基于逆向工程的無人機建模及3D 打印技術(shù)的應(yīng)用研究

張超

（遼寧機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 丹東 118009）

基于逆向設(shè)計的無人機葉片制造大體包含兩個步驟，其一是葉片的逆向建模，主要是利用三維掃描儀采集葉片數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)預(yù)處理的基礎(chǔ)上通過逆向設(shè)計優(yōu)化得到新模型；其二是葉片的3D 打印，具體又可分為熔融沉積成型技術(shù)（FDM）、立體光固化成型技術(shù)（SLA）和選擇性激光燒結(jié)（SLS）等類型。本文選擇FDM 打印技術(shù)，并簡要概述了無人機葉片F(xiàn)DM打印過程，并且對打印時常見的不出料、測溫異常等問題提出了針對性的處理建議，為應(yīng)用3D 打印技術(shù)高精度、高效率地制造出無人機葉片提供了一定的幫助。

1 基于逆向工程的無人機建模

1.1 數(shù)據(jù)的采集

采集測量對象的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是逆向建模的第一步，而所得數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性則直接影響著逆向工程的成敗。傳統(tǒng)的接觸測量是利用傳感器探頭接觸被測物體，獲取其形狀信息。但是接觸摩擦容易劃傷被測物體，并且不適合有自由曲面或空腔結(jié)構(gòu)的零件?；谑殖质饺S掃描儀的非接觸式測量則能有效解決上述問題，并且效率和精度都得到了大幅度提高。本文中使用HSCAN手持三維激光掃描儀對無人機葉片的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行采集。分別在葉片的上下表面貼上不規(guī)則的標(biāo)記點，以便于得到上下表面的點云。開始掃描后，設(shè)備自動進行目標(biāo)點的定位，獲取數(shù)據(jù)后采用雙圖像合成技術(shù)保證掃描模型的精度。所得三維數(shù)據(jù)自動生成STL 三角網(wǎng)格面，并將該數(shù)據(jù)導(dǎo)入Imageware 軟件中進行處理。

1.2 數(shù)據(jù)的處理

通過數(shù)據(jù)處理可以對無人機葉片模型進行優(yōu)化，這也是提高葉片制造精度的關(guān)鍵步驟。本文使用Imageware逆向軟件進行數(shù)據(jù)處理和葉片模型的重建。在數(shù)據(jù)采集過程中，由于設(shè)備晃動等原因可能會導(dǎo)致點云數(shù)據(jù)中存在一些脫離曲面的離散點。因此數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)需要剔除異常點，保證最終生成的葉片模型具有足夠高的精度。選擇不同測量方式獲得的點云數(shù)據(jù)，對于異常點數(shù)據(jù)的處理方式也存在差異。常見點云數(shù)據(jù)的特征及獲取方式如表1 所示。

表1 不同點云的特征及獲取方式

這里以網(wǎng)格化點云為例，由于分散的點云之間沒有明顯的拓撲關(guān)系，因此可以使用Imageware 軟件提供的直接檢查和放大功能，將明顯的多余點和噪音點刪除。對于那些不太明顯的異常點，則可以選擇體外孤點功能進行刪除。通過對比異常點處理前后無人機葉片模型的變化，在確認異常點消失后保存當(dāng)前的葉片點云數(shù)據(jù)。

1.3 無人機葉片模型的構(gòu)建

構(gòu)建葉片模型是進行3D 打印的前提?；贗mageware 軟件給出的測量數(shù)據(jù)可知，無人機葉片直徑為200mm，總高度為46.2mm，總寬度為18.8mm。模型主要分為兩部分，即葉片端蓋和葉片曲面。葉片模型的端蓋部分可通過公差曲線擬合的方式生成。在Imageware 軟件的菜單欄中，選擇“曲線”-“投影曲線”后，將葉片與端蓋的相交線投影到外圓面上。將該曲線沿著Z 軸旋轉(zhuǎn)360°后，就可得到端蓋模型。葉片模型的曲面部分必須要保證曲率的平滑過渡，因此要在曲面上盡可能選擇更多的控制點。具體又可分為三個步驟：

第一是截取剖面點云。將前期采集到的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到軟件中，并建立新的坐標(biāo)系。創(chuàng)建5 個間隔為10mm的基準(zhǔn)平面，并在左右側(cè)各拾取大量的點，同樣執(zhí)行投影命令，把這些點全部投影到平面上。通常來說，同一截面上點云數(shù)據(jù)越多，則點云與生成放樣曲面的擬合性越好，即平面曲線越光滑。第二是根據(jù)點云構(gòu)造閉合曲線。依次選擇“曲線”-“藝術(shù)樣條”-“通過極點”選項，可以得到多條從截面點云中分離出來的閉合曲線。再執(zhí)行“曲面”-“網(wǎng)格曲面”命令，利用閉合曲線構(gòu)建得到葉片曲面。第三是基于生成的葉片曲面，開展誤差分析和光順性檢查。依次執(zhí)行“分析”-“面形狀”-“反射”命令，選擇黑白線后通過斑馬紋形狀分析，可以得到葉片曲面的光順性、曲率等參數(shù)。根據(jù)分析結(jié)果對曲面作出微調(diào)，直到葉片曲面的精度符合預(yù)期。

2 無人機葉片的3D 打印技術(shù)

在3D 打印中，熔融沉積成型（FDM）和立體光固化成型（SLA）是兩種常用的打印技術(shù)。前者材料更換方便、后處理簡單、使用成本低，并且產(chǎn)品的強度、硬度遠遠超出普通注塑件；后者加工速度快、尺寸精度高，但是成本造價高，并且所用的光敏樹脂材料有一定毒性。本文需要打印的無人機葉片結(jié)構(gòu)比較簡單并且對強度要求嚴(yán)格，因此綜合對比來看選擇FMD 打印技術(shù)。在FDM打印中，所用設(shè)備為HORIE350 打印機，所用材料為PLA 熱塑性材料，F(xiàn)DM層高精度0.05-0.4mm，在耗材用完后機器自動暫停，等添加材料后按照打印進度繼續(xù)打印。

2.1 導(dǎo)入模型

將得到的葉片逆向模型進行格式轉(zhuǎn)換，得到y(tǒng)epian.stl 格式文件，然后導(dǎo)入到HORI 3D 打印軟件系統(tǒng)中。在菜單欄中選擇打印機后，在模型導(dǎo)入界面展示待加工的無人機葉片三維模型，如圖1 所示。

圖1 模型導(dǎo)入界面

2.2 設(shè)定坐標(biāo)系

將葉片模型移動至中間平面，并旋轉(zhuǎn)使其呈水平狀態(tài)。然后從菜單欄中選擇“設(shè)置”-“打印坐標(biāo)”，在彈出的對話框中設(shè)定打印坐標(biāo)系。將葉片的最底端設(shè)置為Z0，點擊確定。設(shè)置完畢后葉片狀態(tài)如圖2 所示。

圖2 葉片坐標(biāo)系設(shè)定界面

2.3 切片參數(shù)設(shè)置

從菜單欄中選擇“設(shè)置”-“切片設(shè)置”，設(shè)置切片的基本參數(shù)。在打印材料一項中，默認材料為PLA（聚乳酸），將材料密度設(shè)定為3.0g/m3，在底墊一項中選擇無底墊，在支撐模式中選擇底層支撐，在支撐類型中選擇線支撐，內(nèi)部填充圖案選擇網(wǎng)格，打印速度設(shè)定為35mm/s。完成上述基礎(chǔ)參數(shù)的設(shè)置后，點擊保存設(shè)置，然后打開“高級設(shè)置”，在彈出的對話框中設(shè)置打印頭的工作溫度為200℃，打印板的工作溫度為50℃。切片參數(shù)設(shè)置界面如圖3 所示。

圖3 切片參數(shù)設(shè)置界面

2.4 分層切片

完成切片參數(shù)設(shè)置后，開始對無人機葉片進行分層切片。此時打印軟件會根據(jù)之前設(shè)置好的參數(shù)，自動計算出本次葉片打印所需的時間、所用材料的數(shù)量，備好料后開始分層打印。每完成一層的打印，軟件自動保存該層數(shù)據(jù)并生成一個獨立的文件夾，并根據(jù)層數(shù)進行命名。在葉片打印結(jié)束后，工作人員可通過菜單欄的“文件”選項中，選擇各層文件夾進行查看，確認每一層的切片情況是否完好。分層切片情況如圖4 所示。

圖4 切片演示界面

2.5 打印準(zhǔn)備

把前期設(shè)置好的各項參數(shù)導(dǎo)入到新的SD 卡中，再將SD 卡插入打印機，將卡內(nèi)文件轉(zhuǎn)換成打印機可識別的.gcode 格式后準(zhǔn)備打印。調(diào)整打印機的平臺，使其呈水平狀態(tài)。然后移動噴嘴，使平臺與噴嘴之間的距離合適。將準(zhǔn)備好的PLA 材料通過擠出機壓入到打印頭中。啟動設(shè)備觀察噴嘴能否正常噴出材料，確定工況正常后在打印平臺表面涂刷一層3D 打印專用膠水，防止PLA 材料與打印機平臺脫離。

2.6 上料打印

完成上述準(zhǔn)備事項后，從打印機的人機交互界面上點擊“一鍵進料”按鈕，此時噴嘴溫度會從常溫逐步加熱升高至設(shè)定好的200℃，升溫?zé)岽驳臏囟纫矔饾u升高至設(shè)定好的50℃，溫度達標(biāo)后開始上料，上料界面如圖5所示。

圖5 上料界面

在上料打印過程中，可以在打印機的顯示界面上隨時觀察狀態(tài)參數(shù)，包括噴嘴溫度、熱床溫度、打印進度等。如果發(fā)現(xiàn)溫度異?；蛘叽蛴″e位等情況，要立即暫停打印，查明問題原因并進行處理后再繼續(xù)打印。

2.7 無人機葉片的后處理

在按照設(shè)定程序和依據(jù)葉片模型完成打印后，還要進行簡單的后處理操作。在FDM打印機工作完畢后，將無人機葉片移出。此時葉片的下方還連接著支撐材料，表面也殘留一些廢料。在后處理中，工作人員需要通過剝離、拋光、表面強化等操作，將葉片表面清理干凈。

3 無人機葉片3D 打印常見故障與處理

3.1 打印過程不出料的處理

在本次3D 打印無人機葉片時出現(xiàn)了一次打印不出料的故障。對該故障進行了逐步分析：首先是檢查材料加熱溫度是否正常。根據(jù)設(shè)置參數(shù)，觀察打印頭、打印板的工作溫度變化曲線，發(fā)現(xiàn)均維持在正常區(qū)間內(nèi)，未出現(xiàn)溫度異常升高的情況。其次是檢查耗材，本次打印中設(shè)計使用耗材19.8g，加入PLA 材料25g，打印結(jié)束后檢查發(fā)現(xiàn)材料盒中仍然有少量剩余，故排除是材料耗盡導(dǎo)致打印過程不出料。最后檢查發(fā)現(xiàn)在打印頭齒輪處有少量斷掉的耗材，導(dǎo)致進料通道被堵塞，新的材料無法通過喉管出融化擠出。

解決方法如下：首先使用螺絲刀將前風(fēng)扇蓋板的4個內(nèi)六角螺絲卸下，可以觀察到斷掉的耗材。但是不能直接取出，防止取出過程中部分耗材掉入更深的喉管處?？焖匐p擊“噴頭溫度+”按鈕，使噴頭溫度穩(wěn)定在200℃左右，等待1 分鐘后，從人機操作界面上勾選“解鎖”選項，目的是讓電機處于解鎖狀態(tài)，方便維修操作。此時再用尖嘴鉗將斷掉的耗材夾住、取出。在清理斷掉的耗材后，重新將前風(fēng)扇安裝固定，再次啟動后發(fā)現(xiàn)可以正常出料。

3.2 測溫異常的處理

本次打印中還出現(xiàn)了一次測溫異常故障。在打印機停止運行的情況下，拆機檢查熱敏電阻有無損壞，發(fā)現(xiàn)熱敏電阻并無異常。然后檢查熱敏電阻底部插頭有無松動情況。發(fā)現(xiàn)3 個獨立插頭中的1 個插頭有松動，重新插拔后啟動打印機，發(fā)現(xiàn)測溫系統(tǒng)恢復(fù)正常。

4 結(jié)論

葉片作為無人機的重要組件，隨著無人機的用途日益廣泛、性能要求升高，對葉片的加工制作精度也提出了更高的要求?；谀嫦蛟O(shè)計技術(shù)構(gòu)建無人機葉片模型，利用Imageware 逆向軟件完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及模型重建，保證了所得葉片三維模型具有較好的平滑性、準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到3D 打印機上，設(shè)定好各項打印參數(shù)后，執(zhí)行打印程序，即可得到最終的無人機葉片。在打印過程中，容易出現(xiàn)打印不出料、不升溫，以及測溫異常、模型錯位等常見問題。工作人員需要密切關(guān)注打印過程，并在打印機報錯后立即采取處理措施，保證最終打印出來的葉片能夠在性能、精度等方面符合預(yù)期。