王琛，貢森，張晨赟，丁可青，夏凌然

(1.南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，南京 210037； 2.南京雙庚電子科技有限公司，南京 210037)

正向設(shè)計(jì)是從概念到三維數(shù)模再到實(shí)物樣機(jī)的開發(fā)過程，而逆向設(shè)計(jì)是從實(shí)物原型到三維數(shù)模的重塑過程[1]。正逆向混合設(shè)計(jì)是將正向設(shè)計(jì)和逆向設(shè)計(jì)相互融合的一種設(shè)計(jì)方法，它以點(diǎn)云模型為數(shù)據(jù)源，通過逆向設(shè)計(jì)軟件對(duì)點(diǎn)云模型進(jìn)行逆向重構(gòu)，從而得到實(shí)物原型的特征數(shù)據(jù)，以此特征數(shù)據(jù)為傳遞介質(zhì)，利用正向設(shè)計(jì)軟件對(duì)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模重建、特征改進(jìn)、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新等再設(shè)計(jì)操作[2-3]。正逆向混合設(shè)計(jì)是吸納先進(jìn)技術(shù)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(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用熱點(diǎn)[4]。

隨著增材制造技術(shù)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(yīng)用于對(duì)柔韌性、回彈性和易加工屬性有較高要求的生產(chǎn)領(lǐng)域，特別適用于制造各類緩沖元件、保護(hù)套等定制類緩沖防護(hù)制品[7]。

車刀通常擁有鋒利的切削刃和刀尖結(jié)構(gòu)，為了避免其在儲(chǔ)存、搬運(yùn)和取用的過程中，對(duì)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(hù)套的設(shè)計(jì)與應(yīng)用對(duì)于車刀的安全防護(hù)顯得尤為重要。傳統(tǒng)的車刀保護(hù)套的材質(zhì)以硬質(zhì)塑料(如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料、聚氯乙烯)為主，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且材質(zhì)較硬，不具備貼合保護(hù)性能和緩沖防護(hù)性能。因此，筆者以PROXXON精密車床用1HSS/Co5型車刀保護(hù)套為設(shè)計(jì)對(duì)象(如圖1 所示)，采用TPU 柔性材料，通過逆向設(shè)計(jì)到正向設(shè)計(jì)再到增材制造的產(chǎn)品開發(fā)流程，設(shè)計(jì)并制造出既貼合車刀曲面外形、又具有良好緩沖防護(hù)性能的TPU保護(hù)套，此保護(hù)套能夠有效保護(hù)車刀的刀頭結(jié)構(gòu)，降低儲(chǔ)存、搬運(yùn)和取用的過程中車刀損壞的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)避免了車刀對(duì)操作人員的碰觸傷害，為同類定制保護(hù)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(hù)套的正逆向混合設(shè)計(jì)方法與開發(fā)流程

對(duì)于傳統(tǒng)的正逆向混合設(shè)計(jì)方法，通常是在逆向重構(gòu)的模型上直接進(jìn)行正向設(shè)計(jì)。而車刀TPU保護(hù)套的正逆向混合設(shè)計(jì)，是將逆向重構(gòu)得到的模型作為“陽?！?，以“陽模”切出保護(hù)套的“陰?！?，在此“陰?！鄙线M(jìn)行正向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。區(qū)別于傳統(tǒng)的正逆向混合設(shè)計(jì)方法，車刀TPU保護(hù)套的正逆向混合設(shè)計(jì)尤其需要預(yù)留裝配間隙。由于逆向重構(gòu)模型通常存在誤差，其容易引起裝配結(jié)構(gòu)的過盈配合，因此需要設(shè)置一定的裝配間隙，即將“陽模”向外偏置一定距離，得到基于“陽模”的偏置曲面，以此偏置曲面切出保護(hù)套“陰?！钡膬?nèi)貼合曲面，便可實(shí)現(xiàn)裝配結(jié)構(gòu)的過渡配合，從而易于車刀和保護(hù)套間的拆卸與裝配。

車刀TPU 保護(hù)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(zhǎng)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(diǎn)云數(shù)據(jù)，將此點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入至Geomagic Wrap軟件中進(jìn)行點(diǎn)云和面片處理，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)、封裝、降噪和光順等操作。使用Geomagic Design X 軟件對(duì)由Geomagic Wrap軟件處理得到的網(wǎng)格面片進(jìn)行逆向重構(gòu)，根據(jù)各網(wǎng)格面片的具體特征分別進(jìn)行實(shí)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(dǎo)入至Solid Works 軟件中進(jìn)行內(nèi)貼合曲面設(shè)計(jì)和裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并利用Solid Works simulation模塊進(jìn)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(hù)套的制造。

2 逆向設(shè)計(jì)

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(cè)量設(shè)備和方法，將物體表面的形狀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為空間坐標(biāo)點(diǎn)，從而得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)的過程。采用基于激光三角測(cè)距原理的非接觸式數(shù)據(jù)采集儀(型號(hào)200B，南京雙庚電子科技有限公司)對(duì)1HSS/Co5型車刀進(jìn)行三維掃描。掃描前先通過黑白格標(biāo)定板對(duì)數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行精度校準(zhǔn)。隨后對(duì)車刀表面進(jìn)行貼點(diǎn)處理，采用V 形式樣粘貼標(biāo)志點(diǎn)[8]。將車刀放置于掃描轉(zhuǎn)盤的中心位置，使掃描藍(lán)光均布在車刀曲面上。掃描過程需要實(shí)時(shí)觀察點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整性，完成一個(gè)角度的點(diǎn)云掃描后，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤角度約30°，進(jìn)行后續(xù)角度的點(diǎn)云掃描。對(duì)于缺失部位的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過調(diào)整車刀的擺放位置，進(jìn)行針對(duì)性補(bǔ)掃，使點(diǎn)云數(shù)據(jù)盡量完整，并最終將點(diǎn)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(shí)時(shí)顯示狀態(tài)如圖3b所示。

2.2 點(diǎn)云處理

由于點(diǎn)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(cè)量誤差，主要體現(xiàn)為冗余數(shù)據(jù)和雜點(diǎn)[10]。冗余數(shù)據(jù)是指重復(fù)采集的數(shù)據(jù)，在實(shí)際掃描過程中，為提高掃描精度，通常需要對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行多次掃描，數(shù)據(jù)疊加后便形成冗余數(shù)據(jù)；雜點(diǎn)是指漂浮在點(diǎn)云模型之外多余的點(diǎn)，往往和點(diǎn)云模型間存在一定距離，雜點(diǎn)從光順性和精度等方面影響了點(diǎn)云的質(zhì)量[11]。使用Geomagic Wrap 軟件對(duì)車刀點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理前的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖4a所示，點(diǎn)云處理過程分為7 個(gè)步驟(見表1)：步驟1，導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)；步驟2，刪除距離較遠(yuǎn)的非連接項(xiàng)；步驟3，刪除距離較近的體外孤點(diǎn)；步驟4，對(duì)步驟2和步驟3 中沒有刪除干凈的雜點(diǎn)進(jìn)行手動(dòng)框選刪除；步驟5，按照曲率優(yōu)先的方式對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣；步驟6，對(duì)精簡(jiǎn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪平滑處理；步驟7，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖4b 所示。對(duì)比圖4a、圖4b，并分析表1 可知，經(jīng)Geomagic Wrap 軟件點(diǎn)云處理后，車刀掃描點(diǎn)的數(shù)量減少了58%，達(dá)到了明顯的精簡(jiǎn)效果。

表1 點(diǎn)云處理操作步驟分析

2.3 面片處理

面片處理在點(diǎn)云處理之后，面片處理后的模型必須具有較好的質(zhì)量，才能進(jìn)入模型逆向重構(gòu)階段，為生成實(shí)體特征和NURBS曲面作鋪墊[12]。使用Geomagic Wrap 軟件對(duì)車刀面片數(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)步驟(見表2)：步驟1，導(dǎo)入封裝面片；步驟2，使用網(wǎng)格醫(yī)生，自動(dòng)修復(fù)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(jiǎn)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(duì)網(wǎng)格面片進(jìn)行降噪平滑處理；步驟7，對(duì)網(wǎng)格面片進(jìn)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(duì)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(dá)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(gòu)

使用Geomagic Design X 軟件對(duì)車刀網(wǎng)格面片進(jìn)行逆向重構(gòu)。首先，通過自動(dòng)領(lǐng)域分割命令，設(shè)置面片粗糙度和敏感度后對(duì)車刀網(wǎng)格面片的特征區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)分類，分割出不同特征的領(lǐng)域用于快速特征創(chuàng)建(如圖6a所示)。自動(dòng)領(lǐng)域分割完成后創(chuàng)建一全新坐標(biāo)系，將新建坐標(biāo)系通過手動(dòng)對(duì)齊的方式與車刀模型的坐標(biāo)系重合[13]。以此坐標(biāo)系為基準(zhǔn)創(chuàng)建面片草圖，分區(qū)域依次對(duì)車刀模型進(jìn)行面片草圖截取，對(duì)每次截取的面片草圖進(jìn)行手動(dòng)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(shí)體特征生成命令生成基礎(chǔ)實(shí)體部分[14]。由于車刀的刀刃部分由異形曲面構(gòu)成，選中刀刃曲面的相關(guān)領(lǐng)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(chǔ)實(shí)體部分，并保留擬合曲面下方的基礎(chǔ)實(shí)體部分(如圖6c 所示)，從而實(shí)現(xiàn)了車刀網(wǎng)格面片的逆向重構(gòu)。將車刀逆向重構(gòu)模型與網(wǎng)格面片模型進(jìn)行誤差分析(如圖6d 所示)，車刀逆向重構(gòu)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(gòu)模型對(duì)于實(shí)物原型的擬合度較高，還原效果較好。

圖6 逆向重構(gòu)過程

3 正向設(shè)計(jì)

3.1 內(nèi)貼合曲面設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)的正逆向混合設(shè)計(jì)方法不同，通過逆向重構(gòu)得到的車刀模型反求車刀TPU 保護(hù)套的內(nèi)貼合曲面是筆者設(shè)計(jì)方法的創(chuàng)新點(diǎn)。由于逆向設(shè)計(jì)軟件的輸出文件為STL格式，其導(dǎo)入正向設(shè)計(jì)軟件時(shí)首先需要進(jìn)行數(shù)模特征的識(shí)別與轉(zhuǎn)換，即將STL格式的三角面片轉(zhuǎn)換為正向設(shè)計(jì)軟件可識(shí)別的特征曲面。得益于Solid Works 軟件具有較強(qiáng)的兼容性，選用Solid Works軟件進(jìn)行正逆向數(shù)據(jù)對(duì)接。

將逆向重構(gòu)得到的車刀模型(如圖7a所示)導(dǎo)入至Solid Works 軟件中進(jìn)行特征轉(zhuǎn)換與正向設(shè)計(jì)。拾取車刀模型中相連的底面和側(cè)面，向其外側(cè)各偏置0.2 mm (如圖7b所示)，此偏置距離為車刀逆向重構(gòu)模型的誤差極值，可避免車刀裝配時(shí)的過盈配合，實(shí)現(xiàn)裝配結(jié)構(gòu)的過渡配合。新建長(zhǎng)70 mm、寬16 mm、高6 mm 的長(zhǎng)方體塊作為保護(hù)套下殼體，切除保護(hù)套下殼體（長(zhǎng)方體塊）的偏置曲面部分，保留偏置曲面外側(cè)的實(shí)體部分(如圖7c 所示)，即可根據(jù)逆向重構(gòu)得到的車刀模型反向求得車刀TPU 保護(hù)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(shè)計(jì)出車刀TPU 保護(hù)套上殼體的內(nèi)貼合曲面。

圖7 內(nèi)貼合曲面設(shè)計(jì)過程

3.2 裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)車刀TPU保護(hù)套上、下殼體實(shí)體部分進(jìn)行裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括定位柱、孔位和斜開口設(shè)計(jì)(如圖8 和圖9 所示)。其中，定位柱和孔位相互配合，以實(shí)現(xiàn)保護(hù)套上、下殼體的定位和裝配。在保護(hù)套上、下殼體對(duì)應(yīng)位置繪制草圖，定位柱為直徑5 mm 的圓，位于上殼體上?？孜煌瑸橹睆? mm 的圓，位于下殼體上。分別通過拉伸凸臺(tái)、拉伸切除命令生成對(duì)應(yīng)特征。為了方便打開保護(hù)套上、下殼體，斜開口設(shè)置在保護(hù)套上、下殼體接觸面的側(cè)邊，通過在側(cè)邊繪制等腰直角三角形(直角邊長(zhǎng)1.5 mm)，拉伸切除后生成對(duì)應(yīng)特征。

圖8 保護(hù)套上殼體(定位柱與斜開口)

圖9 保護(hù)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(jié)構(gòu)，是其整體結(jié)構(gòu)中的薄弱部分，極其容易磕碰損壞。因此，利用Solid Works simulation 模塊對(duì)車刀撞擊硬物的情況進(jìn)行仿真分析，模擬了車刀刀頭撞擊工作臺(tái)面(假設(shè)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(hù)套的車刀應(yīng)力云圖(如圖10 所示)和無保護(hù)套的車刀應(yīng)力云圖(如圖11 所示)。從圖10 和圖11 中可見，安裝有保護(hù)套的車刀最大應(yīng)力點(diǎn)位于前刀面與保護(hù)套內(nèi)壁的接觸處，最大應(yīng)力值為3.950 MPa。沒有安裝保護(hù)套的車刀最大應(yīng)力點(diǎn)位于副切削刃與臺(tái)面的接觸處，最大應(yīng)力值為275.679 MPa。安裝有保護(hù)套的車刀的最大應(yīng)力值比沒有安裝保護(hù)套的車刀下降了98.46%，說明了TPU保護(hù)套有效保護(hù)了車刀的刀頭結(jié)構(gòu)，具有良好的緩沖防護(hù)性能。

圖10 應(yīng)力云圖(有保護(hù)套)

圖11 應(yīng)力云圖(無保護(hù)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(hù)套。將由Solid Works 軟件正向設(shè)計(jì)完成的保護(hù)套上、下殼體的STL文件導(dǎo)入至Cura軟件中進(jìn)行切片處理，對(duì)保護(hù)套的擺放位置進(jìn)行調(diào)整，使上、下殼體保護(hù)套的外底平面貼合在打印平臺(tái)上(如圖12所示)。此擺放位置不產(chǎn)生任何支撐結(jié)構(gòu)，既能保證模型各部分的成型質(zhì)量，又節(jié)省了制造時(shí)間和材料成本。

對(duì)主要成型參數(shù)進(jìn)行設(shè)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(tái)間的黏結(jié)強(qiáng)度不夠，極易出現(xiàn)黏結(jié)不牢、脫離平臺(tái)等問題。需要設(shè)置較高的熱床溫度，以增加TPU材料與打印平臺(tái)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(shè)置熱床溫度為70 ℃。(2)層高影響了模型的表面質(zhì)量、制造時(shí)間和材料成本。層高過大，模型的表面質(zhì)量較差；層高過小，制造時(shí)間和材料成本增加。綜合考慮時(shí)間、成本和表面質(zhì)量因素，設(shè)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(shí)間變長(zhǎng)，相鄰層間的浸潤(rùn)與擴(kuò)散更加充分，從而獲得更好的層間黏結(jié)效果，因此設(shè)置的打印速度為40 mm/s。其余主要打印參數(shù)設(shè)置見表3。

表3 打印參數(shù)設(shè)置表

5.2 3D打印增材制造

將切片完成的G-code 文件導(dǎo)入至熔融沉積3D打印機(jī)中(型號(hào)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(lán)色，東莞以祥塑料科技有限公司)完成車刀TPU 保護(hù)套的3D打印增材制造。TPU 柔性材料需要使用近程式擠出機(jī)，因?yàn)榻淌綌D出機(jī)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(hù)套上、下殼體的3D 打印時(shí)間總計(jì)為16 min，材料消耗總計(jì)為40 g，材料成本總計(jì)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(hù)套實(shí)物如圖13所示，裝配完成的車刀TPU保護(hù)套如圖14 所示?；谡嫦蚧旌显O(shè)計(jì)的車刀TPU 保護(hù)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(jié)構(gòu)易于拆卸和裝配。由于TPU柔性材料具有較強(qiáng)的回彈性和緩沖性，起到較好的防護(hù)效果，減少了儲(chǔ)存、搬運(yùn)和取用過程中車刀損壞的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)避免了車刀對(duì)操作人員的碰觸傷害，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

圖13 車刀TPU保護(hù)套實(shí)物效果圖

圖14 車刀TPU保護(hù)套裝配效果圖

6 結(jié)論

將正逆向設(shè)計(jì)方法和增材制造技術(shù)相結(jié)合，通過表面數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云處理、面片處理、逆向重構(gòu)、正向設(shè)計(jì)、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(hù)性能的車刀TPU保護(hù)套。結(jié)果表明：經(jīng)點(diǎn)云處理后，車刀掃描點(diǎn)的數(shù)量減少了58%，達(dá)到了明顯精簡(jiǎn)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(dá)到了明顯光順的效果；車刀逆向重構(gòu)模型的誤差范圍為±0.2 mm，相對(duì)于實(shí)物原型的擬合度較高；碰撞仿真分析結(jié)果顯示，安裝有保護(hù)套的車刀比沒有安裝保護(hù)套的車刀的最大應(yīng)力值下降了98.46%，說明車刀TPU保護(hù)套具有良好的緩沖防護(hù)性能。此TPU 保護(hù)套有效保護(hù)了車刀的刀頭結(jié)構(gòu)，降低了儲(chǔ)存、搬運(yùn)和取用的過程中車刀損壞的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)避免了車刀對(duì)操作人員的碰觸傷害，為同類定制保護(hù)套的快速開發(fā)提供參考。