基于逆向工程的設施農業就地翻土犁設計與試驗

楊書搏 劉元義 于圣潔 張悅 王麗娟 宋心宇

摘要：針對當前設施農業耕整作業大多采用旋耕法無法實現深翻而能夠深翻的鏵式犁存在土垡側翻特性使其不適用于設施大棚的問題，基于逆向工程技術創新設計就地翻土犁。選用GMSCAN-H手持式激光三維掃描儀對BT-25型鏵式犁進行掃描，獲取點云數據，并通過逆向設計軟件Geomagic Design X構建就地翻土犁犁體曲面及其他工作部件，完成就地翻土犁的三維建模。利用3D打印技術打印其縮放模型并進行土槽試驗。試驗結果表明：應用逆向工程技術設計的就地翻土犁，原溝落土率為90.3%，所建三維模型為后續就地翻土犁進一步研究和優化提供參考。

關鍵詞：就地翻土犁；逆向工程；設施農業；三維模型；3D打印

中圖分類號：S222.19

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2023） 12006006

Design and test of in-situ tilling plow for facility agriculture based on reverse engineering

Yang Shubo， Liu Yuanyi， Yu Shengjie， Zhang Yue， Wang Lijuan， Song Xinyu

（College of Agricultural Engineering and Food Science， Shandong University of Technology， Zibo， 255000， China）

Abstract：

In response to the problem of the plow， which is unable to achieve deep plowing and is capable of deep plowing due to the characteristics of soil overturning， and is not suitable for facility greenhouses， this paper designs an in-situ tilling plow based on reverse engineering technology. The GMSCAN-H handheld laser 3D scanner was used to scan the BT-25 plow， obtain point cloud data， and use the reverse design software Geomagic Design X to construct the surface of the plow body and other working components， completing the 3D modeling of the local soil turning plow. The samples of scaled model was printed by 3D printing technology and the soil tank test was carried out. The test results showed that the in-situ tilling plow designed by reverse engineering technology had a soil falling rate of 90.3% in the original ditch. The three-dimensional model established provided a reference for further research and optimization of in-situ tilling plow in the future.

Keywords：

in-situ plow; reverse engineering; facility agriculture; 3D model; 3D printing

0 引言

逆向工程也稱反求工程、反向工程［1］。逆向工程是指以現有的產品或實物模型作為研究對象，通過數據采集設備獲取產品或模型的點云數據，利用計算機處理點云數據，而后進行三維模型重建，在此基礎上對已存在的產品進行再創造，進而研發制造出更為先進的同類產品的一系列技術和過程的總稱［24］。20世紀80年代，逆向工程首先在歐美和日本等發達地區被提出并開始發展。逆向工程的關鍵是能夠對實物模型的表面完成精準且迅速的數字化。逆向工程對產品的創新、快速設計制造有重要的實踐意義，能夠快速地提升產品競爭力［5］。

國內外學者通過對逆向工程技術和3D打印技術的應用解決了不同領域的各類問題，為本文對于逆向工程的應用提供了參考。丁啟朔等［6］利用逆向工程技術探討攪漿刀的設計方法。張秀麗等［7］利用光學三維掃描儀獲得勺輪式排種器外形點云數據，用Geomagic studio進行點云處理，并導入UG中進行三維建模，模型與實物偏差為0.031mm。Ciocanea等［8］應用逆向工程獲得了水平軸上的渦輪葉片斷裂的幾何數據，并通過逆向建模軟件修復并重建模型。Anggoro等［9］利用三坐標測量機獲得一種陶瓷平盤的三維數據，應用CAD-Power Shape基于該數據對平盤再設計，最終獲得新式平盤模具。Segreto等［10］采用兩種不同的非接觸式逆向工程掃描系統，對一件文物進行三維數據采集，對數據采集和處理過程進行了說明和比較，最后重建了一個縮小比例的仿制品。李素麗等［11］研究了下頜骨在不同咬合方式和不同咬合力下的受力情況，基于頭部CT數據提取下頜骨數據后建立三維模型，并對下頜骨曲面進行優化，利用3D打印技術，對正常的下頜骨以及鈦合金植入物修復的下頜骨進行對比分析。劉海棠等［12］選擇86例肱骨髁間骨折患者作為研究對象，隨機均分為對照組和觀察組，觀察組運用Mimics三維重建結合3D打印技術，結果表明運用Mimics三維重建結合3D打印技術能夠縮短患者手術時間和骨折愈合時間。

設施農業潮濕環境及長期重茬種植導致細菌和蟲卵滋生，易引發大面積的病蟲害現象［13］。種植戶采用了多種解決方案，其中深翻作業取得了較好的效果。深翻作業不但可以有效防治作物的病蟲害，而且能夠降低土壤容重及緊實度，調整土壤結構，提高土壤蓄水量，提高水分利用率及作物產量［1417］。但目前在設施農業中，耕整作業大多采用旋耕法無法實現深翻，而能夠深翻的鏵式犁存在土垡側翻特性使其不適用于存在立柱的設施大棚。由于設施農業對深翻的需求以及鏵式犁在設施農業中應用存在局限，因此本文設計了一種能夠深翻且能使土垡無側移翻轉的就地翻土犁。犁體曲面的設計是就地翻土犁設計的主要內容，正向直接設計這種犁體曲面時比較困難，考慮到這種設計方案是在傳統鏵式犁上的改進，本文采用逆向工程輔助設計，采集并處理鏵式犁的三維數據，并按照就地翻土犁設計方案用逆向設計軟件Geomagic Design X設計就地翻土犁犁體曲面以及其他的工作部件，完成就地翻土犁主犁體的三維建模。

1 犁體外形點云數據獲取

1.1 測量對象及設備

基于逆向工程對傳統鏵式犁進行創新設計，建立就地翻土犁三維模型，首先需要通過測量設備獲得鏵式犁的點云模型數據。測量設備采用GMSCAN-H手持式激光三維掃描儀，掃描精度為0.03mm。選擇北方BT-25型鏵式犁犁體為被測犁體［18］，其參數為：幅寬25cm、設計耕深20cm、適應耕深16～22cm。被測犁體如圖1所示。

1.2 測量過程及結果

為提高掃描精度和拼接效率，采用標記點法［19］對每次掃描的數據進行拼接。在犁體表面適當位置貼好標記點，將其置于光線良好處開始掃描，掃描過程如圖1（b）所示。軟件可顯示每次掃描的數據形態并自動拼接，調整掃描儀的角度以完成所有主要特征面數據的獲取，直至最后拼接完成并封裝數據，封裝時軟件可自動去除標記點，封裝完成得到鏵式犁點云數據見圖1（c）。

2 點云數據處理

在使用三維激光掃描儀獲取鏵式犁點云數據的過程中，由于掃描儀本身、操作人員的人為因素和環境條件因素等造成的影響，采集的點云數據模型無法避免存在一些噪聲點［20］。同時，掃描數據拼接時的重合部分亦使得數據量增大導致處理效率變低。因此，需要對該鏵式犁的點云數據進行處理，運用的軟件為Geomagic Wrap。點云數據處理步驟為采樣、修補、封裝。

2.1 統一采樣

導入點云數據時，為避免失真，采樣比率選100%，并選擇保持全部數據進行抽點。為減少數據量，在統一采樣中選擇絕對間距為0.1mm。統一采樣時，勾選保持邊界選項，即保證邊界部分包括棱角部分的點云數據不會細化，只減少曲率變化低的部分，以保證在簡化過程中犁體邊界清晰，不會因點云數據的簡化而失真。

2.2 修補

選擇非連接項，即選擇和犁體整體數據相離較遠的數據，設置選擇參數為最低分隔，尺寸為5，選擇后刪除。選擇體外孤點項就是選擇離犁體主體數據非常近的孤點，即肉眼難以辨別的、介于主體和非連接項之間的孤點，設置敏感度參數為85，選擇后刪除。體外孤點刪除后，主體形狀基本顯現。

噪聲數據點會嚴重影響重構模型的精度。如果噪聲數據點過多，易導致偏差過大，重構三維模型不符合產品實際，甚至無法重構模型［21］。對犁體主體點云數據做進一步的優化。減少噪聲可將點移至統計的正確位置，以彌補掃描儀掃描的誤差，使得點的排列會更平滑。參數選擇棱柱形，迭代次數選擇兩次，并限制偏差為0.05mm。

2.3 封裝

將點云數據轉化為網格，使點對象轉化為三角面片對象。設置封裝參數時不選擇刪除小組件，以保持犁體形狀。選擇優化稀疏數據，優化均勻間隙，邊緣孔最大數目設置為5。封裝完畢后運行網格醫生消除非流形邊、自相交、釘狀物等問題即形成最優化的犁體面片數據，如圖2所示。

3 基于逆向工程的三維模型建立

根據TRIZ理論得到的就地翻土犁犁體曲面設計方案［22］，將經Geomagic Wrap處理后的犁體面片數據導入逆向設計軟件Geomagic Design X中進行設計，就地翻土犁犁體曲面設計主要有如下步驟：犁體面片數據預處理、構造對稱變異的犁壁、設計過渡面、完善犁體曲面。

3.1 犁體面片數據預處理

預處理過程主要是為了將鏵式犁面片數據對齊，即建立坐標系。首先用領域組自動分割功能根據犁體面片數據的曲率和特征，自動將犁體面片數據歸類為不同的幾何領域，敏感度參數選擇65。然后利用對齊向導，根據不同領域組的特征可將面片數據與世界坐標系對齊，在對齊向導中軟件自動給出多種對齊方式。最終選擇以犁尖位置為圓心、z軸豎直向上，犁體前進方向為y軸正方向的坐標系形式。對齊后的犁體面片數據如圖3所示。

3.2 構造對稱變異的犁壁

建立一個在平行于yOz面的對稱面。隨后在多邊形編輯模式下，框選犁壁和犁鏵部分所有的數據新建一個名為“對稱犁壁”面片數據。鏡像該對稱犁壁面片數據，并刪除原始犁壁的面片數據位置參數，即選擇新建的對稱面。在手動對齊功能中選擇對稱犁壁為實體，通過選擇點位置和調整坐標系可以移動對稱的犁壁，以將其移動至相對于犁鏵合適的位置。對稱變異的犁壁如圖4所示。

3.3 設計過渡面

就地翻土犁犁體曲面成型過程如圖5所示。由圖5（a）可以看出，ABCD為土垡橫截面上四個頂點，通過土垡的底邊AB線的運動規律可得到犁體曲面的大致形狀。在Geomagic Design X中從犁鏵末端位置至犁壁新建5個等間距且平行于xOz面的平面，根據土垡運動規律用草圖工具以線框形式在各個平面上畫出土垡在該位置的姿態。選取各個位置土垡的底邊，利用3D草圖工具畫輔助線使其形成封閉的矩形，利用面填補功能填補各面并縫合，即完成過渡面的設計，過渡面如圖5（b）所示。

3.4 完善犁體曲面

在領域組編輯功能下，選擇能體現特征的領域用合并功能，使得對稱犁壁內表面成為單個領域組。利用面片擬合工具以該領域組為要素擬合成為對稱犁壁曲面，以同樣的方式亦可得到犁鏵的曲面。

將過渡面、對稱犁壁曲面和犁鏵曲面通過剪切功能合成一個曲面，稱為主犁體曲面。如圖5（c）所示，由于土垡底邊軌跡線是非連續的，導致曲面是不平滑非連續的，在Geomagic Design X中Accuracy Analyzer模塊的環境顯像下可以看出過渡面為非光滑曲面。將其變換為面片數據利用平滑功能使其表面以及邊界使其平滑、連續。利用領域組面片擬合功能再將平滑后的面片擬合為曲面，此時主犁體曲面為平滑過渡的表面。為保證土垡能夠沿主犁體曲面平滑過渡，設計輔助面切土板面和排土板面以約束土垡運動。將輔助面與主犁體曲面合成并做平滑處理，最終完整的犁體曲面如圖5（d）所示。

3.5 建立犁體其他工作部件

利用賦厚功能將犁體曲面賦厚即形成就地翻土犁主要工作部件，包括犁鏵、主作用板、切土板和排土板四部分。就地翻土犁犁體的其他工作部件包括犁托、犁柱、犁側板。犁托具有和主作用板以及排土板吻合的表面，其作用為連接、支撐犁壁傳遞拉力。由于就地翻土犁增加了輔助面且主犁體曲面變長，因此犁托被設計為前后兩部分來支撐犁體。犁柱主要作用是連接犁體和犁架，傳遞拉力。由于犁體中排土板增加、犁體總體加長，犁柱應適當靠后設計。鏵式犁犁側板作用為平衡土壤對犁體曲面的側壓力，但由于就地翻土犁消除了土垡側移特性，犁側板承受側壓較之傳統鏵式犁變小，因此就地翻土犁犁側板主要作用為傳遞拉力以及連接犁柱和犁托。同時由于犁柱位置靠后，犁側板也相應加長。就地翻土犁主犁體三維模型如圖6所示。

4 3D打印樣件并試驗

為了通過實踐檢驗建立的就地翻土犁三維模型能否實現土垡的原溝翻轉，需加工樣件。鑒于3D打印設備的尺寸限制，現將模型以10∶1的比例縮放，并做進一步處理。處理過程主要包括：模型的改進和簡化、拆分模型、打印前處理，如圖7所示。

4.1 模型簡化和改進

除犁體曲面外的其他工作部件如犁柱、犁托等，不會影響研究犁體曲面對土垡的作用，故可不用按照設計的形狀來打印，將其簡化為一個能夠貼合于犁體曲面的簡易部件，僅需要能夠傳遞動力即可。為了提高試驗時的易操作性，將主犁體曲面鏡像處理，形成雙鏵配置，該雙鏵配置的樣品最終的實驗效果亦可驗證單個犁體的土垡原溝翻轉特性。簡化改進后的模型如圖7（a）所示。

4.2 拆分模型

根據經驗以及3D打印工藝要求，如圖7（a）所示的模型不便直接打印，故將其拆分成兩部分，包括犁體部分和驅動連接件。將這兩部分導出為獨立的文件。打印后將兩部分用強力膠連接起來。

4.3 打印前處理

將兩個模型分別另存為.stl格式，導入到Simplify3D中進行打印前處理。對于驅動連接件，其主要的打印參數為：層厚為0.2mm、壁厚設置為2層、填充為45°交叉柵格、填充率為30%、打印速度采用默認打印速度。對于犁體部分，其主要的打印參數為：層厚為0.1mm、壁厚設置為1層、填充為45°交叉柵格、填充率為80%、打印速度采用默認打印速度。參數設置好后進行打印預覽，如圖7（b）和圖7（c）所示。

打印預覽確定無誤后導出.gcode文件到3D打印設備。本文的3D打印設備JennyPrinter，其打印范圍為180mm×180mm×300mm。兩部分分別打印結束后將其用強力膠粘起來，最終得到的3D打印樣件如圖8所示。

4.4 試驗條件與結果

在鋁板制作的土槽進行試驗，長度為1000mm，寬為80mm，深度約為30mm。試驗土壤為淄博普通褐土，其密度約為1360kg/m3，含水率約為18%。將3D打印的就地翻土犁樣件放置在土槽中，施加一定的驅動力使其勻速向前，該試驗僅測定翻土效果，因此速度可粗略維持在40mm/s。

試驗結果表明：被模型耕過的土垡基本完成翻轉，但受單個土垡質量較小，模型材料等問題，試驗過程中土垡在就地翻土犁模型表面上發生粘連現象，導致土垡在犁體表面上發生一定的堵塞，隨著犁體的行進，土垡提前呈破碎狀態。這種現象使得翻垡效果不易觀測，但從未破碎的較為完整的土垡塊的最終形態來看，大部分土垡表面已翻轉覆蓋到底層，且原溝落土率為90.3%，因此可證明本文利用逆向工程建立的就地翻土犁三維模型能夠實現土垡的原溝翻轉。試驗結果如圖9所示，其土垡已經較為理想地被翻轉過來，并且基本在原地。

5 結論

1） 針對目前設施農業深翻的需求以及傳統鏵式犁不適應設施大棚作業的情況，以實現設施農業機械化深翻、土垡無側移為目標，以鏵式犁為原型，基于逆向工程技術創新設計了就地翻土犁，豐富了設施農業耕作機械的設計方案。

2） 采用光學三維掃描儀獲得鏵式犁的點云數據，在Geomagic Wrap中進行點云處理得到優化的犁體面片數據，根據土垡運動規律，運用Geomagic Design X對鏵式犁犁體進行逆向設計，得到平滑的就地翻土犁犁體曲面，設計就地翻土犁犁托、犁柱和犁側板等工作部件，完成就地翻土犁的三維建模，所建三維模型為后續就地翻土犁進一步研究和優化提供參考。

3） 利用3D打印技術打印就地翻土犁縮放模型的樣件并建立合適的土槽，用該樣件在土槽中進行耕翻試驗，試驗結果表明，大部分土垡完成原溝翻轉，原溝落土率為90.3%，進而證明該模型設計方案的可行性。

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