李 鵬，夏 浩，周艷麗

（漯河食品職業(yè)學(xué)院，河南 漯河 462300）

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，食品工業(yè)也不斷快速發(fā)展，已經(jīng)成為我國輕工業(yè)中的支柱產(chǎn)業(yè)，推動著輕工業(yè)的發(fā)展。隨著食品工業(yè)的發(fā)展和人們對食品的品種、質(zhì)量和安全性的要求越來越高，這對食品機(jī)械的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提出了更高的要求，食品機(jī)械產(chǎn)品的發(fā)展制約著食品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前我國食品機(jī)械行業(yè)的發(fā)展還不穩(wěn)定，食品機(jī)械產(chǎn)品檔次低，特別是創(chuàng)新能力弱，而發(fā)達(dá)國家食品機(jī)械品種繁多，成套性強(qiáng)，設(shè)備外觀質(zhì)量好，壽命長，運(yùn)行穩(wěn)定，技術(shù)水平高。為了縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，響應(yīng)市場的需求，很多其它領(lǐng)域的企業(yè)也都積極借鑒國外先進(jìn)技術(shù)。在這些技術(shù)當(dāng)中，三維掃描技術(shù)是近幾年發(fā)展較為迅速的技術(shù)之一，借助三維掃描設(shè)備完成逆向工程技術(shù)是近年來快速興起的一門新學(xué)科，是聯(lián)系新產(chǎn)品開發(fā)過程中各種前沿技術(shù)的紐帶，并成為完成新產(chǎn)品短周期開發(fā)的重要技術(shù)手段。

1 三維掃描技術(shù)概述

1.1 概念

三維掃描技術(shù)可以仿制實(shí)物，其實(shí)就是使用三維掃描設(shè)備掃描實(shí)物表面的立體數(shù)據(jù)，獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行后處理可進(jìn)行三維檢驗(yàn)和逆向設(shè)計(jì)，屬于一種比較先進(jìn)的全自動、高精度的三維掃描技術(shù)。

三維掃描技術(shù)是一項(xiàng)融合光學(xué)、機(jī)械、電子和計(jì)算機(jī)于一體的高新技術(shù)。該技術(shù)能夠快速轉(zhuǎn)換實(shí)際的產(chǎn)品，可以作為獲取空間數(shù)據(jù)的有效手段。在國內(nèi)外被廣泛的應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，顯示了三維掃描技術(shù)的先進(jìn)性和強(qiáng)大的生命力。

1.2 應(yīng)用流程

三維掃描技術(shù)的應(yīng)用流程首先根據(jù)產(chǎn)品/原型，制定測量方案，創(chuàng)建幾何表面的點(diǎn)云，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后將這些點(diǎn)插補(bǔ)成物體的表面形狀，點(diǎn)云越密集，創(chuàng)建出來的模型越精準(zhǔn)；其次運(yùn)用Geomagic，Imageware等相關(guān)處理軟件對獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息進(jìn)行預(yù)處理、數(shù)據(jù)分塊和幾何約束；然后利用三維建模軟件進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，得到更精確的產(chǎn)品/原型，為產(chǎn)品的仿制或復(fù)制工作做好準(zhǔn)備；最后通過數(shù)控加工機(jī)床加工成新產(chǎn)品/新原型。

1.3 優(yōu)點(diǎn)

三維掃描技術(shù)特別適合于個性化、形狀復(fù)雜、精細(xì)的小批量零件加工，零件的復(fù)雜程度和生產(chǎn)類型與制造加工成本基本無關(guān)；它能成功地解決建模軟件中“看得見、摸不著”的問題，只要有模型就能夠利用3D打印設(shè)備將計(jì)算中的模型打印出來，操作者對設(shè)備的熟練程度相對于傳統(tǒng)加工也大大減少；生產(chǎn)柔性高，如果想加工不同形狀的零件模型，只需要修改建模軟件的數(shù)據(jù)，不需專門的工裝夾具和模具，大大縮短了新產(chǎn)品的研發(fā)周期；除此以外，三維掃描技術(shù)還具有非接觸測量、高精度、速度快等優(yōu)點(diǎn)。

2 三維掃描技術(shù)應(yīng)用

2.1 原型（模型）方面的應(yīng)用

三維掃描技術(shù)在原型（模型）方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在一是概念模型，比如為了外觀設(shè)計(jì)模型、設(shè)計(jì)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⑹指袦y試模型、裝配干涉檢查模型等。二是教學(xué)模型，比如復(fù)雜分子式、基因結(jié)構(gòu)等模型，三維打印系統(tǒng)成型工藝直觀典型，運(yùn)行成本低廉，特別適合高校、研究所作為機(jī)械課程的教學(xué)、培訓(xùn)及科研之用，并可對外加工零件。除此之外還有建筑模型、文化創(chuàng)意藝術(shù)類產(chǎn)品模型、塑膠制品手板模型和其它各類模型零件等。

2.2 生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩方面，一方面能夠?yàn)獒t(yī)療生物行業(yè)提供更完整的個性化解決方案，比較典型的應(yīng)用有3D手術(shù)預(yù)規(guī)劃模型、手術(shù)導(dǎo)板，以及假肢、助聽器等康復(fù)醫(yī)療器械；另一方面在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，研究人員已經(jīng)在利用生物3D打印技術(shù)培養(yǎng)人造器官方面取得了值得肯定的進(jìn)展。三維打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域已進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段，今后的應(yīng)用將日趨廣泛。

2.3 工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

三維掃描技術(shù)常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域用于制造模型，因?yàn)槟＞叩闹圃斐杀靖撸I(yè)設(shè)計(jì)所涉及的產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)比較苛刻，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，無疑增加了難度，但三維掃描技術(shù)就是針對形狀復(fù)雜、個性化和小批量零件加工，只要有實(shí)物就能加工出一樣的仿制品。該技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸被用于一些產(chǎn)品的直接制造，已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。零部件掃描如圖1所示。

圖1 零部件掃描

3 三維掃描技術(shù)在食品機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

隨著三維掃描技術(shù)的發(fā)展，新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)不僅是傳統(tǒng)的正向建模設(shè)計(jì)（稱傳統(tǒng)工程學(xué)），還包括新興起的逆向建模設(shè)計(jì)（稱逆向工程學(xué)）。正向建模研究的是將概念和模型如何轉(zhuǎn)變成實(shí)際的產(chǎn)品，通過調(diào)研，確定產(chǎn)品的使用性能和配置等，確定總體方案，開發(fā)新的產(chǎn)品；而逆向建模設(shè)計(jì)是針對已有的產(chǎn)品/原型，通過三維掃描設(shè)備掃描該產(chǎn)品/原型，經(jīng)過處理軟件處理，然后通過建模軟件曲面重構(gòu)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，最終聯(lián)接數(shù)控加工機(jī)床加工出一樣的新產(chǎn)品/原型。發(fā)達(dá)國家的食品機(jī)械較成熟和穩(wěn)定，傳統(tǒng)的消化吸收設(shè)計(jì)是將機(jī)器拆分成各個部件和零件，通過對這些零部件測繪，然后在建模軟件上建模，經(jīng)過總體方案設(shè)計(jì)、圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、工藝分析，最后加工出零件，裝配成產(chǎn)品，但是這種建模開發(fā)周期較長，對于一些較復(fù)雜的零件難于加工，增加了難度和成本，而逆向建模設(shè)計(jì)是直接將需要設(shè)計(jì)的零部件進(jìn)行掃描，不管是多么復(fù)雜的零部件（包括要求美學(xué)比較苛刻的外觀設(shè)計(jì)），只要有產(chǎn)品/原型，都可以通過三維打印設(shè)備打印出來，這樣大大縮短了開發(fā)時間和開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。其應(yīng)用研究主要包括掃描和仿制。

3.1 掃描

在設(shè)計(jì)食品機(jī)械產(chǎn)品時，并非全部的零部件都能用建模軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，往往會碰到難測繪或難加工的零部件。因此，在有必要的情況下就采用直觀設(shè)計(jì)，三維掃描技術(shù)的應(yīng)用開始于20世紀(jì)90年代，歐美很多大型企業(yè)都采用了該先進(jìn)技術(shù)，在食品機(jī)械行業(yè)，利用三維掃描技術(shù)，可以對發(fā)達(dá)國家的食品機(jī)械產(chǎn)品零部件的外形和尺寸進(jìn)行測量，可以直接獲得立體尺寸，并將這些尺寸數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，在經(jīng)過設(shè)計(jì)軟件調(diào)整和修補(bǔ)后，傳輸?shù)綌?shù)控加工機(jī)床。

3.2 仿制

為了快速開發(fā)新的產(chǎn)品，產(chǎn)品仿制是一項(xiàng)很關(guān)鍵的步驟，而仿制的第一步就是測量產(chǎn)品的尺寸。利用三維掃描的特點(diǎn)，它可以快速地測量產(chǎn)品零部件表面的各個點(diǎn)的具體位置，并將測量出來的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，通過處理軟件、建模軟件和加工機(jī)床，就可以在較短時間內(nèi)加工出一樣的產(chǎn)品模型，還可以將測量出來的尺寸輸進(jìn)計(jì)算機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較，達(dá)到較高的精確度。

4 三維掃描在食品機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)的局限性和難點(diǎn)

在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，三維掃描也有其自身固有的特點(diǎn)，不像傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)那樣繁瑣，但是也帶來了新的挑戰(zhàn)。對于三維掃描技術(shù)在食品機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)的應(yīng)用，通常認(rèn)為：它屬于快速成型技術(shù)，能夠快速精準(zhǔn)地完成零部件的仿制，你只需要掃描仿制的零部件，獲得零部件的計(jì)算機(jī)的3D模型，再通過和數(shù)控加工機(jī)床接口聯(lián)接，就可以加工出和實(shí)際掃描的物品一樣的零部件。但對三維掃描技術(shù)簡單的理解是一種理想狀態(tài)，在實(shí)際操作中往往會遇到很多棘手的問題。比如：如何處理掃描死角和表面數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)如何重建等，其中表面重建是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中最主要的問題，因?yàn)槭称窓C(jī)械產(chǎn)品的零部件材料多為金屬，噴涂物是白堊土，不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但可以利用石膏模型替代和重建；通過分割模型來進(jìn)行抄數(shù)，這些不是技術(shù)難點(diǎn)，無非增加了一些設(shè)計(jì)成本，不可避免的問題是三維掃描設(shè)備在掃描過程中的數(shù)據(jù)殘缺。

5 結(jié)語

在制造業(yè)日趨國際化的狀況下，企業(yè)賴以生存的關(guān)鍵是縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期和減少開發(fā)新產(chǎn)品投資風(fēng)險(xiǎn)。因此，三維打印技術(shù)將會得到進(jìn)一步發(fā)展。本文主要研究的是三維掃描技術(shù)在食品機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，針對發(fā)達(dá)國家成熟的食品機(jī)械技術(shù)，應(yīng)用三維掃描儀對實(shí)物進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、重建，再通過聯(lián)接數(shù)控加工機(jī)床，加工出模型，完成真實(shí)物品的仿制。三維掃描技術(shù)以它自身的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用，提高了食品機(jī)械的開發(fā)速度，縮短了研發(fā)周期，不管是在產(chǎn)品的外形和零件的尺寸測量上還是產(chǎn)品的精度上，都將取得最佳的實(shí)際效果。但在實(shí)際應(yīng)用中還存在一定的局限性和難點(diǎn)，比如掃描實(shí)物后的數(shù)據(jù)殘缺、重建工作等，在研究的過程中吸取經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)才能讓設(shè)計(jì)和制造更加完美。