該方式能有效地避免由于特征損壞造成的掃描不清，干擾數(shù)據(jù)過(guò)多的情況。
3.3葉輪模型逆向工程
(1)逆向工程設(shè)備，葉輪點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取采用�？怂箍礕LOBALperformance橋式三坐標(biāo)測(cè)量，使用精密快速臺(tái)鉗夾具夾緊鍛制管件方式。測(cè)量頭采用紅寶石探針，具有高硬度、低密度、質(zhì)量小等優(yōu)勢(shì)，做成的測(cè)頭磨損量控制在最小，同時(shí)也可以避免機(jī)器運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)造成的測(cè)頭誤觸。當(dāng)測(cè)量頭的機(jī)械裝置發(fā)生位移時(shí)，將鍛制管件產(chǎn)生信號(hào)觸發(fā)并采集一個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)。(2)點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取，人工使用操作手柄驅(qū)動(dòng)測(cè)頭緩慢移動(dòng)到鍛制管件的表面上，把測(cè)量探針伸進(jìn)葉輪的底部，從葉輪的底部靠著葉輪的扇葉逐點(diǎn)往上測(cè)量，采用的是豎直的測(cè)量方法，這樣有利于把測(cè)量的點(diǎn)規(guī)律性地反應(yīng)出來(lái)，以便于在形成點(diǎn)云圖時(shí)，更好地把扇葉上的點(diǎn)連接成為線，同時(shí)避開已損壞的部位，以便減少誤差。通過(guò)�？怂箍礟C-DMIS三坐標(biāo)控制軟件可顯示獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的信息，生成鍛制管件點(diǎn)云數(shù)據(jù)。(3)擬合點(diǎn)云成實(shí)體，應(yīng)用PRO/E軟件將獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)從點(diǎn)到線、線到面、面到實(shí)體的過(guò)程，生成葉輪的完整鍛制管件模型。該方式從三坐標(biāo)實(shí)測(cè)的測(cè)量點(diǎn)出發(fā)，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。
3.4葉輪
3D打印打印設(shè)備及鍛制管件材料，葉輪打印采用的是聯(lián)泰RSPro打印機(jī)，打印方式為立體光固化成型法(SLA)，分層厚度0.03~0.25mm，打印精度±0.07mm/150mm，采用高效穩(wěn)定的振鏡掃描方式，可以同時(shí)固化二維平面X-Y軸上的光固化樹脂，光固化樹脂選用型號(hào)為C-UVBESTY，該樹脂具有黏度低、固化收縮小、固化速率快、溶脹小、光敏感性高的特性。(2)鍛制管件模型文件切片，采用MagicRP20.0數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行切片處理，切片過(guò)程包括四個(gè)步驟:第一是文件校核，確定文件模型沒有裂縫、空洞、重疊面、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，切片之前要確定擺放鍛制管件方位，即成型方向，成型方向不同，成型時(shí)間、成型表面質(zhì)量以及添加支撐方式都會(huì)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，因此在打印鍛制管件模型時(shí)需要額外添加支撐，制作成型后拆除;第四是設(shè)置鍛制管件切片參數(shù)，設(shè)置的參數(shù)包括層高、壁厚、填充密度、打印速度等，然后系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置進(jìn)行切片。經(jīng)過(guò)上述四個(gè)步驟后，葉輪模型可生成的切片分層圖如圖7所示。(3)打印及后處理，當(dāng)數(shù)據(jù)導(dǎo)進(jìn)3D打印機(jī)后，其激光光束通過(guò)數(shù)控裝置控制的掃描器，按照設(shè)計(jì)的掃描路徑照射到液態(tài)光固化樹脂鍛制管件表面，是其樹脂固化形成一層截面，然后升降臺(tái)下降，固化層上覆蓋另一層液態(tài)樹脂，再進(jìn)行第二層樹脂固化，反復(fù)疊加生成工件葉輪。打印完的工件需要進(jìn)行后處理，經(jīng)過(guò)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(guò)程，使工件的機(jī)械性能滿足要求。(4)綜合測(cè)試，將3D打印的葉輪裝入抽油泵中，觀察裝配情況，再進(jìn)行通電測(cè)試，測(cè)試結(jié)果達(dá)到設(shè)備的功能要求。通過(guò)逆向工程及3D打印在設(shè)備復(fù)雜結(jié)構(gòu)鍛制管件修復(fù)可行。
4.結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)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、提高效率等優(yōu)勢(shì)，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�，F(xiàn)階段，由于受3D打印材料性能和品種的約束，對(duì)材料要求較高或特殊工況的設(shè)備仍然無(wú)法適合，但隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，材料性能不斷提升，品種日益豐富以及打印效率進(jìn)一步提升，逆向工程及3D打印技術(shù)將越來(lái)越多地應(yīng)用到設(shè)備修復(fù)中。技術(shù)的不斷發(fā)展，基于精密測(cè)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(shí)和采用。長(zhǎng)期以來(lái)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、家電、共享單車等大批量產(chǎn)品中大量應(yīng)用，但對(duì)于無(wú)法適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)件的小批量和換代產(chǎn)品，尤其是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件則無(wú)法適應(yīng)，只可求助于重新設(shè)計(jì)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(lái)便利，人們利用精密測(cè)量和逆向工程技術(shù)，對(duì)已損復(fù)雜結(jié)構(gòu)件進(jìn)行測(cè)繪，獲得其三維特性，重構(gòu)部件三維模型，鍛制管件原型實(shí)物用于完成設(shè)備結(jié)構(gòu)件的修復(fù)。
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