基于逆向工程與快速成型技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)氣道設(shè)計(jì)(共8頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上基于逆向工程與快速成型技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)氣道設(shè)計(jì)逆向工程(reverse engineering，簡(jiǎn)稱re)也稱反求工程，是指利用先進(jìn)的測(cè)量手段，從實(shí)物上采集大量的三維坐標(biāo)點(diǎn)，通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理和模型重構(gòu)技術(shù)，建立該物體的三維數(shù)字化模型，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的過程。作為一種新產(chǎn)品開發(fā)以及消化、吸收先進(jìn)技術(shù)的重要手段，逆向工程和快速成型技術(shù)可以勝任消化外來技術(shù)成果的要求。對(duì)于已存在的實(shí)體模型，可以先通過逆向工程，獲取模型的三維實(shí)體，經(jīng)過對(duì)三維模型處理后，使用快速成型技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速?gòu)?fù)制，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，大大提高了產(chǎn)品的開發(fā)效率。 本文以發(fā)動(dòng)機(jī)氣道設(shè)計(jì)為例，闡述了基

2、于逆向工程與快速成型技術(shù)的氣道設(shè)計(jì)流程：點(diǎn)云曲線曲面三維數(shù)據(jù)(優(yōu)化、模具設(shè)計(jì))快速成型。 詳細(xì)介紹點(diǎn)云處理及曲面的逆向構(gòu)建技術(shù)，為產(chǎn)品的開發(fā)、改進(jìn)及創(chuàng)新提供了一定的參考作用。 1 數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理 逆向工程的首要工作是獲取反映物體外形結(jié)構(gòu)的空間點(diǎn)集。在此基礎(chǔ)上，才可進(jìn)行后期的建模、改進(jìn)及制造。非接觸式測(cè)量是利用聲、光、電磁等與物體表面發(fā)生相互物理作用來獲取物體表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。其克服了接觸測(cè)量的一些缺點(diǎn)，具有測(cè)量效率高、測(cè)量物體質(zhì)地不限等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋氣道而言，由于氣道為缸蓋的內(nèi)表面，用德國(guó)ATOS光學(xué)掃描儀獲得氣道的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，必須把氣道剖開了掃描。 11點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取 對(duì)于氣道，由于其形狀為

3、螺旋型，簡(jiǎn)單地采用某一規(guī)則曲面把它分割開來，將會(huì)導(dǎo)致在掃描時(shí)有的地方很難掃到，但如果分割的太多，雖然掃描變得容易了，但易導(dǎo)致在點(diǎn)云合拼時(shí)定位不準(zhǔn)，合拼數(shù)據(jù)誤差大，影響下一步生成的片體精度。因此，根據(jù)氣道形狀的特點(diǎn)，我們把氣道按照特征剖分為3塊，分別如圖1、圖2所示。 從以上剖開后的實(shí)物可以看出，缸蓋氣道的整體形狀已完全暴露出來，而且，因?yàn)槠蕿?份，使每一份的氣道掃描變得簡(jiǎn)單，僅用掃描氣道面和將來要對(duì)齊用的特征面，大大簡(jiǎn)化了掃描過程中移動(dòng)零件和掃描儀的次數(shù)，同時(shí)也減少了參考點(diǎn)的數(shù)目。 掃描前先根據(jù)每塊氣道要掃描的地方粘貼參考點(diǎn)，參考點(diǎn)的粘貼遵循以下幾點(diǎn)原則： 1)參考點(diǎn)盡量貼在平坦的地方，以保證

4、將來容易補(bǔ)洞并且不影響成型片體精度； 2)參考點(diǎn)根據(jù)每張照片的拍攝范圍應(yīng)保證每張照片至少拍到3個(gè)參考點(diǎn)； 3)對(duì)于較小的零件，參考點(diǎn)盡可能貼在固定掃描零件的底版上，這樣不會(huì)影響掃描點(diǎn)云的質(zhì)量。 按照以上原則，針對(duì)此次掃描的三缸蓋粘貼參考點(diǎn)，如圖1、圖2所示。進(jìn)行掃描，得到如圖3、圖4和圖5所示的數(shù)據(jù)。 12 點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)齊及處理 點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)齊在2種情況下需要進(jìn)行，一是在測(cè)量同一物體時(shí)，因?yàn)槟撤N原因需要多次分開測(cè)量，在測(cè)量完成后需將各點(diǎn)云視圖對(duì)齊得一完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)；二是點(diǎn)云數(shù)據(jù)在世界坐標(biāo)系下處于非需要位置，為方便后續(xù)的處理，需要進(jìn)行重新調(diào)整，使其表征的物體主要平面與坐標(biāo)平面垂直(或平行)，孔洞軸線與

5、坐標(biāo)軸平行。 本例由于零件二分為三，使每一部分所測(cè)點(diǎn)云相對(duì)測(cè)鼉?cè)c(diǎn)而言都是獨(dú)立的；同時(shí)即使對(duì)同一部分而言，也需要調(diào)整模型擺放角度以消除盲區(qū)，這種2次定位也造成點(diǎn)云間位置關(guān)系的不統(tǒng)一，故而造型前需進(jìn)行多視圖拼合。 拼合過程可以看作是一種剛體運(yùn)動(dòng)，包括點(diǎn)云的平移和轉(zhuǎn)動(dòng)，因空間3點(diǎn)可以確定1個(gè)完整的坐標(biāo)系，故而用三點(diǎn)法可完成數(shù)據(jù)的拼合。 把以上掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以ASCII的格式從ATOS軟件里導(dǎo)出來轉(zhuǎn)入到Imageware軟件里，分別在3塊點(diǎn)云上制作對(duì)齊用曲線，并將點(diǎn)云及其曲線形成一個(gè)組，然后應(yīng)用STEPWISE方式進(jìn)行點(diǎn)云對(duì)齊。對(duì)齊點(diǎn)云渲染后如圖6所示。 把合拼好的點(diǎn)云用Circle-selec

6、t功能進(jìn)行處理，提取出需要的氣道部分。對(duì)提取出來的點(diǎn)云經(jīng)過去噪音點(diǎn)、過濾雜點(diǎn)即可開始進(jìn)行曲線的生成，提取處理后的點(diǎn)云如圖7所示。 以上提取出來的點(diǎn)云根據(jù)點(diǎn)云形狀采用parallel cross section cloud功能生成X、y、Z 3個(gè)方向上的截面點(diǎn)，如圖8所示。部分地方，如螺旋部分，為了保證生成片體的光順性，還需要用Circular cloud cross section生成以螺旋中心為旋轉(zhuǎn)中心的截面點(diǎn)，如圖9所示。2 特征曲線的構(gòu)建 對(duì)提取出的不同截面點(diǎn)云采用不同的方法生成截面曲線。主要有3種方式： 1)對(duì)于后期無需進(jìn)行匹配、參數(shù)化等處理的曲線采用均勻曲線(uniform curv

7、e)生成方式較適合。因?yàn)檫@種方法可以在保證一定光順性要求的前提下，利用其曲線與點(diǎn)云誤差分析的功能，設(shè)置合理的曲線階次和跨度值，生成達(dá)到精度要求的曲線； 2)如果曲線后期需要與其他曲線進(jìn)行連接，此操作會(huì)改變曲線的參數(shù)與形狀。為此，可采用基于公差(tolerance curve)的曲線生成方法，使該曲線初次生成時(shí)具有較高的精確度，為后期因連接產(chǎn)生的誤差打下基礎(chǔ)； 3)當(dāng)曲線本身的精確度和光順性要求不高時(shí)，一般也可采用空間B樣條曲線(3D B-SPLINE)生成方法，這種方法可以在生成過程中觀察生成的曲線與點(diǎn)云的重合程度，同時(shí)可以控制生成曲線的點(diǎn)數(shù)。 曲線的生成往往要經(jīng)歷初次生成一分析一調(diào)整一生成的

8、過程，從而達(dá)到一定的精確度與光順性要求，其生成流程通常如圖10所示。 圖10 曲線生成流程圖在許多時(shí)候，曲線需要進(jìn)一步連接才能作為生成曲面的特征線。曲線的連續(xù)性(決定了光順性)對(duì)后期生成的曲面具有直接的影響。匹配和橋接曲線時(shí)可直接選擇所需的連續(xù)性。對(duì)于已連接在一起的曲線，借助軟件的評(píng)估功能，通過曲線的曲率顯示線能很好地判斷曲線的連續(xù)情況。 曲線GO連續(xù)時(shí)，連接處的曲率顯示線之間有夾角，2曲線位置連續(xù)； 曲線G1連續(xù)時(shí)，曲率顯示線相互平行，但長(zhǎng)度不相等，2曲線相切； 曲線G2連續(xù)是連續(xù)的更高級(jí)別，醯率顯示線相互平行，且長(zhǎng)度相等。 為了保證生成的特征線的光順性，必須使2曲線至少G1連續(xù)。圖11為本

9、例中1條G1特征線生成前后的曲率顯示線分布圖。 3 曲面的生成 實(shí)物三維CAD模型重建是逆向工程中最關(guān)鍵、復(fù)雜的一環(huán)，具有工作量大、技術(shù)性強(qiáng)的特點(diǎn)，在建模前，應(yīng)詳細(xì)了解模型的前期信息和后繼應(yīng)用要求，確定相應(yīng)的反求方法。文中氣管件根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分成內(nèi)外2步分別建模，考慮到所建模型的最終目標(biāo)是制作模具，所以實(shí)物要反求成便于后期加工制造的曲面實(shí)體模型，且相鄰曲面間隙不超過005 mm。 曲面的生成一般也要根據(jù)生成的物體形狀，在不同的地方采用不同的命令。對(duì)于氣道，根據(jù)其形狀的特點(diǎn)，決定在形狀變化小且規(guī)則的地方采用loft curves命令，在螺旋氣道部分采用loft curves、swept和sur

10、face by boundary命令，在這2部分之間一般只用surface by boundary命令和surface fitWcloud and curves命令進(jìn)行連接表面的生成。每次形成氣道各個(gè)地方的片面時(shí)，均要對(duì)生成的片面與相應(yīng)范圍處的點(diǎn)云進(jìn)行質(zhì)量(即重合性)評(píng)估，最后還應(yīng)對(duì)整體進(jìn)行質(zhì)胃評(píng)估。如圖12所示。 4 快速成型 上述生成的片面用surfacer專用格式轉(zhuǎn)換軟件“freeform databridge utility”轉(zhuǎn)換成UGparasolid，導(dǎo)入U(xiǎn)G進(jìn)行分析、優(yōu)化，并進(jìn)行模具設(shè)計(jì)。 將設(shè)計(jì)好的氣道模具三維數(shù)模輸出為STL格式，導(dǎo)入insight專用分層軟件進(jìn)行分層處理，再把分好層的文件傳送到MAXUM FDM快速成型機(jī)內(nèi)進(jìn)行成型，成型好的模具即可在氣道試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行吹氣試驗(yàn)，以檢測(cè)其空氣流量系數(shù)和渦流比是否處于設(shè)計(jì)范圍，如圖13所示。 5 結(jié)語 應(yīng)用逆向工程和快速成型集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣道和不規(guī)則曲面的快速數(shù)字化，保證了氣道模型的準(zhǔn)確性和一致性，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)的速度和技術(shù)