蔣三生 郭輝 劉英超 戴華兵

摘要：針對(duì)TMR飼料攪拌機(jī)梅花刀刀刃曲線復(fù)雜，不易找出曲線方程進(jìn)行正向設(shè)計(jì)的問(wèn)題，利用逆向工程技術(shù)得到梅花刀的三維模型。利用非接觸式激光掃描儀對(duì)梅花刀片表面進(jìn)行三維掃描，并獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，研究曝光率對(duì)掃描結(jié)果的影響；利用Geomagic Studio軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理；利用Geomagic Design軟件對(duì)刀片曲面進(jìn)行重構(gòu)；利用Geomagic Control將重建后的三維幾何模型與原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差對(duì)比分析，完成逆向工程技術(shù)在梅花刀片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用初步研究。

關(guān)鍵詞：逆向工程；飼料攪拌機(jī)；梅花刀；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；三維造型設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2016）04-0020-04

逆向工程技術(shù)又稱為求反技術(shù)，是一種基于產(chǎn)品原型進(jìn)行逆向分析與研究，并以此為依據(jù)對(duì)現(xiàn)有的產(chǎn)品進(jìn)行改良和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的技術(shù)。逆向工程技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用較為普遍，在工業(yè)領(lǐng)域中的涉及最為廣泛，包括航空、航天、汽車、電子通訊產(chǎn)品、珠寶、醫(yī)療器械等行業(yè)；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，逆向工程技術(shù)也逐漸得到應(yīng)用和開發(fā)，如導(dǎo)種管、草捆打結(jié)器、羊毛剪刀擺桿模具、金屬刀盤等[1-7]。

TMR（Total mixed ration，全混合日糧）飼料攪拌機(jī)是應(yīng)用廣泛的新一代牛場(chǎng)飼養(yǎng)設(shè)備，其能將各種干草、農(nóng)作物秸稈、青貯飼料等纖維飼料和各種微量元素等添加劑，按奶牛不同飼料階段的營(yíng)養(yǎng)需要進(jìn)行混合飼喂。梅花型刀片是TMR臥式攪拌機(jī)上使用的一種切割刀具，其結(jié)構(gòu)及形狀不僅影響到飼料切割的工作效率，還影響其使用壽命。目前，從國(guó)外引進(jìn)的梅花刀比國(guó)內(nèi)品牌普遍使用壽命較長(zhǎng)，分析其原因，除了刀具材料因素及熱處理技術(shù)外，刀片本身的刀刃傾斜角和外形結(jié)構(gòu)也是重要影響因素。而梅花刀的刀刃曲線方程比較復(fù)雜，利用逆向工程技術(shù)對(duì)進(jìn)口梅花刀片進(jìn)行非標(biāo)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，有利于縮短研發(fā)周期、降低成本，對(duì)進(jìn)一步提高刀片的使用壽命及改進(jìn)其生產(chǎn)技術(shù)等具有重要意義。

1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取及處理

1.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取及研究

本試驗(yàn)采用北京三維天下科技有限公司研制的Win3DD-M三維光學(xué)掃描儀來(lái)獲取梅花刀表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，該儀器的相關(guān)參數(shù)見表1。梅花刀為灰暗無(wú)光澤金屬材料（如圖1所示），直接掃描很難完整獲取刀片表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要在掃描前對(duì)刀片表面進(jìn)行噴粉處理。由于掃描儀按一定角度難以一次性完成整個(gè)刀片表面的掃描，可旋轉(zhuǎn)角度分3次獲取刀片正表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，3次掃描的數(shù)據(jù)結(jié)果可借助于在刀片表面上粘貼的標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)拼接處理，最后得到梅花刀正表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。刀片的背面為平整面，不再單獨(dú)掃描，可根據(jù)刀片厚度直接建模處理。

在掃描過(guò)程中，獲取高質(zhì)量的梅花刀表面點(diǎn)云是逆向建模處理的關(guān)鍵技術(shù)。在同一臺(tái)掃描儀器和同一個(gè)掃描環(huán)境下，相機(jī)的曝光率設(shè)置，對(duì)點(diǎn)云的獲取質(zhì)量將產(chǎn)生決定性影響。統(tǒng)計(jì)同一臺(tái)掃描儀對(duì)同一位置和角度的梅花刀進(jìn)行掃描時(shí)，曝光率值對(duì)獲取點(diǎn)云數(shù)量的影響，結(jié)果見表2。

由表2可知，掃描時(shí)的曝光率設(shè)置值越高，點(diǎn)云獲取數(shù)量越多，點(diǎn)云分布形態(tài)越完整。曝光率設(shè)置在300以上時(shí)，點(diǎn)云獲取數(shù)量基本呈現(xiàn)完整狀態(tài)；若曝光率值設(shè)置過(guò)高，則獲取的噪音點(diǎn)數(shù)也會(huì)相應(yīng)增加。建議掃描時(shí)讓相機(jī)的光柵投射處于亞光狀態(tài)，即曝光率值在300～500之間）。圖2是曝光率在333數(shù)值時(shí)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖。

1.2 點(diǎn)云優(yōu)化處理

獲取了梅花刀表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，需借助Geomagic Studio軟件對(duì)這些點(diǎn)云進(jìn)行優(yōu)化處理，其結(jié)果將直接影響到后期的模型重構(gòu)質(zhì)量。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的優(yōu)化處理內(nèi)容包括兩個(gè)階段：一是刪除無(wú)關(guān)掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)、減少噪音點(diǎn)等點(diǎn)云處理階段；二是封裝后對(duì)三角形面片進(jìn)行簡(jiǎn)化（本試驗(yàn)將封裝后的26萬(wàn)多個(gè)三角形面片簡(jiǎn)化到13萬(wàn)個(gè)左右）、刪除釘狀物、孔填充、去除特征等面片處理階段。優(yōu)化處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3所示，曲面封裝及處理后的面片結(jié)果如圖4所示。

2 逆向建模

在Geomagic Design軟件操作環(huán)境下，導(dǎo)入Geomagic Studio處理后得到的梅花刀面片模型文件（*.stl格式），然后進(jìn)行逆向建模。

2.1 對(duì)齊坐標(biāo)系

逆向建模前，首先需要進(jìn)行手動(dòng)對(duì)齊坐標(biāo)系操作。利用領(lǐng)域組功能，分別組建刀片上表面，中心螺釘孔側(cè)面的點(diǎn)云領(lǐng)域，拾取兩個(gè)規(guī)則幾何曲面，以刀片上表面、中心螺釘孔軸線作為坐標(biāo)系對(duì)齊的兩個(gè)要素，將梅花刀的面片模型在坐標(biāo)系平面內(nèi)進(jìn)行對(duì)正，結(jié)果如圖5所示。

2.2 建模思路

梅花刀片的外形結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，上、下兩個(gè)表面屬于平面，刀刃周邊屬于多變復(fù)雜圓弧曲面，正向設(shè)計(jì)計(jì)算相對(duì)困難，這里利用逆向處理得到的梅花刀面片模型，截取刀片上、下兩個(gè)表面周邊的圓弧閉合曲線，對(duì)兩根閉合曲線進(jìn)行曲面放樣處理，得到刀刃的周邊復(fù)雜曲面，再進(jìn)行適當(dāng)?shù)募羟泻头忾]處理等，完成梅花刀的最終三維造型設(shè)計(jì)。

2.3 建模過(guò)程

1） 在刀片上、下兩個(gè)表面附近分別建立參考面Ⅰ和參考面Ⅱ，參考面Ⅰ距離上表面0.5 mm，參考面Ⅱ與參考面Ⅰ相距4.5 mm。2） 在參考面Ⅰ和Ⅱ中，利用面片草圖功能，借助自動(dòng)擬合的梅花刀周邊刀刃圓弧曲線，進(jìn)行逆向草圖設(shè)計(jì)，重構(gòu)所有的圓弧曲線，并對(duì)相鄰曲線之間做倒圓角處理，并使重構(gòu)的圓弧曲線盡量與原曲線重合，最終得到兩條閉合圓弧曲線，如圖6所示。3） 利用曲面放樣功能，拾取步驟（2）中重構(gòu)的兩根閉合圓弧曲線，得到梅花刀的刀刃周邊復(fù)雜曲面，并將曲面朝上方向延長(zhǎng)1.5 mm，朝下方向延長(zhǎng)5.0 mm。4） 在梅花刀上表面重新構(gòu)造一個(gè)新的平面，并利用曲面偏移功能，將該平面往下偏移6.0 mm（刀片實(shí)際厚度值），如圖7所示。5） 利用曲面剪切功能，將梅花刀上、下表面與刀刃周邊曲面進(jìn)行互剪，得到梅花刀的封閉實(shí)體模型。6） 利用面片草圖功能，根據(jù)自動(dòng)擬合的中心螺釘孔輪廓曲線，重構(gòu)二維草圖，利用拉伸功能得到一個(gè)曲面，以該曲面作為剪切工具，對(duì)梅花刀的實(shí)體模型進(jìn)行修剪，并對(duì)中心螺釘孔的銳邊進(jìn)行倒圓角處理，完成梅花刀的最終三維造型設(shè)計(jì)，如圖8所示。倒圓角作為一種基本的曲面間處理方式，不僅避免了應(yīng)力集中，提高了強(qiáng)度，還直接增加了產(chǎn)品的美觀程度[8]。