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(reverseengineering，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。1．1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。1．2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parallelcrosssectioncloud功能生成X、y、Z3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Circularcloudcrosssection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(uniformcurve)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(tolerancecurve)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(3DB-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0．05mm。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loftcurves命令，在螺旋气道部分采用loftcurves、swept和surfacebyboundary命令，在这2部分之间一般只用surfacebyboundary命令和surfacefitW／cloudandcurves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“freeformdatabridgeutility”转换成UG／parasolid，导入UGⅡ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MAXUMFDM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，提高了发动机开发的速度和技术水平，完全取代了低效、制模质量因人而异的手工制模。有数据表明，此项技术的应用使发动机开发周期缩短了1／3～2／3，开发成本降低了20％～40％。取得了很好的效果。在逆向工程的实际应用当中，整个过程仍需要大量的人机交互工作，操作者的经验和素质直接影响着产品的质量，对于复杂的曲面，自动重建的光顺性难以保证，是其亟需突破的技术瓶颈。