霍英賢

（奇瑞汽車股份有限公司 發(fā) 動(dòng)機(jī)工程研究院，安徽 蕪 湖 241006）

0 引 言

由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且在發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部，不易觀察和測量，常規(guī)情況下，通過多次臺架試驗(yàn)驗(yàn)證燃燒系統(tǒng)的好壞，該方法周期較長，成本較高，且難以確定成品燃燒系統(tǒng)與理論設(shè)計(jì)燃燒系統(tǒng)的具體差異程度。

針對現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本文采用逆向工程對成品燃燒系統(tǒng)進(jìn)行模型重建，并利用逆向軟件將燃燒系統(tǒng)模型進(jìn)行對比，得出燃燒系統(tǒng)的誤差程度，并確定準(zhǔn)確的燃燒系統(tǒng)逆向方法，為發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)及產(chǎn)品制造提供有力支持。

1 燃燒系統(tǒng)的逆向

1.1 燃燒系統(tǒng)的拓模

本文以Chery公司生產(chǎn)的某款TGDI汽油機(jī)燃燒系統(tǒng)作為逆向?qū)ο蟆Ｈ紵到y(tǒng)拓膜所采用的材料為Essil 291Resin硅膠與Essil 293Catalyst凝固劑。

拓膜前可根據(jù)缸蓋燃燒系統(tǒng)的體積，估算硅膠用量，避免出現(xiàn)硅膠量過多造成浪費(fèi)或硅膠量過少而不夠用的現(xiàn)象。在拓模中，硅膠與凝固劑的比例控制是拓膜中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，因拓膜質(zhì)量的好壞直接影響后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集情況。同時(shí)，硅膠與凝固劑的比例選擇要根據(jù)環(huán)境溫度、燃燒系統(tǒng)類型以及凝固所需時(shí)間等多種情況進(jìn)行綜合判定。在拓模過程中，若使用的硅膠硬度過大，可導(dǎo)致模型無法從燃燒系統(tǒng)取出；若硬度過小，模型較軟，導(dǎo)致采集點(diǎn)云過程中無法定位，影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。

1.2 剖切燃燒系統(tǒng)

在成品缸蓋的燃燒系統(tǒng)中，氣道布置在缸蓋的內(nèi)部，若直接對成品缸蓋氣道進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，只能采集氣道的部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)，無法采集到氣道的全點(diǎn)云數(shù)據(jù)。故需對缸蓋氣道進(jìn)行剖切，然后對剖切部分進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，以獲得氣道全點(diǎn)云數(shù)據(jù)。本文中，燃燒系統(tǒng)的剖切可采用線切割機(jī)床，線切割機(jī)床速度慢，但切割精度高，剖切的縫隙較小，大約為0.2mm。

剖切前觀察缸蓋及燃燒系統(tǒng)的形狀，對其進(jìn)行前期剖切分析評估，確定缸蓋具體剖切位置。剖切時(shí)，在保證能夠獲得全點(diǎn)云數(shù)據(jù)的情況下，盡量減少燃燒系統(tǒng)的剖切數(shù)量，這樣可減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接時(shí)的誤差。剖切原則是以最少的刀數(shù)呈現(xiàn)最多的燃燒系統(tǒng)內(nèi)表面。剖切完畢，使燃燒系統(tǒng)表面完全呈現(xiàn)出來，以便采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)。本文以缸蓋其中一缸作為分析對象，對單缸進(jìn)行剖切。

2 燃燒系統(tǒng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集

目前，掃描設(shè)備根據(jù)測量方式分為接觸式和非接觸式2種。

接觸式掃描設(shè)備的測量精度高，可達(dá)0.02mm，有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，但測量速度比較慢，同時(shí)對曲面細(xì)節(jié)部分不易采集，并對測量物體表面硬度要求較高，不適合測量軟質(zhì)表面［1］。非接觸式掃描設(shè)備的特點(diǎn)：面型測量，即每次可測量一個(gè)面型范圍，測量速度較快，曲面數(shù)據(jù)容易獲得，可不接觸工件表面，直接對工件進(jìn)行測量，但測量精度較低，無法判定特定的幾何特征。

因硅膠模型強(qiáng)度和硬度較小，不適合采用接觸式掃描設(shè)備對其進(jìn)行測量，因此本文采用德國GOM公司的ATOS非接觸式掃描儀。該設(shè)備采用可見光，將特定的光柵條紋投影到測量工件表面，借助2個(gè)高分辨率CCD數(shù)碼相機(jī)對光柵干涉條紋進(jìn)行拍照，利用光學(xué)拍照定位技術(shù)和光柵測量原理，可獲得復(fù)雜工件表面的全點(diǎn)云。ATOS掃描儀的主要優(yōu)點(diǎn)有：結(jié)構(gòu)簡單，便于攜帶；測量效率高；測量范圍大；同時(shí)該設(shè)備可隨意繞被測工件進(jìn)行移動(dòng)［2］。

在進(jìn)行掃描前，觀察所要掃描模型的形狀復(fù)雜度、表面敏感度及掃描環(huán)境等。如果表面反光可在模型表面噴灑顯像劑，以便得到更好的掃描效果。同時(shí)在掃描過程中，保證工作環(huán)境的溫度和光線穩(wěn)定性，以免影響掃描精度和速度。可以說點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量直接影響著后續(xù)曲面造型情況，因此獲得良好點(diǎn)云數(shù)據(jù)可提高曲面造型的速度和質(zhì)量［3］。

對于剖切的燃燒系統(tǒng)，為保證剖切后燃燒系統(tǒng)各個(gè)部分的點(diǎn)云位置關(guān)系，在缸蓋剖切前需進(jìn)行整體式點(diǎn)云采集，以整體式采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為后期各個(gè)部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)對齊基準(zhǔn)，可有效地保證各個(gè)部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)的對齊精度。同時(shí)，因燃燒系統(tǒng)是不規(guī)則工件，為了得到燃燒系統(tǒng)的完整點(diǎn)云，需對其進(jìn)行多次點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)對齊過程中，需檢測整體點(diǎn)云與部分點(diǎn)云間的誤差，確保對齊誤差在0.02mm左右，以免引起點(diǎn)云誤差量過大。

3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理及模型重建

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理是模型重建中的重要環(huán)節(jié)，其結(jié)果直接影響到后期模型重建質(zhì)量，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理包括點(diǎn)云的讀入、點(diǎn)云噪聲的刪除、多邊形階段及形狀階段等［4］。本文對點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及模型的重建采用Geomagic Studio軟件。

3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的讀入

將采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)讀入到Geomagic Studio中，導(dǎo)入后的原始數(shù)據(jù)可保存為＊.wrp格式。

3.2 散亂點(diǎn)云噪聲數(shù)據(jù)的刪除

在掃描過程中由于各種人為或隨機(jī)影響因素，不可避免地會(huì)引入掃描噪聲，這部分約占點(diǎn)云數(shù)據(jù)總量的0.1%～5%，故要減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)的噪音，以降低或消除噪音對重建模型的影響［5］。同時(shí)，可將點(diǎn)云放大，變換各個(gè)角度以便觀察到整個(gè)三維空間的噪聲點(diǎn)，針對各個(gè)噪聲點(diǎn)，采用“減少噪聲”功能將其刪除。

3.3 多邊形階段

將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，擬合成光滑的多邊形曲面形狀，并根據(jù)外形對其進(jìn)行處理。

（1）通過工具－基準(zhǔn)－創(chuàng)建基準(zhǔn)命令，創(chuàng)建基準(zhǔn)平面和基準(zhǔn)軸。

（2）通過多邊形－平面截面命令，截取不需要的數(shù)據(jù)，并刪除多余部分的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

（3）通過多邊形－去除特征、填充孔、修復(fù)相交區(qū)域等命令，對封裝的點(diǎn)云數(shù)據(jù)修補(bǔ)和完善。

多邊形階段是個(gè)重要的階段，對象必須具有很好的質(zhì)量，這樣才能進(jìn)入下一個(gè)形狀階段，為非統(tǒng)一 有 理 B 樣 條 （Non－Uniform Ratiopal BSplines，簡稱NURBS）曲面做準(zhǔn)備。

3.4 形狀階段

形狀階段可使NURBS曲面構(gòu)建成開放或封閉的對象。在形狀階段，以一種布局相似的方法來布局四邊曲面片從而表現(xiàn)一個(gè)形狀。一種多個(gè)分辨率網(wǎng)格結(jié)構(gòu)可放在每個(gè)曲面片上，并通過NURBS擬合每個(gè)曲面片［6］。NURBS曲面可作為IGES文件輸出，并可輸入到任何CAD／CAM或可視化系統(tǒng)中。

（1）曲率及輪廓線的探測。模型重建過程中，模型上的輪廓線將最終成為產(chǎn)生NURBS曲面結(jié)構(gòu)的型線。一般輪廓線是由模型上的高曲率變化決定的，將模型分成低曲率變化區(qū)域，并用一組光滑的曲面片呈現(xiàn)出來，同時(shí)，在處理過程中盡可能將輪廓線變成封閉的環(huán)。輪廓線處理階段如圖1所示。

圖1 輪廓線處理階段

（2）曲面片的構(gòu)建。在創(chuàng)建NURBS曲面中，關(guān)鍵是把多邊形模型分解為四邊形曲面片。曲面片均由4條曲面片邊界的多義線圍成，其中曲面片邊界在多邊形曲面上呈現(xiàn)出來，這些曲面片可構(gòu)建成NURBS框架。在曲面片的創(chuàng)建過程中，根據(jù)指定曲面片數(shù)量，可使模型中所有重要的特征在曲面片邊界標(biāo)記出來。構(gòu)建曲面片階段如圖2所示。

（3）柵格的構(gòu)造。構(gòu)建格柵時(shí)把格柵放置在被定義的邊界曲面片內(nèi)，柵格的相交點(diǎn)能準(zhǔn)確地定位在多邊形對象曲面上，并用于計(jì)算NURBS曲面的樣條線。柵格越密，捕獲和呈現(xiàn)在NURBS曲面上的細(xì)節(jié)就越多［7］。柵格計(jì)算完成后，通過NURBS命令可以計(jì)算最終的NURBS曲面。構(gòu)造柵格如圖3所示。

圖2 構(gòu)建曲面片階段

圖3 構(gòu)造柵格

（4）NURBS的構(gòu)建。Geomagic Studio可自動(dòng)處理最終的NURBS計(jì)算。NURBS構(gòu)建會(huì)使曲面片邊界和角連續(xù)，保證模型的構(gòu)建。在NURBS曲面階段的文件，可與PROE、CATIA等應(yīng)用軟件進(jìn)行兼容，可處理完善。構(gòu)建NURBS如圖4所示。

圖4 構(gòu)建NURBS

4 燃燒系統(tǒng)的誤差分析

在Geomagic Studio軟件中，利用軟件中的3D分析工具，對逆向得到的燃燒系統(tǒng)模型與理論設(shè)計(jì)的燃燒系統(tǒng)模型進(jìn)行誤差分析。

4.1 計(jì)算原理

在曲面對比中，將理論模型中的參數(shù)與逆向的模型參數(shù)相比較即得出模型的誤差?？梢杂脴?biāo)準(zhǔn)差來評估曲面的誤差，或者用平均誤差來評價(jià)曲面的誤差。標(biāo)準(zhǔn)誤差［8］為：

其中，n為模型中數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；ei為第i點(diǎn)的擬合誤差。

4.2 結(jié)果分析

為了直觀地表達(dá)兩曲面的誤差程度，可以用不同的彩色云圖表示，根據(jù)曲面上的顏色可了解曲面各個(gè)部分誤差的分布情況。

經(jīng)分析剖切方式得到的氣道模型標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.281mm，該誤差基本是由鑄造誤差引起的，定義為鑄造誤差，而實(shí)際生產(chǎn)中氣道模型允許鑄造誤差為0.8mm。同時(shí)，經(jīng)分析剖切方式得到的燃燒室模型標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.182mm，而實(shí)際生產(chǎn)中燃燒室模型允許鑄造誤差為0.6mm。

經(jīng)以上分析可知，燃燒系統(tǒng)鑄造誤差均在允許誤差論燃燒系范圍內(nèi)，符合其設(shè)計(jì)要求。剖切方式與理統(tǒng)誤差分析如圖5所示。

圖5 剖切方式與理論燃燒系統(tǒng)誤差分析

進(jìn)一步，對通過拓模方式得到的燃燒系統(tǒng)模型與剖切方式得到的燃燒系統(tǒng)模型進(jìn)行誤差分析。經(jīng)分析可知，拓模方式氣道的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.403mm，由于鑄造存在一定的誤差，將其與鑄造誤差進(jìn)行疊加得出拓模方式的氣道模型誤差為0.684mm，在實(shí)際生產(chǎn)中氣道允許鑄造誤差范圍內(nèi)。同理，對拓模方式得到的燃燒室進(jìn)行誤差分析，可知其標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.293mm，將其與鑄造誤差進(jìn)行疊加得出該燃燒室模型誤差為0.475mm，在實(shí)際生產(chǎn)燃燒室的允許鑄造誤差范圍內(nèi)。拓模方式與剖切燃燒系統(tǒng)誤差分析如圖6所示。

圖6 拓模方式與剖切燃燒系統(tǒng)誤差分析

5 結(jié)束語

通過本文分析可知，剖切處理得到的燃燒系統(tǒng)在實(shí)際鑄造的允許誤差范圍內(nèi)，且整體誤差較小。而通過燃燒系統(tǒng)誤差分析可驗(yàn)證鑄造的成品缸蓋燃燒系統(tǒng)是否合格，并可反映廠家鑄造工藝水平。同時(shí)，剖切處理得到的燃燒系統(tǒng)模型在誤差范圍內(nèi)，屬于合格產(chǎn)品。將拓模得到的模型與其相對比得出拓模方式的燃燒系統(tǒng)誤差，并驗(yàn)證采用拓模方式對燃燒系統(tǒng)逆向是可行的。

總體來說，通過剖切方式對燃燒系統(tǒng)進(jìn)行逆向比較費(fèi)時(shí)，費(fèi)用較高，但誤差較小。而拓模方式進(jìn)行逆向較方便、省時(shí)，費(fèi)用較低，誤差偏大。故在逆向過程中，可根據(jù)實(shí)際工件的要求精度而選擇逆向方式。

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