基于3D 打印的仿生深松鏟尖設(shè)計(jì)

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)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(shù)呈現(xiàn)出快速上升的趨勢，尤其是美國的3D 打印技術(shù)的發(fā)展最為顯著。已經(jīng)可以預(yù)見到3D 打印技術(shù)將會(huì)對全球制造體系產(chǎn)生極其深刻的影響。

國內(nèi)3D 打印產(chǎn)業(yè)化程度不高，產(chǎn)業(yè)整合度較低，產(chǎn)業(yè)鏈尚不完整。國內(nèi)的3D 打印技術(shù)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(shè)計(jì)過程

如今逆向工程已經(jīng)廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品創(chuàng)新研發(fā)、質(zhì)量檢測和分析、產(chǎn)品仿制等領(lǐng)域，與正向工程設(shè)計(jì)技術(shù)相比，逆向工程能夠減少產(chǎn)品的研發(fā)成本，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)周期，降低產(chǎn)品的研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，加速產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)，并提升產(chǎn)品質(zhì)量。

應(yīng)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(shè)計(jì)

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集及預(yù)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(jìn)行掃描獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將其存儲(chǔ)為ASC 格式。為了保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整性并盡可能減少點(diǎn)云數(shù)量，將獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到CATIA V5，在DSE 模塊中，通過稀釋、降噪處理后得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)見圖2.1。

圖2 處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

通過上述一系列操作，得到完整且輕量化的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。將處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出并保存為Iges 格式，以便進(jìn)行后續(xù)的曲面重構(gòu)。

2.2 曲線的創(chuàng)建

創(chuàng)建曲線是重構(gòu)曲面的基礎(chǔ)，曲線的質(zhì)量會(huì)直接影響到重構(gòu)曲面的質(zhì)量[10]，由于曲面的修改和調(diào)整要比曲線更復(fù)雜，所以要盡可能創(chuàng)建出高質(zhì)量的曲線，以便于后續(xù)的曲面重構(gòu)。

（1）提取特征線

使用平面截面線、3D 曲線及網(wǎng)格面邊線等[11]方法于逆向構(gòu)造曲線。由于該構(gòu)件具有對稱性，所以僅對其半個(gè)曲面的特征線進(jìn)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(jìn)行光順性處理，對于不光整的曲線需進(jìn)行光順，可以通過找出多余的壞點(diǎn)并去除對曲線進(jìn)行光順。光順曲線時(shí)需使曲線端點(diǎn)連續(xù)，以確保后續(xù)曲面的光順連接。

圖4 曲線光順性檢查

2.3 曲面的重構(gòu)

在逆向工程中，曲面重構(gòu)是重要環(huán)節(jié)，目的是能構(gòu)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(chuàng)建

使用特征線構(gòu)建曲面的方法較為方便快速且可以保證質(zhì)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(gòu)曲面。對于創(chuàng)建A 級(jí)曲面，通過特征線創(chuàng)建的曲面比通過QSR 模塊中的Power Fit（最佳曲面擬合）命令創(chuàng)建的曲面精度要高[12]。對于曲率變化較大、形狀比較復(fù)雜的曲面，可以使用QSR 模塊中的平面形式切面、曲線網(wǎng)格和曲面網(wǎng)格等命令結(jié)合特征線來創(chuàng)建。對于相鄰曲面，要進(jìn)行連接性檢查，以便進(jìn)行后續(xù)的曲面光順性分析。

（2）曲面的分析

曲面創(chuàng)建完成后，還需要對曲面進(jìn)行連接性和光順性檢查分析。在精度方面，使用控制點(diǎn)調(diào)面法對U、V 方向的控制點(diǎn)、權(quán)因子、節(jié)點(diǎn)矢量等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以滿足曲面擬合精度。在連接性方面，進(jìn)入FreeStyle 模塊，點(diǎn)擊倒角命令，通過對相鄰曲面取倒角使其達(dá)到G2 連續(xù)。

然后使用Porcupine Curve Analysis（曲率分析）命令對得到的連續(xù)曲面進(jìn)行曲率分析，分析得到曲面光滑且走勢平緩，滿足A級(jí)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(dá)到最終的曲面效果（見圖5）。

圖5 最終重構(gòu)曲面

2.4 填充實(shí)體

由于通過逆向設(shè)計(jì)得到的只是一個(gè)外殼曲面，而最終加工時(shí)構(gòu)件應(yīng)為實(shí)體，所以需要對逆向后的曲面空殼進(jìn)行填充，使其變?yōu)閷?shí)體，以進(jìn)行后續(xù)設(shè)計(jì)。在CATIA 創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)模塊使用接合命令將所有曲面接合成一個(gè)完整的外曲面。然后進(jìn)入零部件設(shè)計(jì)模塊，點(diǎn)擊封閉曲面命令，選擇剛才的結(jié)合為操作對象，點(diǎn)擊確定，即可生成封閉曲面，該封閉曲面為實(shí)體（見圖6）。

圖6 實(shí)體填充結(jié)果

3 3D 打印

鏟尖逆向完成之后，為了與已經(jīng)完成建模的鏟柄相裝配，需要對鏟尖進(jìn)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(jìn)入CATIA零部件設(shè)計(jì)模塊，先對填充后的實(shí)體進(jìn)行縮放，使實(shí)際鏟外形尺寸符合鏟尖模型。經(jīng)過修正的鏟尖利用3D 打印機(jī)進(jìn)行打印，打印效果如圖7。

圖7 3D 打印件

4 結(jié)論

通過對雞爪子掃描逆向仿生設(shè)計(jì)，獲得雞爪子表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過對點(diǎn)云的處理，獲得曲面上的光滑特征曲線，進(jìn)一步進(jìn)行曲面重構(gòu)。經(jīng)重構(gòu)后的模型進(jìn)行修正獲得與實(shí)際鏟大小的仿生鏟，同時(shí)通過3D 打印將模型進(jìn)行打印。使用打印的模型進(jìn)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。