基于3D 打印的仿生深松鏟尖設計

河北農業大學機電工程學院 馬志凱 譚文豪 霍倩 桑永英 孔德剛 劉聰

前言

全球3D 打印技術呈現出快速上升的趨勢，尤其是美國的3D 打印技術的發展最為顯著。已經可以預見到3D 打印技術將會對全球制造體系產生極其深刻的影響。

國內3D 打印產業化程度不高，產業整合度較低，產業鏈尚不完整。國內的3D 打印技術研究水平與國外相比還存在很大差距，還尚需努力[4]。

1 仿生深松鏟設計過程

如今逆向工程已經廣泛應用于產品創新研發、質量檢測和分析、產品仿制等領域，與正向工程設計技術相比，逆向工程能夠減少產品的研發成本，縮短產品的設計研發周期，降低產品的研發風險，加速產品的造型設計，并提升產品質量。

應用逆向工程的基本過程見下圖1.1[6]：

圖1 逆向工程流程圖

2 模型逆向設計

2.1 點云數據采集及預處理

本文先使用Ein Scan-Pro 多功能手持式3D 掃描儀對野生雞爪子進行掃描獲得點云數據，并將其存儲為ASC 格式。為了保證點云數據的完整性并盡可能減少點云數量，將獲取到的點云數據導入到CATIA V5，在DSE 模塊中，通過稀釋、降噪處理后得到的點云數據見圖2.1。

圖2 處理后的點云數據

通過上述一系列操作，得到完整且輕量化的點云數據。將處理后的點云數據導出并保存為Iges 格式，以便進行后續的曲面重構。

2.2 曲線的創建

創建曲線是重構曲面的基礎，曲線的質量會直接影響到重構曲面的質量[10]，由于曲面的修改和調整要比曲線更復雜，所以要盡可能創建出高質量的曲線，以便于后續的曲面重構。

（1）提取特征線

使用平面截面線、3D 曲線及網格面邊線等[11]方法于逆向構造曲線。由于該構件具有對稱性，所以僅對其半個曲面的特征線進行提取。

圖3 特征線的提取

（2）曲線光順處理

對于提取好的特征線，需要進行光順性處理，對于不光整的曲線需進行光順，可以通過找出多余的壞點并去除對曲線進行光順。光順曲線時需使曲線端點連續，以確保后續曲面的光順連接。

圖4 曲線光順性檢查

2.3 曲面的重構

在逆向工程中，曲面重構是重要環節，目的是能構造出能滿足精度和光順性要求并與相鄰的曲面光滑銜接的曲面模型。

（1）曲面的創建

使用特征線構建曲面的方法較為方便快速且可以保證質量，對于較為平緩、曲率變化不大的曲面，可以選擇橋接、掃掠、填充、放樣等方法重構曲面。對于創建A 級曲面，通過特征線創建的曲面比通過QSR 模塊中的Power Fit（最佳曲面擬合）命令創建的曲面精度要高[12]。對于曲率變化較大、形狀比較復雜的曲面，可以使用QSR 模塊中的平面形式切面、曲線網格和曲面網格等命令結合特征線來創建。對于相鄰曲面，要進行連接性檢查，以便進行后續的曲面光順性分析。

（2）曲面的分析

曲面創建完成后，還需要對曲面進行連接性和光順性檢查分析。在精度方面，使用控制點調面法對U、V 方向的控制點、權因子、節點矢量等參數進行調整以滿足曲面擬合精度。在連接性方面，進入FreeStyle 模塊，點擊倒角命令，通過對相鄰曲面取倒角使其達到G2 連續。

然后使用Porcupine Curve Analysis（曲率分析）命令對得到的連續曲面進行曲率分析，分析得到曲面光滑且走勢平緩，滿足A級曲面的要求。最后通過QSR 模塊的Symmetry（對稱）命令得到另一半曲面，達到最終的曲面效果（見圖5）。

圖5 最終重構曲面

2.4 填充實體

由于通過逆向設計得到的只是一個外殼曲面，而最終加工時構件應為實體，所以需要對逆向后的曲面空殼進行填充，使其變為實體，以進行后續設計。在CATIA 創成式外形設計模塊使用接合命令將所有曲面接合成一個完整的外曲面。然后進入零部件設計模塊，點擊封閉曲面命令，選擇剛才的結合為操作對象，點擊確定，即可生成封閉曲面，該封閉曲面為實體（見圖6）。

圖6 實體填充結果

3 3D 打印

鏟尖逆向完成之后，為了與已經完成建模的鏟柄相裝配，需要對鏟尖進行外形修整，截去多余的部分，將其修整成與鏟柄適合的外形，測量出鏟柄上與鏟尖相接處的平面尺寸，進入CATIA零部件設計模塊，先對填充后的實體進行縮放，使實際鏟外形尺寸符合鏟尖模型。經過修正的鏟尖利用3D 打印機進行打印，打印效果如圖7。

圖7 3D 打印件

4 結論

通過對雞爪子掃描逆向仿生設計，獲得雞爪子表面點云數據，通過對點云的處理，獲得曲面上的光滑特征曲線，進一步進行曲面重構。經重構后的模型進行修正獲得與實際鏟大小的仿生鏟，同時通過3D 打印將模型進行打印。使用打印的模型進行砂型鑄造獲得仿生深松鏟。獲得一種對觸土部件仿生制造的一種新工藝。