李曉微 ，吳麗霞 ，胡新和

（咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院工學(xué)院，湖北 咸寧 437000）

1 逆向工程技術(shù)在汽車零部件模具設(shè)計中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)過程是構(gòu)思—設(shè)計—產(chǎn)品，而逆向工程的設(shè)計理念恰好相反。逆向工程又稱為反求工程，設(shè)計過程是將現(xiàn)有的產(chǎn)品模型轉(zhuǎn)化為工程設(shè)計模型和概念模型，并在此基礎(chǔ)上進行深化和再創(chuàng)造，最后制造成產(chǎn)品。逆向工程技術(shù)把三坐標(biāo)測量機、CAD/CAM/CAE 軟件、計算機數(shù)字控制（CNC）機床有機高效地結(jié)合在一起，成為產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)的一種高效、便捷的途徑[1]。利用逆向工程技術(shù)進行產(chǎn)品研發(fā)的流程圖如圖1所示。

圖1 逆向工程流程圖

近年來，為了加快汽車更新?lián)Q代，企業(yè)在對汽車零部件改型設(shè)計、產(chǎn)品仿制以及質(zhì)量分析檢測時，借助現(xiàn)代設(shè)計方法和先進技術(shù)，有效縮短了設(shè)計周期，為產(chǎn)品的開發(fā)節(jié)約了更多的時間，大大促進了汽車零部件更新的效率。將逆向工程技術(shù)應(yīng)用于汽車零部件的創(chuàng)新和改進之中，不僅可以獲得滿足要求的零部件，同時還較大程度地節(jié)省了研發(fā)時間，降低研發(fā)成本，提高生產(chǎn)效率，為我國汽車企業(yè)在國際競爭中展現(xiàn)出良好的市場競爭力提供強有力的技術(shù)保障[2]。

2 發(fā)動機冷卻風(fēng)扇點云數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

獲取優(yōu)質(zhì)且準(zhǔn)確的點云數(shù)據(jù)是逆向工程CAD 建模的首要環(huán)節(jié)，只有采集的點云數(shù)據(jù)的完整性和精度滿足要求，才可以進行后續(xù)的模型實體重構(gòu)。通常使用的點云數(shù)據(jù)采集方式分為兩種：一種是接觸式測量，接觸式測量采用的是接觸式探頭，直接接觸到被測量的零部件表面，不受光線環(huán)境和零部件表面顏色的影響，具有很高的準(zhǔn)確性和可靠性。但是，這種測量是逐點進行的，所以采集速度較慢，同時還會受到零部件形狀結(jié)構(gòu)的影響，存在靜態(tài)和動態(tài)的誤差。另一種是非接觸式測量，非接觸式測量是以光電、電磁、超聲波等技術(shù)為基礎(chǔ)，測量速度非常快，同時也不受零部件形狀結(jié)構(gòu)的影響，軟工件和不可接觸的高精度工件都可以進行測量，可以大幅提高逆向設(shè)計的效率。但是在測量過程中比較容易受到零件表面的反射特性、環(huán)境光線及雜散光的影響，故噪聲較高，噪聲信號的處理比較困難[3]。

本研究的發(fā)動機冷卻風(fēng)扇點云數(shù)據(jù)是采用非接觸式測量儀獲得的，掃描過程中一定要正確規(guī)范地使用三維掃描儀，以便保證達到下一步逆向建模的工作要求，一般對零件掃描所得的點云數(shù)據(jù)提出以下要求：1）點云數(shù)據(jù)要保證完整；2）雜點、噪聲點要盡量少；3）點云數(shù)據(jù)的分布要保證平滑規(guī)整；4）要保留機械零件的原始特征；5）在掃描過程中盡量減少掃描次數(shù)，減小誤差；6）掃描點云保存為.asc 格式以供后續(xù)建模使用[4]。

2.1 掃描前準(zhǔn)備

在使用非接觸式三維掃描儀對發(fā)動機冷卻風(fēng)扇進行數(shù)據(jù)掃描之前需要做以下準(zhǔn)備工作：三維掃描儀系統(tǒng)標(biāo)定、發(fā)動機冷卻風(fēng)扇表面處理、發(fā)動機冷卻風(fēng)扇表面粘貼標(biāo)定點等。

2.1.1 三維掃描儀系統(tǒng)標(biāo)定

三維掃描儀系統(tǒng)標(biāo)定是為了得到三維世界坐標(biāo)系中工件點的三維坐標(biāo)與其圖像坐標(biāo)系中對應(yīng)點的函數(shù)關(guān)系的過程。標(biāo)定精度是決定掃描系統(tǒng)精度的重要因素。為了得到精準(zhǔn)的掃描數(shù)據(jù)，在使用掃描儀之前需要對標(biāo)定系統(tǒng)進行重新標(biāo)定。掃描儀的標(biāo)定需要拍攝不同角度的標(biāo)定板，同時打開計算機上的掃描軟件，首先設(shè)定相機參數(shù)，得到滿意的圖像質(zhì)量，再依次調(diào)整三腳架高度和掃描儀俯仰角度、測量距離、十字光標(biāo)位置、應(yīng)用標(biāo)定結(jié)果等內(nèi)容，系統(tǒng)標(biāo)定成功后就可以切換到掃描界面進行工件掃描[5]。

2.1.2 發(fā)動機冷卻風(fēng)扇表面處理

工件的表面質(zhì)量對掃描數(shù)據(jù)結(jié)果的影響非常大。如果工件表面很粗糙或是有明顯的干擾污漬，則會影響掃描效果。遇到吸光或反光的工件，則需要進行處理以后才能開始掃描，常見的處理方式是在工件表面噴顯影劑，使工件滿足淺色、漫反射的特征[6]。為了得到更加精準(zhǔn)的點云數(shù)據(jù)，本文中的發(fā)動機冷卻風(fēng)扇噴涂了顯影劑，如圖2 所示。同時利用黑色橡皮泥對其進行固定，使工件平穩(wěn)地立在旋轉(zhuǎn)圓盤上。

圖2 經(jīng)顯影劑處理后的發(fā)動機冷卻風(fēng)扇

2.1.3 發(fā)動機冷卻風(fēng)扇表面粘貼標(biāo)定點

為了使工件的每個位置都被完整掃描，通常需要在被掃描工件表面貼上標(biāo)志點，要求標(biāo)志點粘貼牢固、平整。標(biāo)志點要盡量隨機貼在物體表面上的平坦區(qū)域，與曲面每邊邊緣的距離不宜過大，公共標(biāo)志點至少為4 個，由于圖像質(zhì)量、拍攝角度等多方面原因，有些標(biāo)志點不能正確識別，因而應(yīng)盡可能多粘貼標(biāo)志點，一般5~7 個為宜。不要人為地將標(biāo)志點分組排列，標(biāo)志點盡量不要貼在一條直線上[7]。發(fā)動機冷卻風(fēng)扇表面粘貼的標(biāo)定點情況如圖3所示。

圖3 發(fā)動機冷卻風(fēng)扇表面的標(biāo)定點

2.2 發(fā)動機冷卻風(fēng)扇實體掃描

非接觸式掃描儀容易受到周圍環(huán)境光線的影響，所以在進行發(fā)動機冷卻風(fēng)扇掃描時選擇在室內(nèi)干擾光源比較少的地方進行，可以避免掃描面不全的問題出現(xiàn)。通過拼接掃描軟件對標(biāo)定點進行識別并標(biāo)號，然后進行當(dāng)前位置的掃描，每次掃描時旋轉(zhuǎn)圓盤的角度不宜過大，要保證與上一次掃描有重復(fù)的識別點。對重點部位可以著重掃描，保證掃描完整[8]。掃描工作完成后，在系統(tǒng)中選擇“模型導(dǎo)出”，將掃描數(shù)據(jù)保存為.asc格式的點云文件。

2.3 冷卻風(fēng)扇點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

葉輪掃描完成后，得到點云數(shù)據(jù)文件，通過軟件處理掉點云數(shù)據(jù)中的噪聲點和無用的雜點，然后封裝成三角面片數(shù)據(jù)格式，對數(shù)據(jù)進行簡化，保留其原始特征。將數(shù)據(jù)保存為STL文件格式，便于后續(xù)建模設(shè)計使用。

本研究中冷卻風(fēng)扇的點云數(shù)據(jù)處理所使用的軟件是GeomagicWrap，GeomagicWrap 軟件主要有以下特性：1）支持多種掃描技術(shù)、掃描設(shè)備，數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換方便；2）自動化功能強大，使用操作簡單，能夠快速準(zhǔn)確地進行數(shù)據(jù)處理；3）處理工具和建模功能強大，可以進行高精度、高質(zhì)量的點云處理[9]。冷卻風(fēng)扇的點云數(shù)據(jù)經(jīng)過噪聲點去除、精簡數(shù)據(jù)、坐標(biāo)對齊、填充孔、平滑數(shù)據(jù)、消除特征等處理，得到的結(jié)果如圖4所示，導(dǎo)出STL文件備用。

圖4 預(yù)處理完成的冷卻風(fēng)扇的三角面片

3 發(fā)動機冷卻風(fēng)扇逆向建模

3.1 Geomagic Design X逆向軟件簡介

Geomagic Design X 軟件的功能之所以更強大、更全面，主要得益于它整合了部分點云數(shù)據(jù)的處理功能，除此之外，還可以完成特征平面輪廓的繪制和曲面的創(chuàng)建，在完成實體模型創(chuàng)建之后，可與UG、Proe、SolidWorks 等正向軟件完美銜接，對于形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工業(yè)零部件的模型重構(gòu)具有極其重要的作用[10]。從點云數(shù)據(jù)生成曲面，再生成準(zhǔn)確的數(shù)字化模型，這款軟件將正、逆向設(shè)計完美地結(jié)合在一起，其建模流程如圖5所示。

圖5 Geomagic Design X軟件建模流程

Geomagic Design X的獨特優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下方面：1）可處理大量網(wǎng)格和點云數(shù)據(jù)，對掃描數(shù)據(jù)可直接進行處理，不完整的掃描數(shù)據(jù)也可以處理；2）操作簡便，工具欄功能強大，有各種快速建模工具；3）操作模式和傳統(tǒng)的CAD軟件十分相似，處理過的數(shù)據(jù)可以直接轉(zhuǎn)換到其他CAD軟件進行處理。

3.2 發(fā)動機冷卻風(fēng)扇逆向建模過程

首先導(dǎo)入“STL”數(shù)據(jù)，建立坐標(biāo)系。模型有部分葉片掃描有缺陷，但是由于冷卻風(fēng)扇的六個葉片是相同的，可以利用其中一個完整的葉片進行建模，然后利用圓周陣列命令完成全部葉片的模型創(chuàng)建。風(fēng)扇中間細(xì)節(jié)部分也是對稱的，可以利用拉伸、放樣、圓周陣列、布爾運算等方法完成建模，最后導(dǎo)出“STP”標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)，為下一步結(jié)構(gòu)設(shè)計做準(zhǔn)備。

3.2.1 三角面片數(shù)據(jù)的導(dǎo)入

導(dǎo)入預(yù)處理完成的冷卻風(fēng)扇的STL 文件，如圖6所示。

圖6 冷卻風(fēng)扇三角面片的導(dǎo)入

3.2.2領(lǐng)域劃分

領(lǐng)域的劃分就是將模型中不同的幾何形狀區(qū)別開來，區(qū)分的依據(jù)是不同的曲率和特征，目的是在特征建模階段更好地區(qū)分模型不同的特征。通常情況下，只要領(lǐng)域劃分得足夠合理，可以直接區(qū)分出簡單零件的全部特征，后續(xù)的步驟都較為簡單。

點擊“領(lǐng)域”命令，進入到領(lǐng)域模式。運用自動分割的方式完成初步分割，對于不能滿足后期建模要求的區(qū)域，再利用分離、合并、重分塊等修改命令完成修改和區(qū)域重新劃分，得到最終的領(lǐng)域劃分情況如圖7所示。

圖7 領(lǐng)域劃分圖

3.2.3 對齊坐標(biāo)

對齊坐標(biāo)是為了使坐標(biāo)系和模型之間有彼此對應(yīng)的關(guān)系，默認(rèn)的坐標(biāo)系與模型結(jié)構(gòu)并沒有對應(yīng)關(guān)系，需要按照模型的結(jié)構(gòu)特征重新建立坐標(biāo)系，為后期平面的構(gòu)建提供便利。點擊【手動對齊】，移動方式選擇3—2—1，參考對象選擇坐標(biāo)系，對齊完成的坐標(biāo)圖如圖8所示。

圖8 對齊坐標(biāo)圖

3.2.4 特征建模

依據(jù)發(fā)動機冷卻風(fēng)扇零件特征，確定建模思路：先構(gòu)建一個葉片，再利用圓周陣列構(gòu)建出其他葉片，然后創(chuàng)建中間圓柱形殼體，再完善殼體細(xì)節(jié)構(gòu)建，最后構(gòu)建出殼體內(nèi)部的加強筋。

1）單個葉片實體構(gòu)建。由于掃描得到的數(shù)據(jù)都存在噪點，點與點之間存在小段差，如果將采點的距離拉開，則所產(chǎn)生的曲面就更光順，精度也會更高。所以在葉片實體構(gòu)建時并未采用自動分割的領(lǐng)域，而是采用畫筆選擇模式進行手動劃分，將葉片內(nèi)劃分成較小的網(wǎng)格，這樣使用面片擬合時能得到更光順的效果，如圖9 所示。葉片的上下兩個曲面擬合完成以后，利用面片草圖繪制出葉片的輪廓，如圖10 所示；將輪廓進行曲面拉伸，再進行曲面剪切，最終完成單個葉片實體的構(gòu)建，如圖11 所示。

圖9 單個葉片領(lǐng)域手動劃分

圖10 葉片的草圖輪廓

圖11 單個葉片實體構(gòu)建

2）其余葉片實體構(gòu)建。本研究所選用的某型汽車發(fā)動機冷卻風(fēng)扇共有六個葉片，每個葉片是相同的，故利用Geomagic Design X 軟件中的圓周陣列命令完成其余葉片實體的構(gòu)建，如圖12所示。

圖12 其余葉片實體構(gòu)建

3）圓柱殼體實體構(gòu)建。利用基礎(chǔ)實體創(chuàng)建出風(fēng)扇中間的圓柱實體部分，再利用殼體命令完成圓柱殼體的創(chuàng)建，接著采用面片草圖命令畫出圓柱殼體上的缺口形狀，依次采用拉伸、圓周陣列、布爾運算等命令，完成所有缺口的創(chuàng)建。主要特征創(chuàng)建完成以后，再完善圓孔、加強筋、所有圓角的細(xì)節(jié)特征創(chuàng)建，保證重構(gòu)的實體模型和原模型相似度更高、誤差更小，重構(gòu)完成的實體圖如圖13所示。

圖13 圓柱殼體實體構(gòu)建

3.3 發(fā)動機冷卻風(fēng)扇逆向建模誤差分析

使用Geomagic Design X軟件內(nèi)置的“體偏差”檢測功能，將實體模型與原始掃描數(shù)據(jù)進行比較，以不同顏色來標(biāo)注創(chuàng)建實體與原始數(shù)據(jù)模型之間的誤差，在許可公差范圍內(nèi)的用綠色來表示，比較結(jié)果如圖14所示。

圖14 發(fā)動機冷卻風(fēng)扇建模誤差分析

由圖14 分析發(fā)現(xiàn)，偏差主要分布在正負(fù)0.6 mm內(nèi)，在合理的范圍內(nèi)。偏差較大的位置處于其中四個葉片邊角位置，原因是構(gòu)建葉片實體時使用圓周陣列得到的實體輪廓與真實輪廓存在誤差，可在風(fēng)扇模型的正向編輯過程中做進一步調(diào)整。

3.4 發(fā)動機冷卻風(fēng)扇模型正向編輯

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，此款發(fā)動機冷卻風(fēng)扇在使用的過程中容易出現(xiàn)葉片斷裂的問題，嚴(yán)重影響了冷卻風(fēng)扇的使用壽命，經(jīng)分析是由于葉片過薄引起的，故在正向設(shè)計時，將葉片的厚度適當(dāng)增加一些，既可以保證冷卻風(fēng)扇的工作性能，又能提高使用壽命。在SolidWorks 軟件中打開發(fā)動機冷卻風(fēng)扇的STP 格式文件，利用曲面特征中的等距曲面和曲面加厚工具依次將每個葉片進行相應(yīng)加厚，完成后的零件如圖15所示。

圖15 冷卻風(fēng)扇的正向建模

4 發(fā)動機冷卻風(fēng)扇注塑模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計

4.1 冷卻系統(tǒng)設(shè)計原則

為提高冷卻系統(tǒng)的效率并使型腔表面溫度分布均勻，在冷卻系統(tǒng)的設(shè)計中應(yīng)遵循以下原則：1）合理地確定冷卻管道的直徑中心距以及與型腔壁的距離。若冷卻管道直徑太小、間距太大，則型腔表面溫度變化會很大；若冷卻管道與型腔壁的距離太大，會使冷卻效果下降，而距離太小，又會造成冷卻不均。2）降低進出水的溫度差。冷卻系統(tǒng)兩端進出水溫差小，則有利于型腔表面溫度分布。3）冷卻系統(tǒng)的布置應(yīng)先于脫模機構(gòu)。4）澆口處應(yīng)加強冷卻。通常澆口處溫度較其他位置高，所以將冷卻水回路的入口設(shè)在澆口附近，使?jié)部谠谳^低的水溫下冷卻。

4.2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計

發(fā)動機冷卻風(fēng)扇葉片厚度較小，如果冷卻不均勻，就容易出現(xiàn)應(yīng)力不均、翹曲變形的缺陷。傳統(tǒng)冷卻水路是通過銑床等機加工工藝制造，水路只能為圓柱形直孔，無法完全貼近注塑件表面，冷卻效率低且冷卻不均勻，導(dǎo)致注塑周期長、產(chǎn)品變形量大。而金屬3D 打印的隨形水路可以使冷卻水路隨著模具型腔表面幾何形狀的變化而改變，同時還可以根據(jù)需要改變水路的形狀和截面大小，從而使模具型腔以一致的速度進行散熱，以促進散熱的均勻性，避免由于水路至型腔表面距離不一致所引起的冷卻不均勻的現(xiàn)象。

本研究應(yīng)用Moldflow 軟件分別對傳統(tǒng)冷卻水路和隨形冷卻水路進行模擬對比分析，以選擇最佳的水路排列方式。本次設(shè)計的冷卻管道的直徑為10 mm，選擇的冷卻液為純水，水溫為25 ℃，雷諾數(shù)為10 000 的湍流。通過仿真分析，得到兩種方案的模具型腔冷卻后的溫度分布云圖，如圖16 所示，從圖中可以看出，隨形冷卻水路方案的模具型腔溫度比較均勻，所以選擇隨形冷卻水路方案設(shè)計作為發(fā)動機冷卻風(fēng)扇注塑模具的冷卻系統(tǒng)。

圖16 傳統(tǒng)冷卻水路（上圖）與隨形冷卻水路（下圖）模具型腔溫度對比圖

4.3 翹曲分析

為了驗證隨形冷卻水路可以降低葉片部分因為冷卻不均勻發(fā)生的翹曲的程度，將兩種不同冷卻水路的注塑模具進行翹曲分析，通過模擬分析得到冷卻風(fēng)扇的翹曲程度情況對比圖，如圖17 所示。從對比圖中可以看出兩種冷卻方案的翹曲趨勢基本相同，都是葉片外端翹曲變形較大。傳統(tǒng)冷卻水路的最大翹曲量為0.207 9 mm，隨形冷卻水路的最大翹曲量為0.139 7 mm。可以發(fā)現(xiàn)隨形冷卻水路的翹曲變形比傳統(tǒng)冷卻水路的翹曲變形小。

5 結(jié)論

1）在汽車行業(yè)中利用逆向工程技術(shù)對汽車零部件進行三維建模，可大幅加快研發(fā)速度，提高企業(yè)的市場核心競爭力。

2）汽車發(fā)動機冷卻風(fēng)扇注塑模具設(shè)計過程中運用了隨形冷卻技術(shù)和模流分析技術(shù)，通過將傳統(tǒng)冷卻水路和隨形冷卻水路進行對比分析得出最佳的冷卻系統(tǒng)方案。

圖17 傳統(tǒng)冷卻水路（上圖）與隨形冷卻水路（下圖）冷卻風(fēng)扇翹曲對比圖

3）在模具制造生產(chǎn)過程中，如果應(yīng)用到金屬3D打印制造技術(shù)，則會使注塑模具設(shè)計具有更多的可能性。