三维扫描设备在食品机械数字化设计中的应用

李 鹏，夏 浩，周艳丽

（漯河食品职业学院，河南 漯河 462300）

随着我国经济社会发展和人民生活水平的不断提高，食品工业也不断快速发展，已经成为我国轻工业中的支柱产业，推动着轻工业的发展。随着食品工业的发展和人们对食品的品种、质量和安全性的要求越来越高，这对食品机械的设计和生产提出了更高的要求，食品机械产品的发展制约着食品产业的发展。目前我国食品机械行业的发展还不稳定，食品机械产品档次低，特别是创新能力弱，而发达国家食品机械品种繁多，成套性强，设备外观质量好，寿命长，运行稳定，技术水平高。为了缩短新产品开发周期，响应市场的需求，很多其它领域的企业也都积极借鉴国外先进技术。在这些技术当中，三维扫描技术是近几年发展较为迅速的技术之一，借助三维扫描设备完成逆向工程技术是近年来快速兴起的一门新学科，是联系新产品开发过程中各种前沿技术的纽带，并成为完成新产品短周期开发的重要技术手段。

1 三维扫描技术概述

1.1 概念

三维扫描技术可以仿制实物，其实就是使用三维扫描设备扫描实物表面的立体数据，获得点云数据，并将这些点云数据传输至计算机进行后处理可进行三维检验和逆向设计，属于一种比较先进的全自动、高精度的三维扫描技术。

三维扫描技术是一项融合光学、机械、电子和计算机于一体的高新技术。该技术能够快速转换实际的产品，可以作为获取空间数据的有效手段。在国内外被广泛的应用于诸多领域，显示了三维扫描技术的先进性和强大的生命力。

1.2 应用流程

三维扫描技术的应用流程首先根据产品/原型，制定测量方案，创建几何表面的点云，获取点云数据，然后将这些点插补成物体的表面形状，点云越密集，创建出来的模型越精准；其次运用Geomagic，Imageware等相关处理软件对获取的点云数据信息进行预处理、数据分块和几何约束；然后利用三维建模软件进行创新设计，得到更精确的产品/原型，为产品的仿制或复制工作做好准备；最后通过数控加工机床加工成新产品/新原型。

1.3 优点

三维扫描技术特别适合于个性化、形状复杂、精细的小批量零件加工，零件的复杂程度和生产类型与制造加工成本基本无关；它能成功地解决建模软件中“看得见、摸不着”的问题，只要有模型就能够利用3D打印设备将计算中的模型打印出来，操作者对设备的熟练程度相对于传统加工也大大减少；生产柔性高，如果想加工不同形状的零件模型，只需要修改建模软件的数据，不需专门的工装夹具和模具，大大缩短了新产品的研发周期；除此以外，三维扫描技术还具有非接触测量、高精度、速度快等优点。

2 三维扫描技术应用

2.1 原型（模型）方面的应用

三维扫描技术在原型（模型）方面的应用主要体现在一是概念模型，比如为了外观设计模型、设计检验模型、手感测试模型、装配干涉检查模型等。二是教学模型，比如复杂分子式、基因结构等模型，三维打印系统成型工艺直观典型，运行成本低廉，特别适合高校、研究所作为机械课程的教学、培训及科研之用，并可对外加工零件。除此之外还有建筑模型、文化创意艺术类产品模型、塑胶制品手板模型和其它各类模型零件等。

2.2 生物医疗领域的应用

3D打印技术在生物医疗领域的应用主要体现在两方面，一方面能够为医疗生物行业提供更完整的个性化解决方案，比较典型的应用有3D手术预规划模型、手术导板，以及假肢、助听器等康复医疗器械；另一方面在再生医学领域，研究人员已经在利用生物3D打印技术培养人造器官方面取得了值得肯定的进展。三维打印技术在医疗领域已进入临床试验阶段，今后的应用将日趋广泛。

2.3 工业领域的应用

三维扫描技术常在模具制造、工业设计等领域用于制造模型，因为模具的制造成本高，工业设计所涉及的产品外观设计比较苛刻，在传统的设计当中，无疑增加了难度，但三维扫描技术就是针对形状复杂、个性化和小批量零件加工，只要有实物就能加工出一样的仿制品。该技术在工业领域的应用逐渐被用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。零部件扫描如图1所示。

图1 零部件扫描

3 三维扫描技术在食品机械数字化设计中的应用研究

随着三维扫描技术的发展，新产品的设计不仅是传统的正向建模设计（称传统工程学），还包括新兴起的逆向建模设计（称逆向工程学）。正向建模研究的是将概念和模型如何转变成实际的产品，通过调研，确定产品的使用性能和配置等，确定总体方案，开发新的产品；而逆向建模设计是针对已有的产品/原型，通过三维扫描设备扫描该产品/原型，经过处理软件处理，然后通过建模软件曲面重构和创新设计，最终联接数控加工机床加工出一样的新产品/原型。发达国家的食品机械较成熟和稳定，传统的消化吸收设计是将机器拆分成各个部件和零件，通过对这些零部件测绘，然后在建模软件上建模，经过总体方案设计、图纸设计、工艺分析，最后加工出零件，装配成产品，但是这种建模开发周期较长，对于一些较复杂的零件难于加工，增加了难度和成本，而逆向建模设计是直接将需要设计的零部件进行扫描，不管是多么复杂的零部件（包括要求美学比较苛刻的外观设计），只要有产品/原型，都可以通过三维打印设备打印出来，这样大大缩短了开发时间和开发风险。其应用研究主要包括扫描和仿制。

3.1 扫描

在设计食品机械产品时，并非全部的零部件都能用建模软件进行设计，往往会碰到难测绘或难加工的零部件。因此，在有必要的情况下就采用直观设计，三维扫描技术的应用开始于20世纪90年代，欧美很多大型企业都采用了该先进技术，在食品机械行业，利用三维扫描技术，可以对发达国家的食品机械产品零部件的外形和尺寸进行测量，可以直接获得立体尺寸，并将这些尺寸数据传输到计算机，在经过设计软件调整和修补后，传输到数控加工机床。

3.2 仿制

为了快速开发新的产品，产品仿制是一项很关键的步骤，而仿制的第一步就是测量产品的尺寸。利用三维扫描的特点，它可以快速地测量产品零部件表面的各个点的具体位置，并将测量出来的数据传输到计算机，通过处理软件、建模软件和加工机床，就可以在较短时间内加工出一样的产品模型，还可以将测量出来的尺寸输进计算机和标准数据比较，达到较高的精确度。

4 三维扫描在食品机械数字化设计的局限性和难点

在实际应用当中，三维扫描也有其自身固有的特点，不像传统的设计那样繁琐，但是也带来了新的挑战。对于三维扫描技术在食品机械数字化设计的应用，通常认为：它属于快速成型技术，能够快速精准地完成零部件的仿制，你只需要扫描仿制的零部件，获得零部件的计算机的3D模型，再通过和数控加工机床接口联接，就可以加工出和实际扫描的物品一样的零部件。但对三维扫描技术简单的理解是一种理想状态，在实际操作中往往会遇到很多棘手的问题。比如：如何处理扫描死角和表面数据，这些数据如何重建等，其中表面重建是产品设计中最主要的问题，因为食品机械产品的零部件材料多为金属，喷涂物是白垩土，不会发生化学反应，但可以利用石膏模型替代和重建；通过分割模型来进行抄数，这些不是技术难点，无非增加了一些设计成本，不可避免的问题是三维扫描设备在扫描过程中的数据残缺。

5 结语

在制造业日趋国际化的状况下，企业赖以生存的关键是缩短新产品开发周期和减少开发新产品投资风险。因此，三维打印技术将会得到进一步发展。本文主要研究的是三维扫描技术在食品机械数字化设计中的应用，针对发达国家成熟的食品机械技术，应用三维扫描仪对实物进行数据采集、处理、重建，再通过联接数控加工机床，加工出模型，完成真实物品的仿制。三维扫描技术以它自身的优势被广泛应用，提高了食品机械的开发速度，缩短了研发周期，不管是在产品的外形和零件的尺寸测量上还是产品的精度上，都将取得最佳的实际效果。但在实际应用中还存在一定的局限性和难点，比如扫描实物后的数据残缺、重建工作等，在研究的过程中吸取经验和教训才能让设计和制造更加完美。