基于生物獾前肢爪指甲的深松铲尖仿生设计

　　摘要：3D打印技术是如今最具前沿性和发展性的一项新型制造技术，仿生学是一门模拟生物优异性能并应用到人类科技生产的设计科学，逆向工程是目前新兴的一种建模方式，可对复杂曲面进行优化设计。本文通过3D扫描对生物獾前肢爪的指甲进行扫描，获取到点云数据，然后通过CATIA V5对点云数据进行处理，通过曲线重建、曲线光顺、曲面重构等一系列操作逆向重构出光滑连续的曲面，通过修整处理设计出深松铲的铲尖，最终与铲柄装配出一柄完整的深松铲。本文将3D打印、仿生学设计和逆向工程建模结合，从一个创新的角度来设计优化深松铲的性能。

　　关键词：3D打印; 仿生学; 逆向工程; 点云数据; 曲面重构;

　　前言

　　全球3D打印技术呈现出快速上升的趋势，尤其是美国的3D打印技术的发展最为显着。已经可以预见到3D打印技术将会对全球制造体系产生极其深刻的影响。

　　国内3D打印产业化程度不高，产业整合度较低，产业链尚不完整。国内的3D打印技术研究水平与国外相比还存在很大差距，还尚需努力[4]。

　　1 仿生深松铲设计过程

　　如今逆向工程已经广泛应用于产品创新研发、质量检测和分析、产品仿制等领域，与正向工程设计技术相比，逆向工程能够减少产品的研发成本，缩短产品的设计研发周期，降低产品的研发风险，加速产品的造型设计，并提升产品质量。

　　应用逆向工程的基本过程见下图1.1[6]:

　

　　图1 逆向工程流程图   

　　2 模型逆向设计

　　2.1 点云数据采集及预处理

　　本文先使用Ein Scan-Pro多功能手持式3D扫描仪对野生鸡爪子进行扫描获得点云数据，并将其存储为ASC格式。为了保证点云数据的完整性并尽可能减少点云数量，将获取到的点云数据导入到CATIA V5，在DSE模块中，通过稀释、降噪处理后得到的点云数据见图2.1。

　

　　图2 处理后的点云数据  

　　通过上述一系列操作，得到完整且轻量化的点云数据。将处理后的点云数据导出并保存为Iges格式，以便进行后续的曲面重构。

　　2.2 曲线的创建

　　创建曲线是重构曲面的基础，曲线的质量会直接影响到重构曲面的质量[10]，由于曲面的修改和调整要比曲线更复杂，所以要尽可能创建出高质量的曲线，以便于后续的曲面重构。

　　(1）提取特征线

　　使用平面截面线、3D曲线及网格面边线等[11]方法于逆向构造曲线。由于该构件具有对称性，所以仅对其半个曲面的特征线进行提取。

　

　　图3 特征线的提取  

　　(2）曲线光顺处理

　　对于提取好的特征线，需要进行光顺性处理，对于不光整的曲线需进行光顺，可以通过找出多余的坏点并去除对曲线进行光顺。光顺曲线时需使曲线端点连续，以确保后续曲面的光顺连接。

　

　　图4 曲线光顺性检查   

　　2.3 曲面的重构

　　在逆向工程中，曲面重构是重要环节，目的是能构造出能满足精度和光顺性要求并与相邻的曲面光滑衔接的曲面模型。

　　(1）曲面的创建

　　使用特征线构建曲面的方法较为方便快速且可以保证质量，对于较为平缓、曲率变化不大的曲面，可以选择桥接、扫掠、填充、放样等方法重构曲面。对于创建A级曲面，通过特征线创建的曲面比通过QSR模块中的Power Fit（最佳曲面拟合）命令创建的曲面精度要高[12]。对于曲率变化较大、形状比较复杂的曲面，可以使用QSR模块中的平面形式切面、曲线网格和曲面网格等命令结合特征线来创建。对于相邻曲面，要进行连接性检查，以便进行后续的曲面光顺性分析。

　　(2）曲面的分析

　　曲面创建完成后，还需要对曲面进行连接性和光顺性检查分析。在精度方面，使用控制点调面法对U、V方向的控制点、权因子、节点矢量等参数进行调整以满足曲面拟合精度。在连接性方面，进入Free Style模块，点击倒角命令，通过对相邻曲面取倒角使其达到G2连续。

　　然后使用Porcupine Curve Analysis（曲率分析）命令对得到的连续曲面进行曲率分析，分析得到曲面光滑且走势平缓，满足A级曲面的要求。最后通过QSR模块的Symmetry（对称）命令得到另一半曲面，达到最终的曲面效果（见图5）。

　

　　图5 最终重构曲面   

　　2.4 填充实体

　　由于通过逆向设计得到的只是一个外壳曲面，而最终加工时构件应为实体，所以需要对逆向后的曲面空壳进行填充，使其变为实体，以进行后续设计。在CATIA创成式外形设计模块使用接合命令将所有曲面接合成一个完整的外曲面。然后进入零部件设计模块，点击封闭曲面命令，选择刚才的结合为操作对象，点击确定，即可生成封闭曲面，该封闭曲面为实体（见图6）。

　

　　图6 实体填充结果   

　　3 3D打印

　　铲尖逆向完成之后，为了与已经完成建模的铲柄相装配，需要对铲尖进行外形修整，截去多余的部分，将其修整成与铲柄适合的外形，测量出铲柄上与铲尖相接处的平面尺寸，进入CATIA零部件设计模块，先对填充后的实体进行缩放，使实际铲外形尺寸符合铲尖模型。经过修正的铲尖利用3D打印机进行打印，打印效果如图7。

　

　　图7 3D打印件   

　　4 结论

　　通过对鸡爪子扫描逆向仿生设计，获得鸡爪子表面点云数据，通过对点云的处理，获得曲面上的光滑特征曲线，进一步进行曲面重构。经重构后的模型进行修正获得与实际铲大小的仿生铲，同时通过3D打印将模型进行打印。使用打印的模型进行砂型铸造获得仿生深松铲。获得一种对触土部件仿生制造的一种新工艺。

　　参考文献

　　[1] 刘举新.浅谈3D打印技术[J].文艺生活·中旬刊,2017,08(04):67~68.

　　[2]杰里米·里夫金.第三次工业革命[M].北京：中信出版社,2012:20~21.

　　[3]汪子清,郭龙,罗渝,等.彩色3D打印机的研究与探索[J].物联网技术,2017,09(05):78~79.

　　[4]黄烽坚,封小影,黄昊.3D打印技术应用前景展望与分析[J].中国卫生质量管理,2014,12(02):53~55.

　　[5]刘伟军,孙玉文.逆向工程原理、方法及应用[M].北京：机械工业出版社,2008:35~40.

　　[6]冯骥强.逆向工程技术在农业机械设计中的应用[J].农民致富之友,2016,03(06):226~227.

　　[7]于东玖.造型设计初步[M].北京：中国轻工业出版社,2008:35~37.

　　[8]陈李斌.仿生学及其在液体弹性波输送工艺技术研发中心的借鉴[J].石油科技论坛,2004,09(05):31~32.

　　[9]刘福林.仿生学发展过程的分析[J].安徽农业科学,2007,14(15):404~405.

　　[10]谢韶旺,徐岩,任正义. Geomagic Fashion在逆向工程快速曲面造型中的应用[J]. CAD/CAM与制造业信息化,2009,23(01):72~74.

　　[11]陈旭.基于CATIA V5的汽车发动机罩逆向设计及曲面评价[J].重庆理工大学学报（自然科学版）,2012,26(11):10~16.

　　[12]蔡玉俊,张晨.G2连续的A级曲面精确重构及光顺技术研究[J].现代制造工程,2017,11(04):60~66.

　　[13]周伟民,夏张文,王涵,等.仿生增材制造[J].微纳电子技术,2018,15(06):438~449.

　　[14]赵建勋,徐群章,秦龙,等.逆向工程中模型重建技术现状与发展[J].装备制造技术,2011,03(10):123~126.

　　[15]高艳芳,豆贺,佟晗,等.3D打印技术的发展现状及应用前景[J].中国科技信息,2017,08(12):33~34.