本文探討研究了汽車(chē)缸蓋氣道芯子在Geomagic中的逆向工程設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容。

　　針對(duì)汽車(chē)缸蓋氣道芯子的特點(diǎn)，利用光柵結(jié)構(gòu)光掃描儀，測(cè)出點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后將測(cè)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)用Geomagic軟件進(jìn)行各項(xiàng)優(yōu)化處理，創(chuàng)建多邊形網(wǎng)格及NURBS曲面，然后利用CATIA軟件的曲面造型功能，做出CAD模型。實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)缸蓋氣道芯子由實(shí)物到點(diǎn)云、再由點(diǎn)云到三維模型及模具的快速逆向設(shè)計(jì)。

　　1 引言

　　汽車(chē)工業(yè)是現(xiàn)代發(fā)展很快、技術(shù)含量很高的產(chǎn)業(yè)，汽車(chē)的產(chǎn)量將越來(lái)越大。氣缸是汽車(chē)的核心部件，其形狀非常復(fù)雜，技術(shù)要求高，它的質(zhì)量直接影響汽車(chē)的性能和質(zhì)量。缸蓋是氣缸的重要組成部分，同樣形狀復(fù)雜，技術(shù)要求高。缸蓋的生產(chǎn)，特別是轎車(chē)缸蓋的生產(chǎn)，一般采用金屬型、砂芯、鋁合金鑄造。砂芯一般采用熱芯盒樹(shù)脂砂芯。對(duì)缸蓋而言，有水夾套、進(jìn)氣道、排氣道等砂芯。而進(jìn)排氣道的形狀相對(duì)缸蓋的整體性能來(lái)講是很重要的。因此這種異性曲面用一般的方法制造。其結(jié)果誤差是很大的。因此這種異形曲面需采用逆向工程技術(shù)快速完成數(shù)字建模，加快了新產(chǎn)品的更新?lián)Q代，提高了產(chǎn)品外觀的新穎性、復(fù)雜性及制造精度，降低了產(chǎn)品研制開(kāi)發(fā)的周期和成本。逆向工程技術(shù)的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)模式，成為現(xiàn)代企業(yè)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的重要設(shè)計(jì)手段。

　　2 產(chǎn)品對(duì)象的數(shù)字化

　　針對(duì)汽車(chē)4100發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋氣道沙芯，在產(chǎn)品的對(duì)象數(shù)字化過(guò)程中。首先在進(jìn)行曲面的測(cè)量和造型之前，必須對(duì)曲面進(jìn)行分析，劃分曲面的類(lèi)型并對(duì)曲面進(jìn)行適當(dāng)分塊，從而為后續(xù)的曲面測(cè)量和造型做準(zhǔn)備。氣道砂型精度要求比較高，因?yàn)樗男螤钪苯記Q定了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求。因此我們采用了光柵結(jié)構(gòu)光掃描儀。三維掃描儀光柵編碼法測(cè)量組成原理：光源照射光柵，經(jīng)過(guò)投射系統(tǒng)將光柵條紋投射到被測(cè)物體上，經(jīng)過(guò)被測(cè)物體形面調(diào)制形成測(cè)量條紋，由雙目攝像機(jī)接受測(cè)量條紋，應(yīng)用特征匹配技術(shù)、外極線約束準(zhǔn)則和立體視覺(jué)技術(shù)獲得測(cè)量曲面的三維數(shù)據(jù)。氣道沙芯的曲面均為復(fù)雜不規(guī)則曲面，用一般的接觸式測(cè)量?jī)x能造成部分死角無(wú)法獲取數(shù)據(jù)，導(dǎo)致最終氣道設(shè)計(jì)誤差的增大。用結(jié)構(gòu)光測(cè)量?jī)x可以降低誤差，而且獲取數(shù)據(jù)的時(shí)間比較短。此氣道采用貼小球的方法測(cè)量多次，最后，用GEOMAGIC專(zhuān)業(yè)逆向軟件進(jìn)行定位組合。

4100 缸蓋排氣沙芯

4100 缸蓋進(jìn)氣沙芯

　　獲取數(shù)據(jù)的過(guò)程如下：利用3dss測(cè)量機(jī)的測(cè)量軟件進(jìn)行氣道沙芯數(shù)據(jù)的獲取。此軟件每測(cè)完一次將手動(dòng)保存文件。在測(cè)量時(shí)根據(jù)氣道沙芯的外型特征，可自行調(diào)整測(cè)量位置。將導(dǎo)出的ASC格式輸入GEOMAGIC專(zhuān)業(yè)逆向工程軟件進(jìn)行點(diǎn)的修補(bǔ)和拼合。經(jīng)過(guò)GEOMAIGC處理之后的面輸入三維設(shè)計(jì)軟件CATIA中進(jìn)行實(shí)體的構(gòu)建。在CATIA中進(jìn)行氣道芯子模具的設(shè)計(jì)。

　　3 Geomagic軟件簡(jiǎn)介

　　Geomagic Studio是美國(guó)Raindrop Geomagic軟件公司開(kāi)發(fā)的專(zhuān)業(yè)逆向工程軟件，該軟件是目前對(duì)點(diǎn)云處理及三維曲面構(gòu)建功能最強(qiáng)大的商業(yè)軟件，是唯一一款直接有點(diǎn)到面的逆向?qū)I(yè)處理軟件。

　　Geomagic Studio 軟件支持所有來(lái)自3D數(shù)字捕獲器、數(shù)碼相機(jī)及掃描儀的XYZ / ASCII數(shù)據(jù)格式，并能處理有序曲面、無(wú)序曲面和體數(shù)據(jù)。通過(guò)加載預(yù)先定義的轉(zhuǎn)換矩陣，簡(jiǎn)化掃描數(shù)據(jù)的方位，利用1 點(diǎn)和n 點(diǎn)進(jìn)行手動(dòng)多點(diǎn)注冊(cè)，利用目標(biāo)位置注冊(cè)及全球坐標(biāo)系統(tǒng)注冊(cè)進(jìn)行自動(dòng)的多點(diǎn)注冊(cè)自動(dòng)的融合多個(gè)掃描。從點(diǎn)云到最終生成表面模型，整個(gè)過(guò)程的逆向工程處理完全自動(dòng)化。

　　4 產(chǎn)品對(duì)象的模型重構(gòu)

　　4.1 氣道砂型的逆向造型

　　用Geomagic軟件造型時(shí)，首先讀入所有測(cè)得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后以造型曲面分析為基礎(chǔ)進(jìn)行砂型的逆向造型。

進(jìn)氣道砂型點(diǎn)云

排氣道砂型點(diǎn)云

　　4.2 在POINTS 狀態(tài)下的優(yōu)化處理

　　在掃描過(guò)程中，由于擺放位置的關(guān)系或被掃描物體表面準(zhǔn)備處理不好，會(huì)產(chǎn)生噪聲點(diǎn)。在一個(gè)曲面對(duì)象中粗糙的、不均勻的表現(xiàn)就是噪音點(diǎn)數(shù)據(jù)。噪聲點(diǎn)的存在將影響工件表面質(zhì)量，必須去除。

　　一般要進(jìn)行去除噪點(diǎn)(Reduce Noise)及統(tǒng)一取樣(Uniform Sample)的操作。過(guò)密的點(diǎn)云不但計(jì)算量大，而且可能影響其光順性。而利用數(shù)據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行曲面重構(gòu)、三角網(wǎng)格構(gòu)造或評(píng)價(jià)被測(cè)曲面的誤差，不需要過(guò)密的數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此，精簡(jiǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)預(yù)處理的重要工作之一，可用采樣來(lái)減少對(duì)象中的點(diǎn)數(shù)量，保持零件的精確性。在具體操作時(shí)要根據(jù)樣件的不同特性。選擇應(yīng)用取樣的命令。在所有的點(diǎn)的優(yōu)化處理結(jié)束之后，要進(jìn)行多次測(cè)量點(diǎn)的合并(Merge)。用此命令可以使多次測(cè)量重合的點(diǎn)能自動(dòng)選擇保留和刪除不需要的點(diǎn)。并能自動(dòng)轉(zhuǎn)換到封裝(Wrap)的界面中。

　　4.3 創(chuàng)建多邊形網(wǎng)格的優(yōu)化處理

進(jìn)氣道砂型網(wǎng)格

排氣道砂型網(wǎng)格

　　在此工作界面下有很多如何使網(wǎng)格點(diǎn)云光順、修邊、補(bǔ)洞、多邊形簡(jiǎn)化、按曲率或角度選擇、反選等等功能命令。有很多技巧。因?yàn)榫W(wǎng)格處理的效果，直接影響了后期NURBS曲面的質(zhì)量和精度。如果點(diǎn)光順的頻率和強(qiáng)度過(guò)多，就會(huì)影響最終產(chǎn)品的精度。如果一味的為了精度。就會(huì)使最終的NURBS曲面質(zhì)量極差，無(wú)法達(dá)到產(chǎn)品的客觀要求。

　　4.4 創(chuàng)建和輸出NURBS 曲面

　　通過(guò)對(duì)多邊形模型編輯和修復(fù)，即可在多邊形對(duì)象上創(chuàng)建NURBS曲面。進(jìn)入Shape Phase形狀階段來(lái)開(kāi)始曲面擬合過(guò)程，在這個(gè)工作界面下，關(guān)鍵是在軟件自動(dòng)劃分網(wǎng)格面后，要分析樣件，根據(jù)氣道的外形特征進(jìn)行面片的重新劃分、重組、合并等操作。最后軟件分析面片的合理性和容錯(cuò)性。應(yīng)用repair patches命令檢驗(yàn)和優(yōu)化面片。建立了曲面化的模型后，還需要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行誤差分析，滿(mǎn)足精度要求后把這個(gè)曲面數(shù)據(jù)輸入到CAD系統(tǒng)中，與 CATIA軟件結(jié)合使用，因此，轉(zhuǎn)換成IGES格式，在CATIA軟件里將片體縫合，生成實(shí)體。

進(jìn)氣道砂型實(shí)體

排氣道砂型實(shí)體

　　5 CNC加工模具數(shù)據(jù)

　　在砂型的模型圖設(shè)計(jì)完成后，要對(duì)他進(jìn)行于點(diǎn)云的比對(duì)分析或通過(guò)制作快速成型，以此來(lái)驗(yàn)證模型數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確形。最終要進(jìn)行芯盒的設(shè)計(jì)和加工。

進(jìn)氣道下芯盒

進(jìn)氣道上芯盒

排氣道上芯盒

排氣道下芯盒

　　6 結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)逆向工程技術(shù)在氣道砂型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了在沒(méi)有產(chǎn)品圖的情況下，可得到精確的數(shù)字化產(chǎn)品模型，利用先進(jìn)的光柵結(jié)構(gòu)光掃描儀及專(zhuān)業(yè)逆向工程軟件Geomagic和CAD軟件CATIA的相互結(jié)合，顯著提高設(shè)計(jì)效率，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。實(shí)現(xiàn)了從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到加工整個(gè)過(guò)程信息流流暢快捷的目標(biāo)，提高了制造精度。使我們能夠設(shè)計(jì)像氣道這樣具有復(fù)雜型面的零件，并能夠?qū)λ@得的國(guó)內(nèi)外優(yōu)良?xì)獾肋M(jìn)行描敘、歸類(lèi)、分析和綜合。并據(jù)此能設(shè)計(jì)和加工出適合企業(yè)需要的優(yōu)良?xì)獾溃瑥亩鴮?duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高做出貢獻(xiàn)，因而具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。