王琛，貢森，張晨赟，丁可青，夏凌然

(1.南京林業(yè)大學家居與工業(yè)設計學院，南京 210037； 2.南京雙庚電子科技有限公司，南京 210037)

正向設計是從概念到三維數(shù)模再到實物樣機的開發(fā)過程，而逆向設計是從實物原型到三維數(shù)模的重塑過程[1]。正逆向混合設計是將正向設計和逆向設計相互融合的一種設計方法，它以點云模型為數(shù)據(jù)源，通過逆向設計軟件對點云模型進行逆向重構，從而得到實物原型的特征數(shù)據(jù)，以此特征數(shù)據(jù)為傳遞介質，利用正向設計軟件對特征數(shù)據(jù)進行數(shù)模重建、特征改進、結構創(chuàng)新等再設計操作[2-3]。正逆向混合設計是吸納先進技術和縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的一種重要手段，已成為工業(yè)設計領域的應用熱點[4]。

隨著增材制造技術的發(fā)展，利用柔性材料通過增材制造方式開發(fā)的產(chǎn)品日趨增多[5]。熱塑性聚氨酯(TPU)是常用的柔性材料之一[6]。TPU 具有極佳的柔韌性和回彈性、高紫外線穩(wěn)定性以及良好的耐水解性。通過熔融沉積增材制造方式，TPU被廣泛應用于對柔韌性、回彈性和易加工屬性有較高要求的生產(chǎn)領域，特別適用于制造各類緩沖元件、保護套等定制類緩沖防護制品[7]。

車刀通常擁有鋒利的切削刃和刀尖結構，為了避免其在儲存、搬運和取用的過程中，對操作人員造成的碰觸傷害，以及刀具相互碰撞、撞擊硬物造成的損壞，保護套的設計與應用對于車刀的安全防護顯得尤為重要。傳統(tǒng)的車刀保護套的材質以硬質塑料(如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料、聚氯乙烯)為主，由于其結構簡單且材質較硬，不具備貼合保護性能和緩沖防護性能。因此，筆者以PROXXON精密車床用1HSS/Co5型車刀保護套為設計對象(如圖1 所示)，采用TPU 柔性材料，通過逆向設計到正向設計再到增材制造的產(chǎn)品開發(fā)流程，設計并制造出既貼合車刀曲面外形、又具有良好緩沖防護性能的TPU保護套，此保護套能夠有效保護車刀的刀頭結構，降低儲存、搬運和取用的過程中車刀損壞的風險，同時避免了車刀對操作人員的碰觸傷害，為同類定制保護套的快速開發(fā)提供參考。

圖1 PROXXON精密車床和1HSS/Co5型車刀

1 車刀TPU保護套的正逆向混合設計方法與開發(fā)流程

對于傳統(tǒng)的正逆向混合設計方法，通常是在逆向重構的模型上直接進行正向設計。而車刀TPU保護套的正逆向混合設計，是將逆向重構得到的模型作為“陽?！保浴瓣柲！鼻谐霰Ｗo套的“陰?！保诖恕瓣幠！鄙线M行正向結構設計。區(qū)別于傳統(tǒng)的正逆向混合設計方法，車刀TPU保護套的正逆向混合設計尤其需要預留裝配間隙。由于逆向重構模型通常存在誤差，其容易引起裝配結構的過盈配合，因此需要設置一定的裝配間隙，即將“陽?！毕蛲馄靡欢ň嚯x，得到基于“陽?！钡钠们?，以此偏置曲面切出保護套“陰模”的內(nèi)貼合曲面，便可實現(xiàn)裝配結構的過渡配合，從而易于車刀和保護套間的拆卸與裝配。

車刀TPU 保護套的開發(fā)流程如圖2 所示，比值選擇PROXXON精密車床用1HSS/Co5型車刀(尺寸為長65 mm、寬6 mm、高6 mm)，通過非接觸式數(shù)據(jù)采集儀獲取車刀的曲面外形點云數(shù)據(jù)，將此點云數(shù)據(jù)導入至Geomagic Wrap軟件中進行點云和面片處理，對點云數(shù)據(jù)進行精簡、封裝、降噪和光順等操作。使用Geomagic Design X 軟件對由Geomagic Wrap軟件處理得到的網(wǎng)格面片進行逆向重構，根據(jù)各網(wǎng)格面片的具體特征分別進行實體創(chuàng)建或曲面擬合，從而獲得車刀數(shù)模的特征數(shù)據(jù)。將車刀數(shù)模的特征數(shù)據(jù)導入至Solid Works 軟件中進行內(nèi)貼合曲面設計和裝配結構設計，并利用Solid Works simulation模塊進行碰撞仿真分析。最后，通過熔融沉積增材制造工藝，使用TPU柔性材料完成車刀保護套的制造。

2 逆向設計

2.1 表面數(shù)據(jù)采集

表面數(shù)據(jù)采集是指通過特定的測量設備和方法，將物體表面的形狀數(shù)據(jù)轉化為空間坐標點，從而得到點云數(shù)據(jù)的過程。采用基于激光三角測距原理的非接觸式數(shù)據(jù)采集儀(型號200B，南京雙庚電子科技有限公司)對1HSS/Co5型車刀進行三維掃描。掃描前先通過黑白格標定板對數(shù)據(jù)采集儀進行精度校準。隨后對車刀表面進行貼點處理，采用V 形式樣粘貼標志點[8]。將車刀放置于掃描轉盤的中心位置，使掃描藍光均布在車刀曲面上。掃描過程需要實時觀察點云數(shù)據(jù)的完整性，完成一個角度的點云掃描后，旋轉轉盤角度約30°，進行后續(xù)角度的點云掃描。對于缺失部位的點云數(shù)據(jù)，通過調(diào)整車刀的擺放位置，進行針對性補掃，使點云數(shù)據(jù)盡量完整，并最終將點云數(shù)據(jù)保存為.asc 格式文件輸出[9]。表面數(shù)據(jù)采集過程如圖3a 所示，數(shù)據(jù)采集儀實時顯示狀態(tài)如圖3b所示。

2.2 點云處理

由于點云數(shù)據(jù)在采集過程中存在人為、環(huán)境因素的干擾，常包含測量誤差，主要體現(xiàn)為冗余數(shù)據(jù)和雜點[10]。冗余數(shù)據(jù)是指重復采集的數(shù)據(jù)，在實際掃描過程中，為提高掃描精度，通常需要對同一區(qū)域進行多次掃描，數(shù)據(jù)疊加后便形成冗余數(shù)據(jù)；雜點是指漂浮在點云模型之外多余的點，往往和點云模型間存在一定距離，雜點從光順性和精度等方面影響了點云的質量[11]。使用Geomagic Wrap 軟件對車刀點云數(shù)據(jù)進行處理，處理前的點云數(shù)據(jù)如圖4a所示，點云處理過程分為7 個步驟(見表1)：步驟1，導入點云數(shù)據(jù)；步驟2，刪除距離較遠的非連接項；步驟3，刪除距離較近的體外孤點；步驟4，對步驟2和步驟3 中沒有刪除干凈的雜點進行手動框選刪除；步驟5，按照曲率優(yōu)先的方式對點云數(shù)據(jù)進行采樣；步驟6，對精簡后的點云數(shù)據(jù)進行降噪平滑處理；步驟7，對點云數(shù)據(jù)進行二次降噪，使數(shù)據(jù)變得更加平滑。經(jīng)過上述步驟處理得到的點云數(shù)據(jù)如圖4b 所示。對比圖4a、圖4b，并分析表1 可知，經(jīng)Geomagic Wrap 軟件點云處理后，車刀掃描點的數(shù)量減少了58%，達到了明顯的精簡效果。

表1 點云處理操作步驟分析

2.3 面片處理

面片處理在點云處理之后，面片處理后的模型必須具有較好的質量，才能進入模型逆向重構階段，為生成實體特征和NURBS曲面作鋪墊[12]。使用Geomagic Wrap 軟件對車刀面片數(shù)據(jù)進行處理，處理前的封裝面片如圖5a 所示，面片處理過程分為7個步驟(見表2)：步驟1，導入封裝面片；步驟2，使用網(wǎng)格醫(yī)生，自動修復多邊形網(wǎng)格內(nèi)的缺陷(如釘狀物、小孔、小組件、非流形邊等)；步驟3，按一定比例減小三角面片的數(shù)量，簡化多邊形網(wǎng)格；步驟4，刪去多邊形網(wǎng)格中的多余特征，包括多余的三角面片和孔；步驟5，松弛網(wǎng)格表面，使多邊形網(wǎng)格更平滑；步驟6，對網(wǎng)格面片進行降噪平滑處理；步驟7，對網(wǎng)格面片進行重新排布，使數(shù)據(jù)變得更加平滑。經(jīng)過上述步驟處理得到的網(wǎng)格面片如圖5b 所示。對比圖5a、圖5b，并分析表2 可知，經(jīng)Geomagic Wrap 軟件面片處理后，車刀三角面片的數(shù)量減少了45%，達到了明顯的光順效果。

表2 面片處理操作步驟分析

圖5 處理前與處理后面片數(shù)據(jù)

2.4 逆向重構

使用Geomagic Design X 軟件對車刀網(wǎng)格面片進行逆向重構。首先，通過自動領域分割命令，設置面片粗糙度和敏感度后對車刀網(wǎng)格面片的特征區(qū)域進行自動分類，分割出不同特征的領域用于快速特征創(chuàng)建(如圖6a所示)。自動領域分割完成后創(chuàng)建一全新坐標系，將新建坐標系通過手動對齊的方式與車刀模型的坐標系重合[13]。以此坐標系為基準創(chuàng)建面片草圖，分區(qū)域依次對車刀模型進行面片草圖截取，對每次截取的面片草圖進行手動草圖繪制，使用基本草圖圖元來擬合截面草圖(如圖6b 所示)。草圖約束完成后，使用拉伸、切除等實體特征生成命令生成基礎實體部分[14]。由于車刀的刀刃部分由異形曲面構成，選中刀刃曲面的相關領域，通過自由曲面擬合的方法擬合出刀刃部分的曲面，用此曲面切除基礎實體部分，并保留擬合曲面下方的基礎實體部分(如圖6c 所示)，從而實現(xiàn)了車刀網(wǎng)格面片的逆向重構。將車刀逆向重構模型與網(wǎng)格面片模型進行誤差分析(如圖6d 所示)，車刀逆向重構模型的誤差為±0.2 mm，低于許可公差范圍±0.5 mm。因此，車刀逆向重構模型對于實物原型的擬合度較高，還原效果較好。

圖6 逆向重構過程

3 正向設計

3.1 內(nèi)貼合曲面設計

與傳統(tǒng)的正逆向混合設計方法不同，通過逆向重構得到的車刀模型反求車刀TPU 保護套的內(nèi)貼合曲面是筆者設計方法的創(chuàng)新點。由于逆向設計軟件的輸出文件為STL格式，其導入正向設計軟件時首先需要進行數(shù)模特征的識別與轉換，即將STL格式的三角面片轉換為正向設計軟件可識別的特征曲面。得益于Solid Works 軟件具有較強的兼容性，選用Solid Works軟件進行正逆向數(shù)據(jù)對接。

將逆向重構得到的車刀模型(如圖7a所示)導入至Solid Works 軟件中進行特征轉換與正向設計。拾取車刀模型中相連的底面和側面，向其外側各偏置0.2 mm (如圖7b所示)，此偏置距離為車刀逆向重構模型的誤差極值，可避免車刀裝配時的過盈配合，實現(xiàn)裝配結構的過渡配合。新建長70 mm、寬16 mm、高6 mm 的長方體塊作為保護套下殼體，切除保護套下殼體（長方體塊）的偏置曲面部分，保留偏置曲面外側的實體部分(如圖7c 所示)，即可根據(jù)逆向重構得到的車刀模型反向求得車刀TPU 保護套下殼體的內(nèi)貼合曲面(如圖7d 所示)，采用相同的方法可以設計出車刀TPU 保護套上殼體的內(nèi)貼合曲面。

圖7 內(nèi)貼合曲面設計過程

3.2 裝配結構設計

對車刀TPU保護套上、下殼體實體部分進行裝配結構設計，主要包括定位柱、孔位和斜開口設計(如圖8 和圖9 所示)。其中，定位柱和孔位相互配合，以實現(xiàn)保護套上、下殼體的定位和裝配。在保護套上、下殼體對應位置繪制草圖，定位柱為直徑5 mm 的圓，位于上殼體上。孔位同為直徑5 mm 的圓，位于下殼體上。分別通過拉伸凸臺、拉伸切除命令生成對應特征。為了方便打開保護套上、下殼體，斜開口設置在保護套上、下殼體接觸面的側邊，通過在側邊繪制等腰直角三角形(直角邊長1.5 mm)，拉伸切除后生成對應特征。

圖8 保護套上殼體(定位柱與斜開口)

圖9 保護套下殼體(孔位與斜開口)

4 碰撞仿真分析

由于車刀通常擁有鋒利的切削刃和刀尖結構，是其整體結構中的薄弱部分，極其容易磕碰損壞。因此，利用Solid Works simulation 模塊對車刀撞擊硬物的情況進行仿真分析，模擬了車刀刀頭撞擊工作臺面(假設為剛體)的情形，撞擊距離為500 mm[15]。根據(jù)有限元模型，得到有保護套的車刀應力云圖(如圖10 所示)和無保護套的車刀應力云圖(如圖11 所示)。從圖10 和圖11 中可見，安裝有保護套的車刀最大應力點位于前刀面與保護套內(nèi)壁的接觸處，最大應力值為3.950 MPa。沒有安裝保護套的車刀最大應力點位于副切削刃與臺面的接觸處，最大應力值為275.679 MPa。安裝有保護套的車刀的最大應力值比沒有安裝保護套的車刀下降了98.46%，說明了TPU保護套有效保護了車刀的刀頭結構，具有良好的緩沖防護性能。

圖10 應力云圖(有保護套)

圖11 應力云圖(無保護套)

5 增材制造

5.1 切片處理

使用TPU柔性材料，通過熔融沉積增材制造工藝打印車刀保護套。將由Solid Works 軟件正向設計完成的保護套上、下殼體的STL文件導入至Cura軟件中進行切片處理，對保護套的擺放位置進行調(diào)整，使上、下殼體保護套的外底平面貼合在打印平臺上(如圖12所示)。此擺放位置不產(chǎn)生任何支撐結構，既能保證模型各部分的成型質量，又節(jié)省了制造時間和材料成本。

對主要成型參數(shù)進行設置，包括熱床溫度、層高、打印速度等。(1)由于熔融狀的TPU材料黏性較小，與打印平臺間的黏結強度不夠，極易出現(xiàn)黏結不牢、脫離平臺等問題。需要設置較高的熱床溫度，以增加TPU材料與打印平臺接觸界面的黏合性能，避免打印過程中出現(xiàn)以上問題，因此設置熱床溫度為70 ℃。(2)層高影響了模型的表面質量、制造時間和材料成本。層高過大，模型的表面質量較差；層高過小，制造時間和材料成本增加。綜合考慮時間、成本和表面質量因素，設置打印層高為0.2 mm。(3)由于TPU 材料的冷卻速率較慢，較小的打印速度能使TPU材料的冷卻時間變長，相鄰層間的浸潤與擴散更加充分，從而獲得更好的層間黏結效果，因此設置的打印速度為40 mm/s。其余主要打印參數(shù)設置見表3。

表3 打印參數(shù)設置表

5.2 3D打印增材制造

將切片完成的G-code 文件導入至熔融沉積3D打印機中(型號晗辰P-200，南京雙庚電子科技有限公司)，選用直徑1.75 mm、邵氏硬度90 的TPU 柔性材料(藍色，東莞以祥塑料科技有限公司)完成車刀TPU 保護套的3D打印增材制造。TPU 柔性材料需要使用近程式擠出機，因為近程式擠出機送絲輪和喉管間的距離較短，能夠避免柔軟的TPU材料纏繞堆積，造成堵頭問題。車刀TPU 保護套上、下殼體的3D 打印時間總計為16 min，材料消耗總計為40 g，材料成本總計約為2.4 元，其中剝離去除的支撐材料消耗0 g，材料利用率100%。打印完成的車刀TPU保護套實物如圖13所示，裝配完成的車刀TPU保護套如圖14 所示?；谡嫦蚧旌显O計的車刀TPU 保護套外表面光滑、無打印缺陷，其內(nèi)表面高度貼合車刀曲面外形，整體結構易于拆卸和裝配。由于TPU柔性材料具有較強的回彈性和緩沖性，起到較好的防護效果，減少了儲存、搬運和取用過程中車刀損壞的風險，同時避免了車刀對操作人員的碰觸傷害，具有較高的應用價值。

圖13 車刀TPU保護套實物效果圖

圖14 車刀TPU保護套裝配效果圖

6 結論

將正逆向設計方法和增材制造技術相結合，通過表面數(shù)據(jù)采集、點云處理、面片處理、逆向重構、正向設計、仿真分析到增材制造等一系列操作，快速開發(fā)出既貼合車刀曲面外形、又具有良好緩沖防護性能的車刀TPU保護套。結果表明：經(jīng)點云處理后，車刀掃描點的數(shù)量減少了58%，達到了明顯精簡的效果；經(jīng)面片處理后，車刀三角面片的數(shù)量減少了45%，達到了明顯光順的效果；車刀逆向重構模型的誤差范圍為±0.2 mm，相對于實物原型的擬合度較高；碰撞仿真分析結果顯示，安裝有保護套的車刀比沒有安裝保護套的車刀的最大應力值下降了98.46%，說明車刀TPU保護套具有良好的緩沖防護性能。此TPU 保護套有效保護了車刀的刀頭結構，降低了儲存、搬運和取用的過程中車刀損壞的風險，同時避免了車刀對操作人員的碰觸傷害，為同類定制保護套的快速開發(fā)提供參考。