基于曲面仿形测量的发动机气道逆向工程设计

渔夫 · 发表于 2010-3-16 09:11

梅德清蔡茂春赵卫东王忠
(江苏大学汽车学院，镇江212013)(江苏江动集团有限公司，盐城214063)
【摘要】介绍了仿形测量技术和复杂曲面重构技术，运用于发动机气道逆向工程设计实践中。发动机气道外形准确描述为后续CAM/CAE提供了必要基础和支撑，优化后CAD模型用于快速成型加工出样件。
【关键词】仿形测量;曲面重构;逆向工程;气道

1 概述
基于产品外形或机构的功能，建立传统的几何模型，是目前国际上流行的CAD软件的强项，这是正向工程设计。对具有复杂型面的产品，在设计阶段很难用严密、准确的数学语言来描述，设计者和生产者只能面对实物。由实物反求建立三维CAD模型，并通过快速成型技术制造出来的设计方法即为逆向工程。广义逆向工程包括影像逆向、软件逆向和实物逆向三种。
实物逆向工程主要包括以下4个方一面的核心技术:
(1)对象数字化(object digitization):指根据产品模型测量得到空间离散点数据。
(2)对象模型重构(object modeling):指根据空IfF离散点数据反求出产品的三维CAD模型。
(3)对象分析(object analysis):指将模型和设计特征用于产品面分析、有限元和工艺分析，对模型进行逼近调整和优化。
(4)对象加工(object manufacturing):指根据分对象的CAD模型生成NC加工代码，并将对象加工出来。
目前，逆向工程技术已经在下述领域得到应用:复制没有原始图纸记录的产品零件:对既有产品零件的分析、修改和再工程设计:产品的美术设计非常重要，往往先通过制造实际比例的木模或粘土模型来评价设计;对头盔、假肢等功能复杂、价格昂贵的产品进行人面拟合设计等。
发动机进排气系统对发动机的充量更换、混合气形成与燃烧等力一面具有决定性的影响。发动机气道布置空间受限，形状复杂，一般由木模或泥芯进行生产，长期以来成为发动机产品设计与制造中的薄弱环节之一，制约着发动机性能的改进与提高。
这里以发动机气道为研究对象，运用仿形测量技术和曲面重构技术得到气道CAD模型。复杂曲面实物外形的准确描述为后续CAE/CAM提供了必要的基础和支撑。在气道内流场分析的基础上进行修改、编辑，准确地再现设计者的意图。
2 对象表面信息采集
仿形测量是逆向工程的一个重要环节，关系到模型重构和表面再现的质量。对象表面信息采集的力一式主要有接触式测量与非接触式测量两种。接触式测量的典型代表是三座标仪，非接触式测量有光栅投影、激光扫描、CT和核磁共振等扫描力一法。
在这里的应用实践中，采用三座标测量仪CMM (CoordinateMeasuring Machine)，来获得发动机气道的表面数据。图1即为三座标仪测量系统的硬件组成。三座标仪可以达到很高的测量精度，但测量速度较慢，需要人工干预，还容易损伤测头和划伤被测零件表面。制造业已制定了DMIS(Dimensional MeasuringInterface Specification)尺寸测量接口规范作为质量检测信息和尺寸测量的标准。它为CAD系统与CMM提供了双向数据交换的格式，为不同厂商CAD系统与CMM的连接提供了通用的数据接口。

三座标测量仪的扫描操作是应用DMIS程序在被测物体表面的特定区域内进行数据点采集，该区域可以是一条线、一个面片、零件的一个截面、零件的曲线或距边缘一定距离的周线等。
扫描轨迹可采用行扫描或环形扫描力一式，具体视模型重构的数据采样要求而定。
检测点样本的分布和大小的制定原则是:首先满足精度要求，其次使样本尽可能小，以节省检测时间;对曲率变化特别大的区域和难加工区域，可进行补充插值检测。
扫描方式的选择，根据零件的扫描工艺而定。对于发动机气道这样具有复杂自由曲面外形的零件，很难在某一指定的位置进行测量。根据气道自身的特点，采用线面体结合的力一式进行定位，对实物模型进行了划分。具体测量步骤如下[3]:
(1)由气道本身外形特点把气道表面划分为若干部分:
(2)根据曲面拟合力一式对各个分面进行细分，在实物模型表面上划分多条网格线;
(3)确定三座标测量仪测量定位的基准，然后根据划分的网格线进行测量，若需平移或旋转模型时，重新测量定位基准。
测量过程应与造型结合起来考虑，使得能表现出形体特征的数据点能最大限度地满足造型需要。测量时还考虑尽量少地进行重新标定和再定位，尽量减少实物模型的定位和装夹时间。
3 曲面重构
CAD造型能够描述曲线、曲面、实体等几何拓扑信息，表达产品的纹理、质量、重心等信息，是CAE/CAM的必要基础。CAD建模有实体和线架两种模式，实体模式比线架模式更精确地表达三维物体。
发动机气道表面是复杂的自由曲面，无法由CAD软件直接建立三维模型。国际标准化组织1991年颁布的关于工业产品数据交换的STEP标准，把非均匀有理B样条(NURBS)曲线作为定义工业产品几何形状的唯一数学方法。NURBS曲线是一个向量值分段的有理多项式函数:

式中，Pi是特征多边形顶点位置矢量：Wi是控制点pi的权重因子：k为B样条基函数次数：Ni　i(u)是k次B样条基函数。Wi初始状态取值为l，在调整阶段适当选取值，Wi越大，曲面越靠近控制顶点。
　　给定空间数据点

，写出曲线方程，通过高斯消元法求解，就得到控制顶点户Pi，从而得到UNRBS曲线。NURBS曲线可通过修改制点和修改权因子来灵活改变形状，对插入切点、修改、分割和几何插值等的处理较为有利。
　　由测量得到的离散点构造物体表面的形状，有以下4种方法[4]：
　　(a)由点定义出一维特征曲线，然后再由曲线构造曲面；
　　(b)直接由点插值拟合曲面；
　　(c)先由点生成多边形网络，然和再用一组曲面片拟合这些多边形网络：
　　(d)上述两种或三种方法的组合。
由特征曲线构造曲面较好地反映出物体的表面特征，并可获得较好的表面边界，但只能用于具有相应几何特征的曲面。根据局部特征点拟合出一组曲线，可能导致拟合精度及可靠性问题。直接由点拟合NURBS曲面时，可拟合出任意曲面形状，但在曲面边缘效果不理想。在第三种力一法中，多边形网格(通常为三角形网格)可自动生成，但这种力一法对所采集点的完整性及均匀性要求较高，否则难以获得有效的多边形网格。另外，由多边形网格找出物体表面边界亦存在一定的困难。
根据物体表面特征，将上述两种或三种力一法组合在一起，可较好地克服各自所存在的缺陷。可先定义出表面边界曲线，然后由该边界曲线和该边界内所包含的点来拟合出相应的曲面，这样可获得较好的拟合结果。
图2为通过仿形测量经ug商业软件曲面重新生成后的气道CAD模型[5]。使用高级造型软件，可以直接在计算机上获得产品造型的各种属性，实时地显示、修改虚拟产品的CAD模型。

4 快速成型加工
对已建立起CAD模型的复杂曲面实物，可通过快速成型技术生产出来。快速成型(RP)制造思想来源于将三维实体截成一系列连续薄切片的逆过程。首先对实体的三维CAD模型进行分层处理，获得实体的二维截面数据信息，然后根据每一层的截面数据，生成与该层截面形状一致的薄片，反复进行这一过程，薄片逐层累加，直至“生长”出所需实体零件。
在快速成型制造过程中，能量是一个关键因素[6]。传统的去除成型或受迫成型加工，能量是被动供给的，一般无须对加工能量进行精确预测与控制;而在离散/堆积型的快速成型制造中，单元体制造的能量是主动供给的，需要精确地预测和控制。
目前比较成熟的RP技术工艺有:液态激光树脂选择性固化(SLA),叠层制造(LOM)、粉末材料选择性激光烧结(SLS),熔融沉积成型(FDM)、三维印刷(3DP)、形状沉积制造工艺(SDM)、轮廓成型工艺(CC),激光近形制造技术(LENS)等。
这里采用LOM快速成型制造工艺，如图3所示，制造出经仿形测量、曲面重构并分析修改后的气道CAD模型所应的实物。快速成型技术与逆向工程等技术相结合，为制造业的发展提供了新的技术支持，快速成型技术极大地缩短了新产品研发周期。

5 结论
(1)逆向工程技术实现了复杂曲面实物的CAD模型的精确描述。基于逆向工程和快速成型制造技术提供了一条从产品实物直接制造和改进产品的新的概念和力一法，并把产品的设计和加工工艺集成到CAD/CAE/CAM的系统内。
(2)基于逆向工程获得的CAD模型的质量除了取决于CAD设计人员的技术与经验之外，很大程度上还取决于测量工具与手段。
(3)建立发动机气道模型数据库，为发动机整机性能的提高作贡献。

whl1080744 · 发表于 2013-8-18 09:04

啥也不说了，楼主就是给力！

holon_zbc · 发表于 2013-8-21 08:43

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holon_zbc · 发表于 2013-8-21 08:49

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