基于逆向工程与快速成型技术的发动机气道设计

基于逆向工程与快速成型技术的发动机气道设计逆向工程(reverse engineering，简称re)也称反求工程，是指利用先进的测量手段，从实物上采集大量的三维坐标点，通过对测量数据的处理和模型重构技术，建立该物体的三维数字化模型，从而实现产品设计与制造的过程。作为一种新产品开发以及消化、吸收先进技术的重要手段，逆向工程和快速成型技术可以胜任消化外来技术成果的要求。对于已存在的实体模型，可以先通过逆向工程，获取模型的三维实体，经过对三维模型处理后，使用快速成型技术，实现产品的快速复制，缩短了产品开发周期，大大提高了产品的开发效率。 本文以发动机气道设计为例，阐述了基于逆向工程与快速成型技术的气道设计流程：点云曲线曲面三维数据(优化、模具设计)快速成型。 详细介绍点云处理及曲面的逆向构建技术，为产品的开发、改进及创新提供了一定的参考作用。 1 数据获取及预处理 逆向工程的首要工作是获取反映物体外形结构的空间点集。在此基础上，才可进行后期的建模、改进及制造。非接触式测量是利用声、光、电磁等与物体表面发生相互物理作用来获取物体表面的点云数据。其克服了接触测量的一些缺点，具有测量效率高、测量物体质地不限等优点。对发动机缸盖气道而言，由于气道为缸盖的内表面，用德国ATOS光学扫描仪获得气道的点云数据，必须把气道剖开了扫描。 11点云数据获取 对于气道，由于其形状为螺旋型，简单地采用某一规则曲面把它分割开来，将会导致在扫描时有的地方很难扫到，但如果分割的太多，虽然扫描变得容易了，但易导致在点云合拼时定位不准，合拼数据误差大，影响下一步生成的片体精度。因此，根据气道形状的特点，我们把气道按照特征剖分为3块，分别如图1、图2所示。 从以上剖开后的实物可以看出，缸盖气道的整体形状已完全暴露出来，而且，因为剖为3份，使每一份的气道扫描变得简单，仅用扫描气道面和将来要对齐用的特征面，大大简化了扫描过程中移动零件和扫描仪的次数，同时也减少了参考点的数目。 扫描前先根据每块气道要扫描的地方粘贴参考点，参考点的粘贴遵循以下几点原则： 1)参考点尽量贴在平坦的地方，以保证将来容易补洞并且不影响成型片体精度； 2)参考点根据每张照片的拍摄范围应保证每张照片至少拍到3个参考点； 3)对于较小的零件，参考点尽可能贴在固定扫描零件的底版上，这样不会影响扫描点云的质量。 按照以上原则，针对此次扫描的三缸盖粘贴参考点，如图1、图2所示。进行扫描，得到如图3、图4和图5所示的数据。 12 点云数据对齐及处理 点云数据对齐在2种情况下需要进行，一是在测量同一物体时，因为某种原因需要多次分开测量，在测量完成后需将各点云视图对齐得一完整点云数据；二是点云数据在世界坐标系下处于非需要位置，为方便后续的处理，需要进行重新调整，使其表征的物体主要平面与坐标平面垂直(或平行)，孔洞轴线与坐标轴平行。 本例由于零件二分为三，使每一部分所测点云相对测鼍原点而言都是独立的；同时即使对同一部分而言，也需要调整模型摆放角度以消除盲区，这种2次定位也造成点云间位置关系的不统一，故而造型前需进行多视图拼合。 拼合过程可以看作是一种刚体运动，包括点云的平移和转动，因空间3点可以确定1个完整的坐标系，故而用三点法可完成数据的拼合。 把以上扫描得到的点云数据以ASCII的格式从ATOS软件里导出来转入到Imageware软件里，分别在3块点云上制作对齐用曲线，并将点云及其曲线形成一个组，然后应用STEPWISE方式进行点云对齐。对齐点云渲染后如图6所示。 把合拼好的点云用Circle-select功能进行处理，提取出需要的气道部分。对提取出来的点云经过去噪音点、过滤杂点即可开始进行曲线的生成，提取处理后的点云如图7所示。 以上提取出来的点云根据点云形状采用parallel cross section cloud功能生成X、y、Z 3个方向上的截面点，如图8所示。部分地方，如螺旋部分，为了保证生成片体的光顺性，还需要用Circular cloud cross section生成以螺旋中心为旋转中心的截面点，如图9所示。2 特征曲线的构建 对提取出的不同截面点云采用不同的方法生成截面曲线。主要有3种方式： 1)对于后期无需进行匹配、参数化等处理的曲线采用均匀曲线(uniform curve)生成方式较适合。因为这种方法可以在保证一定光顺性要求的前提下，利用其曲线与点云误差分析的功能，设置合理的曲线阶次和跨度值，生成达到精度要求的曲线； 2)如果曲线后期需要与其他曲线进行连接，此操作会改变曲线的参数与形状。为此，可采用基于公差(tolerance curve)的曲线生成方法，使该曲线初次生成时具有较高的精确度，为后期因连接产生的误差打下基础； 3)当曲线本身的精确度和光顺性要求不高时，一般也可采用空间B样条曲线(3D B-SPLINE)生成方法，这种方法可以在生成过程中观察生成的曲线与点云的重合程度，同时可以控制生成曲线的点数。 曲线的生成往往要经历初次生成一分析一调整一生成的过程，从而达到一定的精确度与光顺性要求，其生成流程通常如图10所示。 图10 曲线生成流程图在许多时候，曲线需要进一步连接才能作为生成曲面的特征线。曲线的连续性(决定了光顺性)对后期生成的曲面具有直接的影响。匹配和桥接曲线时可直接选择所需的连续性。对于已连接在一起的曲线，借助软件的评估功能，通过曲线的曲率显示线能很好地判断曲线的连续情况。 曲线GO连续时，连接处的曲率显示线之间有夹角，2曲线位置连续； 曲线G1连续时，曲率显示线相互平行，但长度不相等，2曲线相切； 曲线G2连续是连续的更高级别，醯率显示线相互平行，且长度相等。 为了保证生成的特征线的光顺性，必须使2曲线至少G1连续。图11为本例中1条G1特征线生成前后的曲率显示线分布图。 3 曲面的生成 实物三维CAD模型重建是逆向工程中最关键、复杂的一环，具有工作量大、技术性强的特点，在建模前，应详细了解模型的前期信息和后继应用要求，确定相应的反求方法。文中气管件根据其结构特点，分成内外2步分别建模，考虑到所建模型的最终目标是制作模具，所以实物要反求成便于后期加工制造的曲面实体模型，且相邻曲面间隙不超过005 mm。 曲面的生成一般也要根据生成的物体形状，在不同的地方采用不同的命令。对于气道，根据其形状的特点，决定在形状变化小且规则的地方采用loft curves命令，在螺旋气道部分采用loft curves、swept和surface by boundary命令，在这2部分之间一般只用surface by boundary命令和surface fitWcloud and curves命令进行连接表面的生成。每次形成气道各个地方的片面时，均要对生成的片面与相应范围处的点云进行质量(即重合性)评估，最后还应对整体进行质胃评估。如图12所示。 4 快速成型 上述生成的片面用surfacer专用格式转换软件“freeform databridge utility”转换成UGparasolid，导入UG进行分析、优化，并进行模具设计。 将设计好的气道模具三维数模输出为STL格式，导入insight专用分层软件进行分层处理，再把分好层的文件传送到MAXUM FDM快速成型机内进行成型，成型好的模具即可在气道试验台上进行吹气试验，以检测其空气流量系数和涡流比是否处于设计范围，如图13所示。 5 结语 应用逆向工程和快速成型集成技术实现了发动机进、排气道和不规则曲面的快速数字化，保证了气道模型的准确性和一致性，提高了发动机开