孫 團(tuán) 王艷華 吳猛猛

（中國(guó)人民解放軍海軍潛艇學(xué)院 山東 青島 266042）

0 前言

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的成本與技術(shù)最為集中的部分，活塞做為發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零件，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能有著重要的影響?，F(xiàn)代先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，其活塞的設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜，已發(fā)展成為集輕質(zhì)高強(qiáng)度新材料、異形外圓復(fù)合型面(裙部為中凸變橢圓型面)、異形銷孔等多項(xiàng)新技術(shù)于一體的高技術(shù)含量的產(chǎn)品[1-2]?；钊募庸ぞ纫蟾?，其裙部橫向橢圓度精度達(dá)0.005mm，縱向中凸曲線精度達(dá) 0.005～0.01mm[7]；因此，對(duì)活塞進(jìn)行高精度測(cè)量，取得其主要參數(shù)，是建立高精度數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)。本文運(yùn)用逆向工程技術(shù)以建立發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的數(shù)學(xué)模型為目標(biāo)，測(cè)量活塞的重要數(shù)據(jù)，并提取其特征，對(duì)活塞的測(cè)量和點(diǎn)云處理的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，為建立高尺寸精度、高品質(zhì)的活塞數(shù)學(xué)模型打下基礎(chǔ)。

1 測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)介

數(shù)據(jù)測(cè)量是指通過(guò)特定的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法，獲取實(shí)物模型表面離散點(diǎn)的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)的過(guò)程。數(shù)據(jù)測(cè)量是逆向工程技術(shù)的基礎(chǔ)，是曲面重構(gòu)中三維坐標(biāo)點(diǎn)的來(lái)源。逆向工程中數(shù)據(jù)測(cè)量方法主要有三種：接觸式測(cè)量法、非接觸測(cè)量法、逐層掃描測(cè)量法[3]。其中前兩種方法的應(yīng)用非常廣泛，也是本文采用的方法，在此對(duì)前兩種方法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）法主要是利用接觸探頭逐點(diǎn)地捕捉實(shí)物模型表面數(shù)據(jù)。這是目前應(yīng)用最廣的模型數(shù)字化方法之一。它的主要優(yōu)點(diǎn)是：①通用性強(qiáng)。除了不適用于軟質(zhì)材料和超薄形物體之外，對(duì)被測(cè)實(shí)物的材質(zhì)、色澤無(wú)特殊要求。②測(cè)量精度高。目前高精度的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的單軸精度每米長(zhǎng)度內(nèi)可達(dá)0.3μm，三維空間精度可達(dá)1μm-2μm[4]。③可方便的進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與程序控制。

非接觸式三維數(shù)據(jù)獲取方法主要是利用某種與物體表面發(fā)生相互作用的物理現(xiàn)象來(lái)獲取實(shí)體的三維信息，主要包括激光三角形法、距離法、結(jié)構(gòu)光法、圖像分析法等。其中激光三角形法是迄今逆向工程中曲面數(shù)據(jù)采集運(yùn)用最廣泛的方法。具有測(cè)量速度快的特點(diǎn)，采樣速度可以達(dá)到每秒數(shù)萬(wàn)點(diǎn)，測(cè)量精度在0.01mm[5]左右。

本文采用的主要測(cè)量設(shè)備為：意大利DEA公司的MISTRAL 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（圖 1），測(cè)量精度：±2.5μm；英國(guó) 3D SCANNER REPLICA25H型激光掃描儀（圖2），單點(diǎn)精度：±0.030mm。

圖1 MISTRAL三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)

圖2 REPLICA25H激光掃描儀

2 活塞的測(cè)量規(guī)劃

活塞實(shí)物如圖3所示。分析活塞的各個(gè)部分的特點(diǎn)可知：活塞的裙部及頭部型面為機(jī)加工面，與氣缸套相配合，其型面與氣缸套配合的精度決定了活塞與氣缸套的間隙、潤(rùn)滑、噪聲等多個(gè)方面，加工精度要求高，誤差小。所以，對(duì)于活塞的外部型面應(yīng)采用高精度的測(cè)量方法。對(duì)該部分本文采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)來(lái)進(jìn)行測(cè)量?；钊膬?nèi)腔型面、項(xiàng)部的燃燒室和裙部凹槽部分為鑄造面，其形狀較復(fù)雜，無(wú)配合面，精度要求稍低，采用激光掃描法來(lái)獲取其外形數(shù)據(jù)。

圖3 活塞實(shí)物照片

圖4 活塞測(cè)量坐標(biāo)系

2.1 CMM測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 建立測(cè)量坐標(biāo)系

通過(guò)分析活塞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，按照測(cè)量基準(zhǔn)應(yīng)與設(shè)計(jì)、加工基準(zhǔn)相一致的原則，坐標(biāo)系按如下規(guī)則來(lái)建立：首先分別測(cè)量活塞裙部底部(圖中上部)的加工定位止口內(nèi)圓和定位止口端面，以圓在端面上的投影為坐標(biāo)元點(diǎn)；以活塞銷孔軸線方向?yàn)閅軸方向，以加工定位止口端面的法線方向?yàn)閆軸方向，以垂直于活塞銷孔的垂直方向?yàn)閄軸的方向，X軸的方向也就是活塞的橢圓長(zhǎng)軸方向。建立如圖4所示的坐標(biāo)系[6]。

2.1.2 裙部曲面測(cè)量方法

現(xiàn)代的活塞普遍采用縱向?yàn)橹型骨€、橫向?yàn)轭悪E圓型的曲線設(shè)計(jì)，其裙部的曲線比較復(fù)雜[7]。其裙部的測(cè)量方法根據(jù)裙部特點(diǎn)和建模方法不同而不同。文獻(xiàn)[8]提出了這樣一種測(cè)量方法：活塞裙部曲面需要測(cè)量六個(gè)位置的中凸輪廓線和三個(gè)截面的橢圓曲線。六個(gè)位置的中凸輪廓線分別是：在α為 0°和 180°各一條，在 α 為 20°、160°、200°和 340°位置各一條，共六條（α為與橢圓長(zhǎng)軸的夾角）。三個(gè)橫截面位置分別為：裙部底部一條（截面1）、活塞銷孔位置一條（截面2）和裙部頂端一條（截面3）。由于活塞裙部中間部位銷孔兩側(cè)各有一個(gè)凹槽的存在，此處截面是斷續(xù)的，故實(shí)際上后兩個(gè)截面每個(gè)截面又為兩段曲線，總共有十一條曲線需要測(cè)量。實(shí)際測(cè)量中考慮到建模方法的不同要求而在橫向截面上加大了測(cè)量密度。測(cè)量過(guò)程中采用CMM連續(xù)測(cè)量方式測(cè)量每條曲線，測(cè)量采用的步長(zhǎng)為0.2mm[8]。

通過(guò)測(cè)量可得到一組數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后可采用一定的方法（如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法）將其擬合成一條曲線[9]，可按活塞裙部曲線的規(guī)律，反求其主要參數(shù)，為數(shù)學(xué)建模奠定基礎(chǔ)。擬合成的曲線如圖5、圖6所示。

2.2 激光掃描測(cè)量的關(guān)鍵問(wèn)題

圖5 擬合后的裙部橫截面曲線

圖6 擬合后的中凸曲線圖

活塞的內(nèi)腔型面、活塞頭部的燃燒室和裙部的四個(gè)凹槽是由鑄造形成的面，且無(wú)配合面，精度要求稍低。用3D SCANNER激光掃描儀（精度為 0.03mm）測(cè)量可獲得足夠的精度。

采用激光掃描來(lái)獲取數(shù)據(jù)，經(jīng)常需要從多個(gè)方向掃描來(lái)得到比較完整的零件表面信息。由于每次掃描時(shí)零件擺放的位置是不一樣的，即坐標(biāo)系不同，故得到的數(shù)據(jù)為多次測(cè)量數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行坐標(biāo)系歸一化處理。坐標(biāo)系歸一化的方法需根據(jù)具體情況來(lái)進(jìn)行選擇。由于球體具有從多個(gè)方向投影形狀不變的特點(diǎn)，故以球心為基準(zhǔn)進(jìn)坐標(biāo)的歸一化處理是一種比較常用的方法[9-10]。此處采用在活塞外表面貼球的方法進(jìn)行坐標(biāo)的歸一化，在測(cè)量之前，應(yīng)在活塞表面上固定好不在同一直線上的三個(gè)以上的鋼球坐為定位基準(zhǔn)。

3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

對(duì)所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需進(jìn)行處理，是逆向工程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。此過(guò)程中通常包括以下幾方面的工作：噪聲處理，多視拼合、特征提取等。

3.1 點(diǎn)云噪聲去除

任何測(cè)量方法中，真實(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)中都不可避免地混有不合理的噪聲點(diǎn)，產(chǎn)生噪聲點(diǎn)的因素是多方面的，主要可分為兩類：一類是被測(cè)對(duì)象表面因素產(chǎn)生的誤差，如表面粗糙度、波紋等缺陷；另一類是由測(cè)量系統(tǒng)本身引起的誤差，如測(cè)量設(shè)備的精度、CCD攝像機(jī)的分辨率、振動(dòng)等。過(guò)濾掉噪聲點(diǎn)是逆向工程中數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)。在逆向工程中，最簡(jiǎn)單的噪聲去除方法是人機(jī)交互，運(yùn)用點(diǎn)云處理軟件，如Surfacer，Geomagic等，通過(guò)圖形顯示，判別明顯壞點(diǎn)，在數(shù)據(jù)序列中將這些點(diǎn)刪除。這種方法對(duì)小規(guī)模點(diǎn)云比較適應(yīng)，在數(shù)據(jù)量大的情況下是不適宜的。對(duì)龐大的點(diǎn)云進(jìn)行噪聲過(guò)濾常用程序判斷濾波、N點(diǎn)平均濾波以及預(yù)測(cè)誤差遞推辨識(shí)與卡爾曼濾波相結(jié)合的自適應(yīng)濾波法等[10]。由于活塞的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量不是很大，本文采用了人機(jī)交互的方法去除其噪聲。在去除噪聲時(shí)，應(yīng)特別注意幾個(gè)定位球的處理，因?yàn)樗鼈兊木葲Q定了我們后面的點(diǎn)云拼合的精度，必須對(duì)其進(jìn)行精細(xì)的去噪工作，確保其擬合出來(lái)的球體具有比較高的精度。

3.2 多視圖點(diǎn)云的拼合

為完成對(duì)整個(gè)活塞的三維掃描測(cè)量，需要對(duì)其從多個(gè)角度進(jìn)行掃描。由于在測(cè)量不同區(qū)域時(shí)，都是在測(cè)量位置對(duì)應(yīng)的局部坐標(biāo)系下進(jìn)行的，因此多次測(cè)量所對(duì)應(yīng)的局部坐標(biāo)系并不一致，必須把各次測(cè)量對(duì)應(yīng)的局部坐標(biāo)系統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系，并消除相鄰兩次測(cè)量間的重疊部分，以得到被測(cè)物體表面的完整數(shù)據(jù)。這就需要將分塊測(cè)量所得到的多片點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼合在一起，即點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼合對(duì)齊[9]。坐標(biāo)定位方法是利用基本像素來(lái)達(dá)到定位效果，其做法是在待測(cè)物上貼上球體或利用待測(cè)物上的平面等基本像素，當(dāng)獲取點(diǎn)數(shù)據(jù)后，分割此基本像素的點(diǎn)群，并用點(diǎn)云處理軟件將這些近似球體或平面的點(diǎn)數(shù)據(jù)的像素坐標(biāo)近似求解出來(lái)，然后根據(jù)相同位置的球體其圓心必在同一點(diǎn)(三點(diǎn)定位)等類似的條件將點(diǎn)數(shù)據(jù)作定位，這種定位方法可得到很高的整合精度。

在測(cè)量時(shí)，前后兩次掃描都必須至少有三個(gè)公共參考點(diǎn)作為視圖對(duì)齊的基準(zhǔn)點(diǎn)，通過(guò)將三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)和平移對(duì)齊，就能將多視角點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個(gè)造型坐標(biāo)系上。通過(guò)對(duì)齊這三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，就能實(shí)現(xiàn)三維測(cè)量數(shù)據(jù)的多視點(diǎn)統(tǒng)一。如下圖所示，我們?cè)诨钊谋砻嫔喜捎觅N球法貼了四個(gè)球，采用球心為我們拼合的基準(zhǔn)點(diǎn)，在Surfacer軟件中，利用軟件本身的擬合功能對(duì)球表面掃描所獲得的點(diǎn)云進(jìn)行擬合，可得到球的球心位置，軟件本身提供了擬合的球與點(diǎn)之間的誤差，選取精度最高的三個(gè)球做為我們拼合的基準(zhǔn)。主要過(guò)程如圖7所示。

圖7 點(diǎn)云拼合過(guò)程示例

3.3 特征提取

特征提取可分為幾何特征形狀的提取及邊界的界定。特征提取主要根據(jù)給定的曲率變化梯度門限，尋找點(diǎn)云中的邊界、棱邊、坑孔等突變特征，提取特征點(diǎn)，然后通過(guò)特征點(diǎn)的連結(jié)形成特征線與特征線框。目前關(guān)于特征提取的研究，多是針對(duì)實(shí)體建模中簡(jiǎn)單幾何形體的提取識(shí)別。對(duì)于數(shù)據(jù)點(diǎn)云目前尚無(wú)理想的特征提取與識(shí)別方法。

圖8、9、10為利用Surfacer軟件提取活塞特征曲線的部分圖例。

圖8 建立提取特征的基準(zhǔn)

圖9 燃燒室曲線提取圖

圖10 裙部凹槽曲線提取

4 小結(jié)

本文運(yùn)用逆向工程中的CMM和激光掃描測(cè)量技術(shù)，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞不同部位的特點(diǎn)和要求，采用了相應(yīng)的測(cè)量手段，得到了活塞各重要部分的參數(shù)和特征，為進(jìn)一步的數(shù)學(xué)建模奠定了基礎(chǔ)。

［1］陳傳舉.內(nèi)燃機(jī)活塞裙部型面設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

［2］樓狄明,俞水良,劉永明,等.柴油機(jī)活塞裙部曲面造型的研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī),1998,21(5):22-26.

［3］劉佳才.活塞裙部外形曲線的設(shè)計(jì)與分析[J].內(nèi)燃機(jī)工程,1986,2(7):23-30.

［4］龔友平.逆向工程中基于特征約束模型重建理論與方法研究[D].杭州:浙江大學(xué),2006.

［5］慈瑞梅.基于CMM測(cè)量數(shù)據(jù)的曲面重構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].南京:南京理工大學(xué),2005.

［6］許智欽,閆明,張寶峰,等.逆向工程技術(shù)三維激光掃描測(cè)量[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào),2001,34(3):404-407.

［7］危常忠,金浩,王云.活塞裙部曲面測(cè)量方法與程序設(shè)計(jì)[J].汽車科技,1998,26(6):31-33.

［8］史立新,陳云富,王超群.基于Matlab的中凸變橢圓活塞裙部曲線擬合[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2007,49(7):24-25.

［9］錢錦鋒.逆向工程中的點(diǎn)云處理[D].杭州:浙江大學(xué),2005.

［10］何耀華,榮輝.非接觸三維掃描測(cè)量數(shù)據(jù)的處理研究[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào),2006,20(5):33-35.