隨著精密測量技術(shù)、計算機(jī)輔助設(shè)計與制造隨著精密測量技術(shù)、計算機(jī)輔助設(shè)計與制造鍛制管件技術(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。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、家電、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，尤其是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鍛制管件則無法適應(yīng)，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，人們利用精密測量和逆向工程技術(shù)，對已損復(fù)雜結(jié)構(gòu)件進(jìn)行測繪，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
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，當(dāng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件損壞需要修復(fù)時，必然面臨無法取得鍛制管件圖檔的問題。出于商業(yè)保密的原則，開發(fā)商一般情況下不會將原鍛制管件公開，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。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，只需要對損壞的結(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
針對一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則曲線曲面較多、尺寸難以測量的鍛制管件，運(yùn)用傳統(tǒng)的CAD軟件進(jìn)行測繪時往往偏差太大，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)時間現(xiàn)在人們對鍛制管件的個性化需求越來越強(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，可以實(shí)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，大大縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期。針對制造環(huán)節(jié)，應(yīng)用鍛制管件技術(shù)能大大縮短制造的時間，3D打印技術(shù)的優(yōu)勢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，只需要通過一臺3D打印機(jī)就能實(shí)現(xiàn)整個鍛制管件的制造。
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)計等復(fù)雜的工藝流程，它會使加工的成本降低。
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)計特點(diǎn)，圖形特征，使用材料以及工況。如使用的材料特殊無法用鍛制管件3D打印實(shí)現(xiàn)時便只能使用CNC加工的方式，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)。
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)測量機(jī)、機(jī)床測頭等手段進(jìn)行獲取鍛制管件。近年來，出現(xiàn)了非接觸式與接觸式整合的方式，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，實(shí)現(xiàn)待測量產(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2D成型的三維疊加來實(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，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)四個過程。
2.5修復(fù)測試
3D打印生成的鍛制管件要進(jìn)行測試以確保達(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)行測試，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，最后停止后觀察鍛制管件是否有損壞。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(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，需要對葉輪進(jìn)行更換。
3.1復(fù)雜結(jié)構(gòu)件修復(fù)分析
通過對葉輪的分析，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，需要制造一個新的葉輪以替代原有已損壞葉輪。考慮到鍛制管件材料、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比，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(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)測量，使用精密快速臺鉗夾具夾緊鍛制管件方式。測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，做成的測頭磨損量控制在最小，同時也可以避免機(jī)器運(yùn)動或振動造成的測頭誤觸。當(dāng)測量頭的機(jī)械裝置發(fā)生位移時，將鍛制管件產(chǎn)生信號觸發(fā)并采集一個測量數(shù)據(jù)。(2)點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取，人工使用操作手柄驅(qū)動測頭緩慢移動到鍛制管件的表面上，把測量探針伸進(jìn)葉輪的底部，從葉輪的底部靠著葉輪的扇葉逐點(diǎn)往上測量，采用的是豎直的測量方法，這樣有利于把測量的點(diǎn)規(guī)律性地反應(yīng)出來，以便于在形成點(diǎn)云圖時，更好地把扇葉上的點(diǎn)連接成為線，同時避開已損壞的部位，以便減少誤差。通過�？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)通過從點(diǎn)到線、線到面、面到實(shí)體的過程，生成葉輪的完整鍛制管件模型。該方式從三坐標(biāo)實(shí)測的測量點(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，切片過程包括四個步驟: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，成型時間、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，因此在打印鍛制管件模型時需要額外添加支撐，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。(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)光固化樹脂鍛制管件表面，是其樹脂固化形成一層截面，然后升降臺下降，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，使工件的機(jī)械性能滿足要求。(4)綜合測試，將3D打印的葉輪裝入抽油泵中，觀察裝配情況，再進(jìn)行通電測試，測試結(jié)果達(dá)到設(shè)備的功能要求。通過逆向工程及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
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、提高效率等優(yōu)勢，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。現(xiàn)階段，由于受3D打印材料性能和品種的約束，對材料要求較高或特殊工況的設(shè)備仍然無法適合，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。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、家電、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，尤其是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件則無法適應(yīng)，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，人們利用精密測量和逆向工程技術(shù)，對已損復(fù)雜結(jié)構(gòu)件進(jìn)行測繪，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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