楊書搏 劉元義 于圣潔 張悅 王麗娟 宋心宇

摘要：針對當(dāng)前設(shè)施農(nóng)業(yè)耕整作業(yè)大多采用旋耕法無法實(shí)現(xiàn)深翻而能夠深翻的鏵式犁存在土垡側(cè)翻特性使其不適用于設(shè)施大棚的問題，基于逆向工程技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(jìn)行掃描，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并通過逆向設(shè)計(jì)軟件Geomagic Design X構(gòu)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(shù)打印其縮放模型并進(jìn)行土槽試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：應(yīng)用逆向工程技術(shù)設(shè)計(jì)的就地翻土犁，原溝落土率為90.3%，所建三維模型為后續(xù)就地翻土犁進(jìn)一步研究和優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：就地翻土犁；逆向工程；設(shè)施農(nóng)業(yè)；三維模型；3D打印

中圖分類號：S222.19

文獻(xiàn)標(biāo)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(xiàn)有的產(chǎn)品或?qū)嵨锬Ｐ妥鳛檠芯繉ο?，通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備獲取產(chǎn)品或模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，而后進(jìn)行三維模型重建，在此基礎(chǔ)上對已存在的產(chǎn)品進(jìn)行再創(chuàng)造，進(jìn)而研發(fā)制造出更為先進(jìn)的同類產(chǎn)品的一系列技術(shù)和過程的總稱［24］。20世紀(jì)80年代，逆向工程首先在歐美和日本等發(fā)達(dá)地區(qū)被提出并開始發(fā)展。逆向工程的關(guān)鍵是能夠?qū)?shí)物模型的表面完成精準(zhǔn)且迅速的數(shù)字化。逆向工程對產(chǎn)品的創(chuàng)新、快速設(shè)計(jì)制造有重要的實(shí)踐意義，能夠快速地提升產(chǎn)品競爭力［5］。

國內(nèi)外學(xué)者通過對逆向工程技術(shù)和3D打印技術(shù)的應(yīng)用解決了不同領(lǐng)域的各類問題，為本文對于逆向工程的應(yīng)用提供了參考。丁啟朔等［6］利用逆向工程技術(shù)探討攪漿刀的設(shè)計(jì)方法。張秀麗等［7］利用光學(xué)三維掃描儀獲得勺輪式排種器外形點(diǎn)云數(shù)據(jù)，用Geomagic studio進(jìn)行點(diǎn)云處理，并導(dǎo)入U(xiǎn)G中進(jìn)行三維建模，模型與實(shí)物偏差為0.031mm。Ciocanea等［8］應(yīng)用逆向工程獲得了水平軸上的渦輪葉片斷裂的幾何數(shù)據(jù)，并通過逆向建模軟件修復(fù)并重建模型。Anggoro等［9］利用三坐標(biāo)測量機(jī)獲得一種陶瓷平盤的三維數(shù)據(jù)，應(yīng)用CAD-Power Shape基于該數(shù)據(jù)對平盤再設(shè)計(jì)，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(tǒng)，對一件文物進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集，對數(shù)據(jù)采集和處理過程進(jìn)行了說明和比較，最后重建了一個(gè)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(shù)據(jù)提取下頜骨數(shù)據(jù)后建立三維模型，并對下頜骨曲面進(jìn)行優(yōu)化，利用3D打印技術(shù)，對正常的下頜骨以及鈦合金植入物修復(fù)的下頜骨進(jìn)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(jī)均分為對照組和觀察組，觀察組運(yùn)用Mimics三維重建結(jié)合3D打印技術(shù)，結(jié)果表明運(yùn)用Mimics三維重建結(jié)合3D打印技術(shù)能夠縮短患者手術(shù)時(shí)間和骨折愈合時(shí)間。

設(shè)施農(nóng)業(yè)潮濕環(huán)境及長期重茬種植導(dǎo)致細(xì)菌和蟲卵滋生，易引發(fā)大面積的病蟲害現(xiàn)象［13］。種植戶采用了多種解決方案，其中深翻作業(yè)取得了較好的效果。深翻作業(yè)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(shí)度，調(diào)整土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤蓄水量，提高水分利用率及作物產(chǎn)量［1417］。但目前在設(shè)施農(nóng)業(yè)中，耕整作業(yè)大多采用旋耕法無法實(shí)現(xiàn)深翻，而能夠深翻的鏵式犁存在土垡側(cè)翻特性使其不適用于存在立柱的設(shè)施大棚。由于設(shè)施農(nóng)業(yè)對深翻的需求以及鏵式犁在設(shè)施農(nóng)業(yè)中應(yīng)用存在局限，因此本文設(shè)計(jì)了一種能夠深翻且能使土垡無側(cè)移翻轉(zhuǎn)的就地翻土犁。犁體曲面的設(shè)計(jì)是就地翻土犁設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，正向直接設(shè)計(jì)這種犁體曲面時(shí)比較困難，考慮到這種設(shè)計(jì)方案是在傳統(tǒng)鏵式犁上的改進(jìn)，本文采用逆向工程輔助設(shè)計(jì)，采集并處理鏵式犁的三維數(shù)據(jù)，并按照就地翻土犁設(shè)計(jì)方案用逆向設(shè)計(jì)軟件Geomagic Design X設(shè)計(jì)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(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

1.1 測量對象及設(shè)備

基于逆向工程對傳統(tǒng)鏵式犁進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，建立就地翻土犁三維模型，首先需要通過測量設(shè)備獲得鏵式犁的點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)。測量設(shè)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(shù)為：幅寬25cm、設(shè)計(jì)耕深20cm、適應(yīng)耕深16～22cm。被測犁體如圖1所示。

1.2 測量過程及結(jié)果

為提高掃描精度和拼接效率，采用標(biāo)記點(diǎn)法［19］對每次掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。在犁體表面適當(dāng)位置貼好標(biāo)記點(diǎn)，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(shù)據(jù)形態(tài)并自動拼接，調(diào)整掃描儀的角度以完成所有主要特征面數(shù)據(jù)的獲取，直至最后拼接完成并封裝數(shù)據(jù)，封裝時(shí)軟件可自動去除標(biāo)記點(diǎn)，封裝完成得到鏵式犁點(diǎn)云數(shù)據(jù)見圖1（c）。

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

在使用三維激光掃描儀獲取鏵式犁點(diǎn)云數(shù)據(jù)的過程中，由于掃描儀本身、操作人員的人為因素和環(huán)境條件因素等造成的影響，采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型無法避免存在一些噪聲點(diǎn)［20］。同時(shí)，掃描數(shù)據(jù)拼接時(shí)的重合部分亦使得數(shù)據(jù)量增大導(dǎo)致處理效率變低。因此，需要對該鏵式犁的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，運(yùn)用的軟件為Geomagic Wrap。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理步驟為采樣、修補(bǔ)、封裝。

2.1 統(tǒng)一采樣

導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，為避免失真，采樣比率選100%，并選擇保持全部數(shù)據(jù)進(jìn)行抽點(diǎn)。為減少數(shù)據(jù)量，在統(tǒng)一采樣中選擇絕對間距為0.1mm。統(tǒng)一采樣時(shí)，勾選保持邊界選項(xiàng)，即保證邊界部分包括棱角部分的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不會細(xì)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(diǎn)云數(shù)據(jù)的簡化而失真。

2.2 修補(bǔ)

選擇非連接項(xiàng)，即選擇和犁體整體數(shù)據(jù)相離較遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)，設(shè)置選擇參數(shù)為最低分隔，尺寸為5，選擇后刪除。選擇體外孤點(diǎn)項(xiàng)就是選擇離犁體主體數(shù)據(jù)非常近的孤點(diǎn)，即肉眼難以辨別的、介于主體和非連接項(xiàng)之間的孤點(diǎn)，設(shè)置敏感度參數(shù)為85，選擇后刪除。體外孤點(diǎn)刪除后，主體形狀基本顯現(xiàn)。

噪聲數(shù)據(jù)點(diǎn)會嚴(yán)重影響重構(gòu)模型的精度。如果噪聲數(shù)據(jù)點(diǎn)過多，易導(dǎo)致偏差過大，重構(gòu)三維模型不符合產(chǎn)品實(shí)際，甚至無法重構(gòu)模型［21］。對犁體主體點(diǎn)云數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的優(yōu)化。減少噪聲可將點(diǎn)移至統(tǒng)計(jì)的正確位置，以彌補(bǔ)掃描儀掃描的誤差，使得點(diǎn)的排列會更平滑。參數(shù)選擇棱柱形，迭代次數(shù)選擇兩次，并限制偏差為0.05mm。

2.3 封裝

將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格，使點(diǎn)對象轉(zhuǎn)化為三角面片對象。設(shè)置封裝參數(shù)時(shí)不選擇刪除小組件，以保持犁體形狀。選擇優(yōu)化稀疏數(shù)據(jù)，優(yōu)化均勻間隙，邊緣孔最大數(shù)目設(shè)置為5。封裝完畢后運(yùn)行網(wǎng)格醫(yī)生消除非流形邊、自相交、釘狀物等問題即形成最優(yōu)化的犁體面片數(shù)據(jù)，如圖2所示。

3 基于逆向工程的三維模型建立

根據(jù)TRIZ理論得到的就地翻土犁犁體曲面設(shè)計(jì)方案［22］，將經(jīng)Geomagic Wrap處理后的犁體面片數(shù)據(jù)導(dǎo)入逆向設(shè)計(jì)軟件Geomagic Design X中進(jìn)行設(shè)計(jì)，就地翻土犁犁體曲面設(shè)計(jì)主要有如下步驟：犁體面片數(shù)據(jù)預(yù)處理、構(gòu)造對稱變異的犁壁、設(shè)計(jì)過渡面、完善犁體曲面。

3.1 犁體面片數(shù)據(jù)預(yù)處理

預(yù)處理過程主要是為了將鏵式犁面片數(shù)據(jù)對齊，即建立坐標(biāo)系。首先用領(lǐng)域組自動分割功能根據(jù)犁體面片數(shù)據(jù)的曲率和特征，自動將犁體面片數(shù)據(jù)歸類為不同的幾何領(lǐng)域，敏感度參數(shù)選擇65。然后利用對齊向?qū)?，根?jù)不同領(lǐng)域組的特征可將面片數(shù)據(jù)與世界坐標(biāo)系對齊，在對齊向?qū)е熊浖詣咏o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(jìn)方向?yàn)閥軸正方向的坐標(biāo)系形式。對齊后的犁體面片數(shù)據(jù)如圖3所示。

3.2 構(gòu)造對稱變異的犁壁

建立一個(gè)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(shù)據(jù)新建一個(gè)名為“對稱犁壁”面片數(shù)據(jù)。鏡像該對稱犁壁面片數(shù)據(jù)，并刪除原始犁壁的面片數(shù)據(jù)位置參數(shù)，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(shí)體，通過選擇點(diǎn)位置和調(diào)整坐標(biāo)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(shè)計(jì)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(gè)頂點(diǎn)，通過土垡的底邊AB線的運(yùn)動規(guī)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(gè)等間距且平行于xOz面的平面，根據(jù)土垡運(yùn)動規(guī)律用草圖工具以線框形式在各個(gè)平面上畫出土垡在該位置的姿態(tài)。選取各個(gè)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(bǔ)功能填補(bǔ)各面并縫合，即完成過渡面的設(shè)計(jì)，過渡面如圖5（b）所示。

3.4 完善犁體曲面

在領(lǐng)域組編輯功能下，選擇能體現(xiàn)特征的領(lǐng)域用合并功能，使得對稱犁壁內(nèi)表面成為單個(gè)領(lǐng)域組。利用面片擬合工具以該領(lǐng)域組為要素?cái)M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(gè)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(xù)的，導(dǎo)致曲面是不平滑非連續(xù)的，在Geomagic Design X中Accuracy Analyzer模塊的環(huán)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(shù)據(jù)利用平滑功能使其表面以及邊界使其平滑、連續(xù)。利用領(lǐng)域組面片擬合功能再將平滑后的面片擬合為曲面，此時(shí)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(shè)計(jì)輔助面切土板面和排土板面以約束土垡運(yùn)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(cè)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(shè)計(jì)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(yīng)適當(dāng)靠后設(shè)計(jì)。鏵式犁犁側(cè)板作用為平衡土壤對犁體曲面的側(cè)壓力，但由于就地翻土犁消除了土垡側(cè)移特性，犁側(cè)板承受側(cè)壓較之傳統(tǒng)鏵式犁變小，因此就地翻土犁犁側(cè)板主要作用為傳遞拉力以及連接犁柱和犁托。同時(shí)由于犁柱位置靠后，犁側(cè)板也相應(yīng)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(yàn)

為了通過實(shí)踐檢驗(yàn)建立的就地翻土犁三維模型能否實(shí)現(xiàn)土垡的原溝翻轉(zhuǎn)，需加工樣件。鑒于3D打印設(shè)備的尺寸限制，現(xiàn)將模型以10∶1的比例縮放，并做進(jìn)一步處理。處理過程主要包括：模型的改進(jìn)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(jìn)

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(shè)計(jì)的形狀來打印，將其簡化為一個(gè)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(yàn)時(shí)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(shí)驗(yàn)效果亦可驗(yàn)證單個(gè)犁體的土垡原溝翻轉(zhuǎn)特性。簡化改進(jìn)后的模型如圖7（a）所示。

4.2 拆分模型

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(qū)動連接件。將這兩部分導(dǎo)出為獨(dú)立的文件。打印后將兩部分用強(qiáng)力膠連接起來。

4.3 打印前處理

將兩個(gè)模型分別另存為.stl格式，導(dǎo)入到Simplify3D中進(jìn)行打印前處理。對于驅(qū)動連接件，其主要的打印參數(shù)為：層厚為0.2mm、壁厚設(shè)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(rèn)打印速度。對于犁體部分，其主要的打印參數(shù)為：層厚為0.1mm、壁厚設(shè)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(rèn)打印速度。參數(shù)設(shè)置好后進(jìn)行打印預(yù)覽，如圖7（b）和圖7（c）所示。

打印預(yù)覽確定無誤后導(dǎo)出.gcode文件到3D打印設(shè)備。本文的3D打印設(shè)備JennyPrinter，其打印范圍為180mm×180mm×300mm。兩部分分別打印結(jié)束后將其用強(qiáng)力膠粘起來，最終得到的3D打印樣件如圖8所示。

4.4 試驗(yàn)條件與結(jié)果

在鋁板制作的土槽進(jìn)行試驗(yàn)，長度為1000mm，寬為80mm，深度約為30mm。試驗(yàn)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(qū)動力使其勻速向前，該試驗(yàn)僅測定翻土效果，因此速度可粗略維持在40mm/s。

試驗(yàn)結(jié)果表明：被模型耕過的土垡基本完成翻轉(zhuǎn)，但受單個(gè)土垡質(zhì)量較小，模型材料等問題，試驗(yàn)過程中土垡在就地翻土犁模型表面上發(fā)生粘連現(xiàn)象，導(dǎo)致土垡在犁體表面上發(fā)生一定的堵塞，隨著犁體的行進(jìn)，土垡提前呈破碎狀態(tài)。這種現(xiàn)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(tài)來看，大部分土垡表面已翻轉(zhuǎn)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?qū)崿F(xiàn)土垡的原溝翻轉(zhuǎn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，其土垡已經(jīng)較為理想地被翻轉(zhuǎn)過來，并且基本在原地。

5 結(jié)論

1） 針對目前設(shè)施農(nóng)業(yè)深翻的需求以及傳統(tǒng)鏵式犁不適應(yīng)設(shè)施大棚作業(yè)的情況，以實(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械化深翻、土垡無側(cè)移為目標(biāo)，以鏵式犁為原型，基于逆向工程技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)了就地翻土犁，豐富了設(shè)施農(nóng)業(yè)耕作機(jī)械的設(shè)計(jì)方案。

2） 采用光學(xué)三維掃描儀獲得鏵式犁的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在Geomagic Wrap中進(jìn)行點(diǎn)云處理得到優(yōu)化的犁體面片數(shù)據(jù)，根據(jù)土垡運(yùn)動規(guī)律，運(yùn)用Geomagic Design X對鏵式犁犁體進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，得到平滑的就地翻土犁犁體曲面，設(shè)計(jì)就地翻土犁犁托、犁柱和犁側(cè)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(xù)就地翻土犁進(jìn)一步研究和優(yōu)化提供參考。

3） 利用3D打印技術(shù)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(jìn)行耕翻試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，大部分土垡完成原溝翻轉(zhuǎn)，原溝落土率為90.3%，進(jìn)而證明該模型設(shè)計(jì)方案的可行性。

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