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

　　針對汽車缸蓋氣道芯子的特點，利用光柵結(jié)構(gòu)光掃描儀，測出點云數(shù)據(jù)，然后將測量的點云數(shù)據(jù)用Geomagic軟件進行各項優(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。實現(xiàn)了汽車缸蓋氣道芯子由實物到點云、再由點云到三維模型及模具的快速逆向設(shè)計。

　　1 引言

　　汽車工業(yè)是現(xiàn)代發(fā)展很快、技術(shù)含量很高的產(chǎn)業(yè)，汽車的產(chǎn)量將越來越大。氣缸是汽車的核心部件，其形狀非常復雜，技術(shù)要求高，它的質(zhì)量直接影響汽車的性能和質(zhì)量。缸蓋是氣缸的重要組成部分，同樣形狀復雜，技術(shù)要求高。缸蓋的生產(chǎn)，特別是轎車缸蓋的生產(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脂砂芯。對缸蓋而言，有水夾套、進氣道、排氣道等砂芯。而進排氣道的形狀相對缸蓋的整體性能來講是很重要的。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、復雜性及制造精度，降低了產(chǎn)品研制開發(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)計開發(fā)模式，成為現(xiàn)代企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品的重要設(shè)計手段。

　　2 產(chǎn)品對象的數(shù)字化

　　針對汽車4100發(fā)動機缸蓋氣道沙芯，在產(chǎn)品的對象數(shù)字化過程中。首先在進行曲面的測量和造型之前，必須對曲面進行分析，劃分曲面的類型并對曲面進行適當分塊，從而為后續(xù)的曲面測量和造型做準備。氣道砂型精度要求比較高，因為他的形狀直接決定了發(fā)動機的性能要求。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量組成原理：光源照射光柵，經(jīng)過投射系統(tǒng)將光柵條紋投射到被測物體上，經(jīng)過被測物體形面調(diào)制形成測量條紋，由雙目攝像機接受測量條紋，應用特征匹配技術(shù)、外極線約束準則和立體視覺技術(shù)獲得測量曲面的三維數(shù)據(jù)。氣道沙芯的曲面均為復雜不規(guī)則曲面，用一般的接觸式測量儀能造成部分死角無法獲取數(shù)據(jù)，導致最終氣道設(shè)計誤差的增大。用結(jié)構(gòu)光測量儀可以降低誤差，而且獲取數(shù)據(jù)的時間比較短。此氣道采用貼小球的方法測量多次，最后，用GEOMAGIC專業(yè)逆向軟件進行定位組合。

4100 缸蓋排氣沙芯

4100 缸蓋進氣沙芯

　　獲取數(shù)據(jù)的過程如下：利用3dss測量機的測量軟件進行氣道沙芯數(shù)據(jù)的獲取。此軟件每測完一次將手動保存文件。在測量時根據(jù)氣道沙芯的外型特征，可自行調(diào)整測量位置。將導出的ASC格式輸入GEOMAGIC專業(yè)逆向工程軟件進行點的修補和拼合。經(jīng)過GEOMAIGC處理之后的面輸入三維設(shè)計軟件CATIA中進行實體的構(gòu)建。在CATIA中進行氣道芯子模具的設(shè)計。

　　3 Geomagic軟件簡介

　　Geomagic Studio是美國Raindrop Geomagic軟件公司開發(fā)的專業(yè)逆向工程軟件，該軟件是目前對點云處理及三維曲面構(gòu)建功能最強大的商業(yè)軟件，是唯一一款直接有點到面的逆向?qū)I(yè)處理軟件。

　　Geomagic Studio 軟件支持所有來自3D數(shù)字捕獲器、數(shù)碼相機及掃描儀的XYZ / ASCII數(shù)據(jù)格式，并能處理有序曲面、無序曲面和體數(shù)據(jù)。通過加載預先定義的轉(zhuǎn)換矩陣，簡化掃描數(shù)據(jù)的方位，利用1 點和n 點進行手動多點注冊，利用目標位置注冊及全球坐標系統(tǒng)注冊進行自動的多點注冊自動的融合多個掃描。從點云到最終生成表面模型，整個過程的逆向工程處理完全自動化。

　　4 產(chǎn)品對象的模型重構(gòu)

　　4.1 氣道砂型的逆向造型

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

進氣道砂型點云

排氣道砂型點云

　　4.2 在POINTS 狀態(tài)下的優(yōu)化處理

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

　　一般要進行去除噪點(Reduce Noise)及統(tǒng)一取樣(Uniform Sample)的操作。過密的點云不但計算量大，而且可能影響其光順性。而利用數(shù)據(jù)點云進行曲面重構(gòu)、三角網(wǎng)格構(gòu)造或評價被測曲面的誤差，不需要過密的數(shù)據(jù)點，因此，精簡測量數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)預處理的重要工作之一，可用采樣來減少對象中的點數(shù)量，保持零件的精確性。在具體操作時要根據(jù)樣件的不同特性。選擇應用取樣的命令。在所有的點的優(yōu)化處理結(jié)束之后，要進行多次測量點的合并(Merge)。用此命令可以使多次測量重合的點能自動選擇保留和刪除不需要的點。并能自動轉(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)格點云光順、修邊、補洞、多邊形簡化、按曲率或角度選擇、反選等等功能命令。有很多技巧。因為網(wǎng)格處理的效果，直接影響了后期NURBS曲面的質(zhì)量和精度。如果點光順的頻率和強度過多，就會影響最終產(chǎn)品的精度。如果一味的為了精度。就會使最終的NURBS曲面質(zhì)量極差，無法達到產(chǎn)品的客觀要求。

　　4.4 創(chuàng)建和輸出NURBS 曲面

　　通過對多邊形模型編輯和修復，即可在多邊形對象上創(chuàng)建NURBS曲面。進入Shape Phase形狀階段來開始曲面擬合過程，在這個工作界面下，關(guān)鍵是在軟件自動劃分網(wǎng)格面后，要分析樣件，根據(jù)氣道的外形特征進行面片的重新劃分、重組、合并等操作。最后軟件分析面片的合理性和容錯性。應用repair patches命令檢驗和優(yōu)化面片。建立了曲面化的模型后，還需要對點云進行誤差分析，滿足精度要求后把這個曲面數(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，生成實體。

進氣道砂型實體

排氣道砂型實體

　　5 CNC加工模具數(shù)據(jù)

　　在砂型的模型圖設(shè)計完成后，要對他進行于點云的比對分析或通過制作快速成型，以此來驗證模型數(shù)據(jù)的準確形。最終要進行芯盒的設(shè)計和加工。

進氣道下芯盒

進氣道上芯盒

排氣道上芯盒

排氣道下芯盒

　　6 結(jié)語

　　通過逆向工程技術(shù)在氣道砂型設(shè)計中的應用，實現(xiàn)了在沒有產(chǎn)品圖的情況下，可得到精確的數(shù)字化產(chǎn)品模型，利用先進的光柵結(jié)構(gòu)光掃描儀及專業(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)計效率，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。實現(xiàn)了從產(chǎn)品設(shè)計到加工整個過程信息流流暢快捷的目標，提高了制造精度。使我們能夠設(shè)計像氣道這樣具有復雜型面的零件，并能夠?qū)λ@得的國內(nèi)外優(yōu)良氣道進行描敘、歸類、分析和綜合。并據(jù)此能設(shè)計和加工出適合企業(yè)需要的優(yōu)良氣道，從而對汽車發(fā)動機性能的提高做出貢獻，因而具有極大的現(xiàn)實意義。