李衛(wèi)民，江國海，趙旭東

NGD 3.0柴油發(fā)動(dòng)機(jī)三維數(shù)字模型重構(gòu)

李衛(wèi)民，江國海，趙旭東

（遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

采用逆向/正向混合建模技術(shù)，對(duì)NGD 3.0柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了三維模型重構(gòu)。重點(diǎn)研究了逆向/正向混合建模技術(shù)在復(fù)雜模型重構(gòu)中的應(yīng)用技巧。驗(yàn)證了硅膠翻模技術(shù)在獲取柴油發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部復(fù)雜水道與氣道結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性與可靠性。討論了發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)在逆向重構(gòu)過程中的誤差來源，對(duì)如何有效地減少重構(gòu)誤差進(jìn)行了分析，經(jīng)過誤差分析與檢測(cè)后，所采用的逆向/正向混合建模方法能夠獲得高精度的三維數(shù)模。通過本次研究，對(duì)復(fù)雜零件的高精度模型重構(gòu)的實(shí)現(xiàn)具有重要的參考意義。

逆向/正向混合建模技術(shù)；NGD3.0柴油發(fā)動(dòng)機(jī)；三維模型重構(gòu)；誤差分析與檢測(cè)

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)所需性能的不斷提升，其密封性作為衡量發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能好壞與否的重要指標(biāo)，近年來得到了廣泛的研究。在研究中，當(dāng)無法獲得與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物相配套的圖紙時(shí)，通常工程技術(shù)人員會(huì)采用逆向工程技術(shù)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)三維模型的重構(gòu)操作，但傳統(tǒng)的逆向工程技術(shù)，主要是對(duì)擬合出的曲面進(jìn)行聯(lián)合修剪并縫合，進(jìn)而獲取發(fā)動(dòng)機(jī)完整的三維數(shù)模。若單純地采用曲線曲面擬合方式進(jìn)行模型重構(gòu)，對(duì)于復(fù)雜模型而言，需要工程設(shè)計(jì)人員事先對(duì)模型的面片的裁剪次序進(jìn)行合理的規(guī)劃，不僅對(duì)擬合的曲面質(zhì)量要求高，且操作冗雜，增加了模型重構(gòu)時(shí)間[1]。同時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以通過傳統(tǒng)的逆向技術(shù)構(gòu)建出高精度的模型。因此，本文采用逆向/正向混合建模技術(shù)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部不易測(cè)量的復(fù)雜水道、氣道結(jié)構(gòu)輔以硅膠翻模的方法獲取了相應(yīng)的幾何尺寸，快速準(zhǔn)確地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了模型重構(gòu)；并對(duì)復(fù)雜模型的逆/正向混合建模技術(shù)，在保證重構(gòu)模型精度的應(yīng)用技巧進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

1 逆向/正向混合建模技術(shù)要點(diǎn)

逆向/正向混合建模技術(shù)要點(diǎn)主要是通過逆向工程技術(shù)對(duì)模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行輪廓尺寸信息的獲取，并以此作為模型重構(gòu)的尺寸基準(zhǔn)。參照所截取的尺寸基準(zhǔn)，再通過正向設(shè)計(jì)模塊中對(duì)零件尺寸進(jìn)行草圖繪制或擬合，完成零件特征重構(gòu)。最后，需對(duì)完成重構(gòu)后的特征進(jìn)行誤差檢測(cè)，如精度不滿足要求，可通過反復(fù)修正正向設(shè)計(jì)的草圖來提高擬合精度?；旌辖＜夹g(shù)能夠解決傳統(tǒng)逆向工程技術(shù)中，對(duì)多曲面擬合后進(jìn)行聯(lián)合修剪困難的問題，避免了聯(lián)合修剪和曲面縫合時(shí)造成的誤差；同時(shí)利用了正向建模技術(shù)中拉伸、掃掠、多截面實(shí)體等命令，能夠完成模型特征重構(gòu)，并有效降低模型重構(gòu)時(shí)間，提高效率，同時(shí)保證模型重構(gòu)的精度[2]?；旌辖＜夹g(shù)的流程主要分為以下幾步：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型重構(gòu)、誤差檢測(cè)分析。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

研究中采用Handyscan 3D激光掃描系統(tǒng)，完成發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體和氣缸蓋點(diǎn)云的數(shù)據(jù)采集，該系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣泛的便攜型非接觸式數(shù)據(jù)獲取工具。

首先應(yīng)根據(jù)研究對(duì)象的整體構(gòu)造特點(diǎn)，確定出點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取思路，并采用貼標(biāo)記點(diǎn)的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。為減少數(shù)據(jù)的冗余程度，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的過程中，要避免對(duì)相同區(qū)域進(jìn)行重復(fù)掃描。對(duì)于結(jié)構(gòu)細(xì)小的部位，需要控制標(biāo)記點(diǎn)的數(shù)量，可以有效防止點(diǎn)云數(shù)據(jù)覆蓋細(xì)小的結(jié)構(gòu)特征。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其內(nèi)部水道是環(huán)繞式分布的，采用直接掃描的方法難以獲取發(fā)動(dòng)機(jī)的水道模型。因此，在研究中選擇通過線切割技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋進(jìn)行切割，獲取其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，再通過硅膠翻模的方法獲取水道模型，再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。為了減少材料損耗以及腐蝕等因素對(duì)于模型重構(gòu)后精度的影響，在進(jìn)行線切割前應(yīng)完成缸蓋整體尺寸的測(cè)量和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取。而后再對(duì)照缸蓋完整尺寸對(duì)翻模后的硅膠進(jìn)行拼接，來保證獲取的模型的精度。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋實(shí)物圖，如圖1所示；發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體實(shí)物，如圖2所示；氣缸蓋切分圖，如圖3所示；柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖4所示；發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖1 氣缸蓋實(shí)物圖

圖2 氣缸體實(shí)物圖

圖3 切分后的氣缸蓋實(shí)物圖

圖4 氣缸體點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖5 氣缸蓋點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于采集環(huán)境的影響，獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)會(huì)存在一定數(shù)量的跳點(diǎn)、壞點(diǎn)和冗余數(shù)據(jù)，因此在對(duì)模型進(jìn)行逆向重構(gòu)前需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通過刪除噪聲點(diǎn)、降噪濾波、數(shù)據(jù)精簡、數(shù)據(jù)補(bǔ)缺、建立坐標(biāo)系、點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)齊、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)輸出等操作以后，獲得高質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

在數(shù)據(jù)采集過程中，因采集環(huán)境的光線和噪聲等因素的影響會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的噪點(diǎn)，在預(yù)處理過程中，可通過Geomagic Studio軟件中的套索工具選中噪點(diǎn)后對(duì)其進(jìn)行刪除，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的降噪處理。數(shù)據(jù)濾波旨在提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)的表面質(zhì)量與精度，目前應(yīng)用較為廣泛的濾波方法包括高斯濾波、均值濾波和中值濾波三種。

高斯濾波法是在相應(yīng)區(qū)域內(nèi)，對(duì)出現(xiàn)概率高的噪聲點(diǎn)進(jìn)行過濾去除。通過將相應(yīng)區(qū)域的權(quán)函數(shù)設(shè)置為高斯分布，來實(shí)現(xiàn)濾波處理，具有較好處理效果，屬于線性濾波。其表達(dá)式為：

式中：(,)為指定區(qū)域內(nèi)的高頻噪聲信號(hào)；(,)為進(jìn)行高斯濾波后的信號(hào)；2為標(biāo)準(zhǔn)方差。

均值濾波是將原始數(shù)據(jù)代替為相應(yīng)區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)數(shù)據(jù)平均值來實(shí)現(xiàn)濾波操作，可使原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)更加平順光滑，屬于線性濾波。其表達(dá)式為：

式中：為(,)指定區(qū)域的集合，為坐標(biāo)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

中值濾波是對(duì)相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行中值計(jì)算，用中值代替原始數(shù)據(jù)，通過這種方法不僅能有效去除毛刺，還能夠保留原有數(shù)據(jù)的分布特性，屬于非線性濾波。其表達(dá)式為：

式中：為(,)指定區(qū)域的集合。

濾波處理過程會(huì)使點(diǎn)云數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的誤差，故需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的濾波方法。通過查閱文獻(xiàn)資料，對(duì)比三種濾波方法后，最終采用高斯濾波法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡補(bǔ)缺是指在保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性的前提下，通過對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的適當(dāng)精簡來提高后期模型重構(gòu)時(shí)的運(yùn)算速度。目前常用的精簡方法有：均方格精簡、三角網(wǎng)格精簡、距離精簡和曲率精簡等4種方法。前3種方法適用于結(jié)構(gòu)形狀簡單、曲率變化緩慢的零部件。然而柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和形狀較為復(fù)雜，采用前3種方法不能滿足要求，因此本文采用曲率精簡的方法來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡補(bǔ)缺。曲率精簡是采用高斯曲率數(shù)學(xué)表達(dá)式（4）和平均曲率表達(dá)式（5）算出點(diǎn)云高斯曲率以及單個(gè)鄰域內(nèi)的局部平均曲率，求解點(diǎn)云曲率平均值，對(duì)比點(diǎn)云的曲率平均值后，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡保留。通過查閱文獻(xiàn)和實(shí)際精簡操作，經(jīng)過多次對(duì)比試驗(yàn)后，得出以62%的比例保留點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲率精簡，能夠有效保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量。

式(4)～(6)中：為曲面上的一條曲線；1、2為根。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋具有許多細(xì)小特征，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集過程中，因?yàn)楣饩€照不到，會(huì)導(dǎo)致部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失，形成一些孔洞，本文通過Geomagic Studio軟件，根據(jù)缺失部位曲面的曲率，參考發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋的實(shí)際尺寸，通過曲率或者橋接的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)補(bǔ)缺，來獲得高質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[3]。

由于獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在空間中處于浮動(dòng)狀態(tài)，并沒有相應(yīng)的空間坐標(biāo)系對(duì)其進(jìn)行約束，因此需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系的重建處理。所建立的坐標(biāo)系是否正確會(huì)直接影響后續(xù)建模的準(zhǔn)確性與精度。為保證所建立的坐標(biāo)系的精度，在選擇基準(zhǔn)面時(shí)，應(yīng)盡量以精加工面為基準(zhǔn)。所以，以缸體和缸蓋的精加工面為基準(zhǔn)，可分別擬合出XY平面、XZ平面和YZ平面3個(gè)基準(zhǔn)面，并將其對(duì)齊到全局能夠完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)空間坐標(biāo)系的建立。處理后的氣缸蓋點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖6所示，處理后的氣缸體點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖6 處理后的氣缸蓋點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖7 處理后的氣缸體點(diǎn)云數(shù)據(jù)

4 模型重構(gòu)

逆向工程中最為關(guān)鍵的技術(shù)就是模型重構(gòu)，進(jìn)行模型重構(gòu)之前應(yīng)根據(jù)對(duì)象的結(jié)構(gòu)特性預(yù)先規(guī)劃出模型重構(gòu)的大致路線，為保證重構(gòu)后的模型具有較高質(zhì)量，在重構(gòu)過程中應(yīng)避免交叉建模，以減少因交叉建模而造成模型重疊的現(xiàn)象出現(xiàn)。

為了精準(zhǔn)、高效地完成缸體缸蓋模型的重構(gòu)，選擇將經(jīng)過處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以STL格式進(jìn)行保存。而后在CATIA中進(jìn)行缸體缸蓋三維實(shí)體模型的創(chuàng)建[4]。目前在曲線曲面擬合方式上，發(fā)展相對(duì)成熟的技術(shù)主要有包含B樣條曲線曲面、NURBS樣條曲線曲面和Bezier曲線曲面三種。在實(shí)際建模中，B樣條曲線曲面、NURBS樣條曲線曲面憑借著良好的光順性和控制性得到了廣泛的應(yīng)用[5]。

發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)由缸體和缸蓋兩部分構(gòu)成，這里僅以發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的逆向模型重構(gòu)為例，來闡述混合建模技術(shù)在實(shí)際模型重構(gòu)中的具體應(yīng)用方法與重構(gòu)技巧。首先要明確重構(gòu)曲面的精度要求，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體和氣缸蓋均為鑄鐵材料，除重要接觸表面外，其余表面對(duì)重構(gòu)精度要求較低。而后再根據(jù)表面精度要求，調(diào)整點(diǎn)云數(shù)據(jù)與擬合曲線和曲面之間的誤差，對(duì)于非重要表面誤差應(yīng)控制在±1 mm以內(nèi)，對(duì)于有精度要求的表面，擬合誤差應(yīng)控制在±0.05 mm以內(nèi)。

在對(duì)缸體進(jìn)行曲線曲面擬合時(shí)，可通過CATIA中的切平面命令對(duì)氣缸體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行切面處理[6]。經(jīng)切面處理后，點(diǎn)云數(shù)據(jù)與切平面形成相交線，通過對(duì)該相交線進(jìn)行測(cè)量就可以獲得這一位置的尺寸信息，如圖8(a)所示。在逆向模塊中，可以運(yùn)用3D曲線對(duì)獲取的輪廓尺寸線進(jìn)行曲線擬合，得到可編輯的氣缸體的曲面的輪廓尺寸，為正向建模做準(zhǔn)備，如圖8(b)所示；根據(jù)氣缸體曲面的結(jié)構(gòu)，采用同樣的方法分層次對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)曲面進(jìn)行截面處理，并通過曲線擬合獲取各截面的尺寸信息，如圖8(c)所示；之后通過切平面建立與輪廓曲線的交點(diǎn)，用3D曲線命令順次連接各交點(diǎn)，可建立形成多截面實(shí)體的輪廓引導(dǎo)線，如圖8(d)所示。其作用是保證氣缸體曲面過渡具有連續(xù)性與整體性，使重構(gòu)后的實(shí)體表面更加接近于實(shí)際表面特征。接下來可通過創(chuàng)成式零件設(shè)計(jì)模塊中的多截面實(shí)體操作命令生成多截面實(shí)體，分別選中輪廓曲線和輪廓引導(dǎo)線，生成多截面曲面實(shí)體，如圖8(e)所示。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋的模型重構(gòu)與氣缸體的模型重構(gòu)方法基本相同。二者在模型構(gòu)造上最大差異在于兩者的水道不同，氣缸體的水道為開放式水道，可以通過掃描儀直接獲取，結(jié)合實(shí)際的測(cè)量尺寸，就可以完成氣缸體水道模型的建立。

圖8 氣缸體曲面重構(gòu)展示圖

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋的模型重構(gòu)與氣缸體的模型重構(gòu)方法基本相同。二者在模型構(gòu)造上最大差異在于兩者的水道不同，氣缸體的水道為開放式水道，可以通過掃描儀直接獲取，結(jié)合實(shí)際的測(cè)量尺寸，就可以完成氣缸體水道模型的建立。氣缸蓋的水道是非開放式的水道，無法直接通過掃描獲得，需通過線切割處理將非開放式水道暴露出來，對(duì)于經(jīng)有限次數(shù)的線切割操作后，仍不能充分暴露出來的水道部分，就需要結(jié)合硅膠翻模來獲取這一部分的水道模型，再進(jìn)行完整的水道部分的模型重構(gòu)。受線切割加工方式的影響，切割后的水道易出現(xiàn)一定程度的損傷，在切割位置會(huì)出現(xiàn)一定損耗。因此，若直接將切割后的單個(gè)子模塊逆向重構(gòu)后再進(jìn)行拼接，其總體長度尺寸會(huì)小于切割前，對(duì)于孔等位置特征的形位尺寸會(huì)產(chǎn)生極大的累積誤差。因此在水道模型重構(gòu)中，可以在原始整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)中以某一定點(diǎn)或某一特征為參考點(diǎn)，與切割后的水道模型的子點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在同一特征位置進(jìn)行對(duì)齊處理，這樣通過選取參考位置的方法，再對(duì)被點(diǎn)腐蝕的部位進(jìn)行橋接處理可以保證模型在總體尺寸精度不被影響的條件下，順利擬合出水道特征。

此外，通過硅膠翻模得到的氣缸蓋內(nèi)部水道的特征信息，主要是通過對(duì)硅膠模型進(jìn)行逆向操作，來獲取硅膠水道點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，再運(yùn)用混合建模技術(shù)對(duì)水道進(jìn)行模型重構(gòu)，在對(duì)應(yīng)的氣缸蓋和氣缸體的水道位置，對(duì)重構(gòu)后的水道模型進(jìn)行橋接，完成整體水道模型重構(gòu)。將水道和氣道的模型與氣缸蓋整體的模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，可以獲得帶有內(nèi)部水道等特征信息的完整的氣缸蓋重構(gòu)模型。如圖9所示，為氣缸蓋進(jìn)氣道模型；圖10為氣缸蓋排氣道模型；圖11位氣缸蓋水道模型；圖12為氣缸體三維數(shù)字模型；圖13為氣缸蓋三維數(shù)字模型。

圖9 進(jìn)氣道模型

圖10 排氣道模型

圖11 氣缸蓋水道模型

圖12 氣缸體三維數(shù)字模型

圖13 氣缸蓋三維數(shù)字模型

5 誤差分析與檢測(cè)

采用逆向/正向混合建模技術(shù)對(duì)NGD 3.0柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行模型重構(gòu)過程中，很多因素會(huì)造成誤差的出現(xiàn)。誤差可以分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差2類。測(cè)量儀器的精度、被測(cè)物體本身結(jié)構(gòu)特征等屬于系統(tǒng)誤差，而測(cè)量環(huán)境、點(diǎn)云數(shù)據(jù)修復(fù)過程所產(chǎn)生的誤差屬于隨機(jī)誤差。在數(shù)據(jù)采集的過程中可以通過采用高精度的儀器、營造良好的測(cè)量環(huán)境，降低物體的反光等措施來控制誤差對(duì)結(jié)果的影響。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為鑄件，因此其缸體缸蓋上的非重要接觸表面精度較低，數(shù)據(jù)采集較為困難，可通過在表面特征位置均勻噴涂顯像劑來降低采集誤差；同時(shí)因柴油發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，比如深凹槽等細(xì)小的結(jié)構(gòu)，也存在點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集困難的問題，因無法采集導(dǎo)致的誤差是不可避免的；在點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)也會(huì)有誤差產(chǎn)生，通過控制點(diǎn)云網(wǎng)格數(shù)量和精簡的比例能夠有效控制誤差；在模型重構(gòu)過程中的誤差直接影響三維數(shù)字模型的精度，不同的擬合方法和模型重構(gòu)方式對(duì)模型的精度的影響是不同，對(duì)不同的結(jié)構(gòu)選用不同的方法可以滿足高精度的要求；在模型的重構(gòu)過程中通過反復(fù)檢測(cè)結(jié)構(gòu)的精度，可以避免產(chǎn)生連續(xù)性誤差。

重構(gòu)的模型的誤差檢測(cè)包含2個(gè)部分，一部分是對(duì)缸體、缸蓋重要接觸表面進(jìn)行精度檢測(cè)；另一方面是對(duì)缸體、缸蓋的整體進(jìn)行誤差檢測(cè)。通過CATIA中面提取命令，提取檢測(cè)面，對(duì)比檢測(cè)面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間距離，可對(duì)其進(jìn)行誤差分析。模型的誤差是否符合標(biāo)準(zhǔn)是通過檢測(cè)面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間的距離進(jìn)行評(píng)價(jià)的，檢測(cè)面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)的參考點(diǎn)之間的距離在給定的誤差范圍內(nèi)，則滿足模型重構(gòu)精度要求[7]。圖14為氣缸體結(jié)合面誤差檢測(cè)，通過誤差檢測(cè)可以看出誤差在±0.05 mm以內(nèi)測(cè)量點(diǎn)占比重為95.42%，誤差滿足柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸體接觸面的模型重構(gòu)精度要求；圖15為氣缸蓋結(jié)合面誤差檢測(cè)，通過誤差檢測(cè)可以看出誤差在±0.05 mm以內(nèi)的測(cè)量點(diǎn)占比重為99.93%，誤差滿足缸體模型重構(gòu)精度要求滿足要求；圖16為氣缸體整體誤差檢測(cè)，圖17為氣缸蓋整體誤差檢測(cè)，其中缸體最大正誤差為21.6 mm，最大負(fù)誤差為24 mm，缸蓋最大正誤差14.119 mm，最大負(fù)誤差為20.035 mm。經(jīng)過觀察最大誤差點(diǎn)出現(xiàn)位置可以發(fā)現(xiàn)，最大誤差的產(chǎn)生原因是缸體結(jié)構(gòu)存在深孔，在測(cè)量過程中，深孔的點(diǎn)云數(shù)據(jù)無法采集，造成點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失，在誤差檢測(cè)分析中應(yīng)考慮去除這些誤差點(diǎn)的影響。排除系統(tǒng)誤差后，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋的表面的整體誤差在±1 mm之內(nèi)的測(cè)量點(diǎn)占比重達(dá)到83.01%，能夠滿足鑄件模型重構(gòu)要求。通過逆/正向混合建模的思想，對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行三維數(shù)字模型重構(gòu)，能保證模型的誤差在合理范圍內(nèi)。

圖14 氣缸體結(jié)合面誤差檢測(cè)

圖15 氣缸蓋結(jié)合面誤差檢測(cè)

6 結(jié)論

通過逆向/正向混合建模技術(shù)對(duì)NGD 3.0柴油發(fā)動(dòng)機(jī)三維數(shù)字模型進(jìn)行重構(gòu)，得到以下結(jié)論：

(1)在混合建模技術(shù)中，可以通過反復(fù)修正草圖中尺寸線的擬合精度，來提高重構(gòu)模型的精度，降低重構(gòu)誤差。

圖16 氣缸體整體誤差檢測(cè)

圖17 氣缸蓋整體誤差檢測(cè)

(2)對(duì)于模型復(fù)雜曲面的重構(gòu)，采用多截面實(shí)體結(jié)合硅膠翻模方法進(jìn)行特征重構(gòu)，可以有效地解決傳統(tǒng)逆向工程技術(shù)中復(fù)雜曲面重構(gòu)聯(lián)合修剪困難的問題。

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3D Digital Model Reconstruction of NGD 3.0 Diesel Engine

LI Wei-min, JIANG Guo-hai, ZHAO Xu-dong

（College of Mechanical Engineering and Automation, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

The 3D model of NGD3.0 diesel engine is reconstructed by using reverse / forward hybrid modeling technology. This paper focuses on the application skills of reverse / forward hybrid modeling technology in complex model reconstruction. The accuracy and reliability of silicone turnover die technology in obtaining the complex internal water channel and airway structure of diesel engine are verified. This paper discusses the error sources of engine structure in the process of reverse reconstruction, and analyzes how to effectively reduce the reconstruction error. After error analysis and detection, the reverse / forward hybrid modeling method can obtain high-precision three-dimensional digital model. Through this research, it has important reference significance for the realization of high-precision model reconstruction of complex parts.

reverse / forward hybrid modeling technology; NGD 3.0 diesel engine; 3D model reconstruction; error analysis and detection

10.15916/j.issn1674-3261.2021.06.003

TP391.9

A

1674-3261(2021)06-0362-06

2021-01-25

遼寧省教育廳科學(xué)研究經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(JZL202015401)

李衛(wèi)民(1965-)，男，遼寧朝陽人，教授，博士。

責(zé)任編輯：陳 明