快速原型技術(shù)(Rapid Prototyping，簡稱RP),就是借助計算機輔助設(shè)計，用曲面反求的方法采集得到有關(guān)零件的幾何形狀，一次性建立數(shù)字化掃描模型，達到快速、準確的制造信息零件的現(xiàn)代化方法。RP技術(shù)是當今世界上發(fā)展最快的制造技術(shù)，是近20年來制造技術(shù)領(lǐng)域的一次比較大的突破，是先進制造技術(shù)領(lǐng)域的重要前沿課題之一。RP技術(shù)的特點是由CAD模型直接驅(qū)動快速制造任意復雜的幾何形狀，基于這種方法，我們實驗室實現(xiàn)了槳油機進排氣道模具設(shè)計和加工。

　　發(fā)動機進排氣道形狀是影響發(fā)動機功率、扭矩、油耗、加速性能、排放、振動及噪聲等性能指標的重要因素之一。但其幾何形狀極不規(guī)則，難以用二維幾何圖形及數(shù)學解析式準確表達。目前，國內(nèi)引進的發(fā)動機很難獲得進排氣道的原始三維數(shù)據(jù)，通常是在二維圖上表達幾個截面，再提供一個或幾個樣品，難以直接根據(jù)產(chǎn)品功能和用途正向進行氣道三維造型和模具設(shè)汁制造。傳統(tǒng)的方法常需制造樣板經(jīng)過反復的試驗與修改，導致了產(chǎn)品精度低、模具尺寸形狀重復性差、開發(fā)周期長，最終導致發(fā)動機性能不能達到要求。為此我們在氣缸念些排氣道摸具設(shè)計中引人快速原型技術(shù)，使進排氣道模具設(shè)訓和加工實現(xiàn)數(shù)字化。

　　我們主要是通過實物反求(RE)獲得表面數(shù)據(jù)，然后在CATIA環(huán)境下實現(xiàn)逆向?qū)嶓w造型，將處理好的模型保存為通用文件格式，在Pro/E中進行模具設(shè)計，最后調(diào)人數(shù)控加工軟件MasteiCAM中進行NC加工，由MasterCAM后置處理模塊生成NC代碼，下面以柴油機排氣道為例說明其加工和設(shè)計過程。

　　1排氣道模型的表面數(shù)字化

　　采用無接觸激光儀掃描排氣道表面曲面，可對排氣道的不同位置區(qū)域進行掃描，把測量結(jié)果直接變換到目標坐標系，基于測量系統(tǒng)提供參考點進行拼接。測量系統(tǒng)本身自帶軟件可以對點云數(shù)據(jù)預處理，如:進行去噪和均化、冗余數(shù)據(jù)的壓縮和歸并、殘缺教據(jù)的平滑填補等處理，以剔除無用有害數(shù)據(jù).保留并優(yōu)化有效數(shù)據(jù)，減小測量誤差對三維建模精度影響，測得的點云數(shù)據(jù)以標準格式輸出。經(jīng)整理后的點云數(shù)據(jù)如圖1所示。

　　2三維模型重構(gòu)

　　曲面重構(gòu)的關(guān)鍵就是根據(jù)大規(guī)模散亂測點數(shù)據(jù)，重新構(gòu)造具有復雜曲面外形產(chǎn)品的三維計算機模型。從工程觀點評價曲面重構(gòu)的重要指標是模型的精確性、光順性、幾何不變性及對大規(guī)模散亂數(shù)據(jù)的重構(gòu)能力。排氣道的曲面重構(gòu)及實體化造型是在CATIA環(huán)境下完成的，其曲面重構(gòu)過程:(1)特征面識別。將點云劃分出若干個特征區(qū)域，用不同的顏色加以表示;(2)點云分塊。根據(jù)自動識別的特征區(qū)域，將數(shù)據(jù)點云分成若干小塊，以便分別處理;(3)分塊重構(gòu)特征面。對點云分塊分別進行重構(gòu)，得到許多獨立的三維曲面組合起來，通過倒角、縫合等操作使其光滑連接;這里要解決的主要問題是曲線的創(chuàng)建和診斷修改.只有滿足曲線光順，曲面才能光順，曲面與點云的吻合精度也主要靠曲線中關(guān)鍵特征線的提取和創(chuàng)建精度來保證。(4)曲面誤差分析。對已完成的曲面，進行曲面誤差分析，以在設(shè)計要求范圍內(nèi)控制擬合曲面與點云之間的誤差(0.lmm),最后完成由曲面向?qū)嶓w造型的轉(zhuǎn)化。

　　3 排氣道的模具設(shè)計

　　3.1建立模具體積塊

　　將排氣道在CATIA中另存為通用文件，然后將導人在通用文件Pro/E中打開，利用Pro/E數(shù)控模塊中CATING(鑄造模具設(shè)計)子模塊進行模具設(shè)計，使工件坐標系和模具坐標系一致，生成參考模型，用手動方式建立工件體積塊，"按尺寸收縮"方式去設(shè)置收縮率。設(shè)計加工鑄模澆注系統(tǒng)時，要使?jié)沧⑼ǖ滥軌蚩刂平饘僖撼涮铊T模型腔的速度及充滿鑄模型腔所需的時間，使金屬液平穩(wěn)地進人鑄模型腔，阻止熔渣和其他夾雜物進人鑄模型腔等。

　　3.2 排氣道的分型面設(shè)計

　　設(shè)計分模具分型面的用處主要是用來分割工件，從而生成用戶希望得到得體積塊，分型面選擇的合理與否，對造型工藝、鑄件質(zhì)量、工裝設(shè)備的設(shè)計與制作有著重要影響。分型面的選擇要在保證鑄件質(zhì)量的前提下，盡量簡化鑄造工藝過程，以節(jié)省人力物力。在選擇分型面時要考慮以下原則:分型面的選擇應保證模型能順利從鑄型中取出，這是確定分型面最基本的要求。因此，分型面應選在鑄件的最大截面處。應盡量使鑄件的全部或大部置于同一砂箱，以保證鑄件的尺寸精度。為便于造型、下芯、合箱及檢驗鑄件壁厚，應盡量使型腔及主要型芯位于下箱。Pro/E模具設(shè)計模塊提供了多種建立分型面的方法.根據(jù)上述分型面的設(shè)計工藝要求結(jié)合氣道的結(jié)構(gòu)特點，產(chǎn)生的分型面如圖2所示。

　　3.3 拆模

　　利用上述已經(jīng)建立的分型面將工件割開，形成模型腔體積塊，在圖形區(qū)中，型腔元件包含著鑄模，使用戶無法看到模具未閉合的狀態(tài)，可將各個模具元件以爆炸圖的形式顯示。即為開模。選擇菜單管理中的“模具進料孔”中的“分解”命令，然后選擇"打開下一個"選項，可以觀看分解過程。有了這些模具的三維數(shù)字模型，我們就可以利用MasterCAM系統(tǒng)編制相應的加工NC代碼，然后用先進快速的數(shù)控機床直接加工成型，有效地提高了加工質(zhì)量，縮短了加工周期(圖3)。

　　4 結(jié)語

　　本項目嘗試利用了多種軟件協(xié)同工作:點云處理、曲面造型、模具設(shè)計、數(shù)控加工分別使用不同的軟件，利用各個軟件所具備的優(yōu)點，取得了較理想的效果。實踐證明，運用RP技術(shù)和逆向工程相結(jié)合的設(shè)計制造方法，在沒有產(chǎn)品圖紙的情況下，可以進行進排氣道模具的數(shù)字化設(shè)計，并對之進行分析和優(yōu)化，進而在數(shù)控機床上進行加工，大大提高了模具精度，縮短了開發(fā)周期，從而快速響應市場，提高企業(yè)的競爭力。