三維掃描設備在食品機械數字化設計中的應用

李 鵬，夏 浩，周艷麗

（漯河食品職業學院，河南 漯河 462300）

隨著我國經濟社會發展和人民生活水平的不斷提高，食品工業也不斷快速發展，已經成為我國輕工業中的支柱產業，推動著輕工業的發展。隨著食品工業的發展和人們對食品的品種、質量和安全性的要求越來越高，這對食品機械的設計和生產提出了更高的要求，食品機械產品的發展制約著食品產業的發展。目前我國食品機械行業的發展還不穩定，食品機械產品檔次低，特別是創新能力弱，而發達國家食品機械品種繁多，成套性強，設備外觀質量好，壽命長，運行穩定，技術水平高。為了縮短新產品開發周期，響應市場的需求，很多其它領域的企業也都積極借鑒國外先進技術。在這些技術當中，三維掃描技術是近幾年發展較為迅速的技術之一，借助三維掃描設備完成逆向工程技術是近年來快速興起的一門新學科，是聯系新產品開發過程中各種前沿技術的紐帶，并成為完成新產品短周期開發的重要技術手段。

1 三維掃描技術概述

1.1 概念

三維掃描技術可以仿制實物，其實就是使用三維掃描設備掃描實物表面的立體數據，獲得點云數據，并將這些點云數據傳輸至計算機進行后處理可進行三維檢驗和逆向設計，屬于一種比較先進的全自動、高精度的三維掃描技術。

三維掃描技術是一項融合光學、機械、電子和計算機于一體的高新技術。該技術能夠快速轉換實際的產品，可以作為獲取空間數據的有效手段。在國內外被廣泛的應用于諸多領域，顯示了三維掃描技術的先進性和強大的生命力。

1.2 應用流程

三維掃描技術的應用流程首先根據產品/原型，制定測量方案，創建幾何表面的點云，獲取點云數據，然后將這些點插補成物體的表面形狀，點云越密集，創建出來的模型越精準；其次運用Geomagic，Imageware等相關處理軟件對獲取的點云數據信息進行預處理、數據分塊和幾何約束；然后利用三維建模軟件進行創新設計，得到更精確的產品/原型，為產品的仿制或復制工作做好準備；最后通過數控加工機床加工成新產品/新原型。

1.3 優點

三維掃描技術特別適合于個性化、形狀復雜、精細的小批量零件加工，零件的復雜程度和生產類型與制造加工成本基本無關；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打印設備將計算中的模型打印出來，操作者對設備的熟練程度相對于傳統加工也大大減少；生產柔性高，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據，不需專門的工裝夾具和模具，大大縮短了新產品的研發周期；除此以外，三維掃描技術還具有非接觸測量、高精度、速度快等優點。

2 三維掃描技術應用

2.1 原型（模型）方面的應用

三維掃描技術在原型（模型）方面的應用主要體現在一是概念模型，比如為了外觀設計模型、設計檢驗模型、手感測試模型、裝配干涉檢查模型等。二是教學模型，比如復雜分子式、基因結構等模型，三維打印系統成型工藝直觀典型，運行成本低廉，特別適合高校、研究所作為機械課程的教學、培訓及科研之用，并可對外加工零件。除此之外還有建筑模型、文化創意藝術類產品模型、塑膠制品手板模型和其它各類模型零件等。

2.2 生物醫療領域的應用

3D打印技術在生物醫療領域的應用主要體現在兩方面，一方面能夠為醫療生物行業提供更完整的個性化解決方案，比較典型的應用有3D手術預規劃模型、手術導板，以及假肢、助聽器等康復醫療器械；另一方面在再生醫學領域，研究人員已經在利用生物3D打印技術培養人造器官方面取得了值得肯定的進展。三維打印技術在醫療領域已進入臨床試驗階段，今后的應用將日趨廣泛。

2.3 工業領域的應用

三維掃描技術常在模具制造、工業設計等領域用于制造模型，因為模具的制造成本高，工業設計所涉及的產品外觀設計比較苛刻，在傳統的設計當中，無疑增加了難度，但三維掃描技術就是針對形狀復雜、個性化和小批量零件加工，只要有實物就能加工出一樣的仿制品。該技術在工業領域的應用逐漸被用于一些產品的直接制造，已經有使用這種技術打印而成的零部件。零部件掃描如圖1所示。

圖1 零部件掃描

3 三維掃描技術在食品機械數字化設計中的應用研究

隨著三維掃描技術的發展，新產品的設計不僅是傳統的正向建模設計（稱傳統工程學），還包括新興起的逆向建模設計（稱逆向工程學）。正向建模研究的是將概念和模型如何轉變成實際的產品，通過調研，確定產品的使用性能和配置等，確定總體方案，開發新的產品；而逆向建模設計是針對已有的產品/原型，通過三維掃描設備掃描該產品/原型，經過處理軟件處理，然后通過建模軟件曲面重構和創新設計，最終聯接數控加工機床加工出一樣的新產品/原型。發達國家的食品機械較成熟和穩定，傳統的消化吸收設計是將機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，經過總體方案設計、圖紙設計、工藝分析，最后加工出零件，裝配成產品，但是這種建模開發周期較長，對于一些較復雜的零件難于加工，增加了難度和成本，而逆向建模設計是直接將需要設計的零部件進行掃描，不管是多么復雜的零部件（包括要求美學比較苛刻的外觀設計），只要有產品/原型，都可以通過三維打印設備打印出來，這樣大大縮短了開發時間和開發風險。其應用研究主要包括掃描和仿制。

3.1 掃描

在設計食品機械產品時，并非全部的零部件都能用建模軟件進行設計，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計，三維掃描技術的應用開始于20世紀90年代，歐美很多大型企業都采用了該先進技術，在食品機械行業，利用三維掃描技術，可以對發達國家的食品機械產品零部件的外形和尺寸進行測量，可以直接獲得立體尺寸，并將這些尺寸數據傳輸到計算機，在經過設計軟件調整和修補后，傳輸到數控加工機床。

3.2 仿制

為了快速開發新的產品，產品仿制是一項很關鍵的步驟，而仿制的第一步就是測量產品的尺寸。利用三維掃描的特點，它可以快速地測量產品零部件表面的各個點的具體位置，并將測量出來的數據傳輸到計算機，通過處理軟件、建模軟件和加工機床，就可以在較短時間內加工出一樣的產品模型，還可以將測量出來的尺寸輸進計算機和標準數據比較，達到較高的精確度。

4 三維掃描在食品機械數字化設計的局限性和難點

在實際應用當中，三維掃描也有其自身固有的特點，不像傳統的設計那樣繁瑣，但是也帶來了新的挑戰。對于三維掃描技術在食品機械數字化設計的應用，通常認為：它屬于快速成型技術，能夠快速精準地完成零部件的仿制，你只需要掃描仿制的零部件，獲得零部件的計算機的3D模型，再通過和數控加工機床接口聯接，就可以加工出和實際掃描的物品一樣的零部件。但對三維掃描技術簡單的理解是一種理想狀態，在實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據，這些數據如何重建等，其中表面重建是產品設計中最主要的問題，因為食品機械產品的零部件材料多為金屬，噴涂物是白堊土，不會發生化學反應，但可以利用石膏模型替代和重建；通過分割模型來進行抄數，這些不是技術難點，無非增加了一些設計成本，不可避免的問題是三維掃描設備在掃描過程中的數據殘缺。

5 結語

在制造業日趨國際化的狀況下，企業賴以生存的關鍵是縮短新產品開發周期和減少開發新產品投資風險。因此，三維打印技術將會得到進一步發展。本文主要研究的是三維掃描技術在食品機械數字化設計中的應用，針對發達國家成熟的食品機械技術，應用三維掃描儀對實物進行數據采集、處理、重建，再通過聯接數控加工機床，加工出模型，完成真實物品的仿制。三維掃描技術以它自身的優勢被廣泛應用，提高了食品機械的開發速度，縮短了研發周期，不管是在產品的外形和零件的尺寸測量上還是產品的精度上，都將取得最佳的實際效果。但在實際應用中還存在一定的局限性和難點，比如掃描實物后的數據殘缺、重建工作等，在研究的過程中吸取經驗和教訓才能讓設計和制造更加完美。