基于层切法的发动机气缸盖反求设计研究

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通过对发动机气缸盖CAD模型重构，探索了基于层切法的曲面内腔类零件的反求设计方法。对反求设计中所涉及的点云数据测量方法、数据处理、曲面重构等技术进行了研究；提出了对复杂曲面采用分块、分特征进行反求的方法，解决了气缸盖水腔模型的重构问题。对类似零件的反求设计有参考意义。
0 引言
    本文以某型单缸涡流室式柴油机气缸盖为载体进行反求技术研究。气缸盖是典型的曲面内腔类零件，它与气缸套一起组成柴油机燃烧室，承受很高的热负荷和机械负荷。在气缸盖内部有进、排气道，水腔和涡流室等结构。其中进、排气道的布置、尺寸和形状对柴油机的充气效率，排气效果有相当大的影响。水腔的形状对冷却水流程和冷却效果起决定作用，涡流室的形状对柴油机的功率和油耗等性能也有很大影响，这些结构都是反求设计的重点。
1 气缸盖点云数据的获取和处理
    由于气缸盖的进、排气道，冷却水腔等结构要素在气缸盖的内部，不能进行直接测量，所以采用基于层切法的反求技术进行气缸盖的反求设计。层切法是近年来发展的一种新的反求设计技术，它的基本方法是：利用一种将待测零件与被测物体具有很大灰度对比的专用材料进行填充包埋，随后进行小吃刀量平面切层加工，并采用图像扫描设备逐层捕获断层截面图像，最后使用专用数据处理软件进行三维模型的重构。本研究气缸盖点云数据的获取是基于层切法的原理，采用3D CaMega光学三维扫描仪得到的。
    目前，能够进行反求设计的软件较多，但有些主要是基于正向设计的，如Pro/E、CATIA、UG等，逆向设计功能不够强大；而有些是专门的逆向设计软件，如Imageware、CopyCAD等，逆向设计功能强大，但对于产品结构设计的功能不强；本研究采用Imageware与UG相结合，发挥各自优势来完成。
    1.1 气缸盖点云数据的获取
    由于气缸盖是铸铁材料，铣削后被铣表面与铸铁表面对比度较强，所以本研究未采用环氧树脂进行包埋。气缸盖在铣床上进行加工，对于装夹原因不能用层切法扫描数据的部位，可以直接进行外形轮廓的点云数据采集。根据气缸盖的具体形状并考虑加工的时间与模型精度，选定每隔lmm进行一次铣削，气缸盖总高62mm，共铣削55层。每层加工完成后，取下气缸盖，清除掉气缸盖上因加工后产生的毛刺，进行拍摄，获取点云数据。用3D CaMega光学三维扫描仪自带的点云数据处理软件对每层点云进行滤波、去噪、精简、插补等预处理后得到部分结果如图l所示。

图1气缸盖点云数据图
    将3D CaMega生成的逐层STL格式点云数据导人Imageware中，通过调整每层点云的坐标系，让每一层点云的坐标系与lmageware界面坐标系一致，再创建平面，将每层点云包含在这个平面内，将每层点云数据分别投影到每个平面上，再将各平面按1mm偏置，并采用最佳拟合对齐模式进行点云的逐层对齐，最佳拟合对齐模式会自动根据点云和其它几何对象外形间的相似几何定义或对应关系来进行定位，找出最佳的旋转角度和位移，使两者以最小的误差对齐在一起。最终得到气缸盖的点云模型如图2所示。

图2 气缸盖点云模型图
2 水腔的反求设计
    2.1 水腔的曲线拟合
    在Imageware中，曲面模块提供了强大的曲线、曲面构建和修改功能，不仅能够完成各种曲线、曲面的拟合，还能直接通过手工或自动的方式编辑曲线及曲面的控制点，使曲线、曲面满足任何形状及光顺性要求。本研究应用Imageware中样条曲线对水腔各截面的点云进行拟和，得到如图3所示的水腔空间曲线。

图3 水腔的空间曲线图
    水腔边界点云拟合后，对拟合的曲线与点云之间的误差进行分析，其中一层的分析结果见图4。通过图4的云图分析，可以看出在细小复杂的特征处，如拐角、尖角等地方误差较大。主要是由于这些地方曲率变化较大，在测量、数据处理过程中就不可避免地产生相对大一些的误差。从图中可以看到最大拟合误差在±0.5mm以内，能够满足精度要求。

图4 曲线拟合误差分析图
    2.2 水腔的曲面拟合
    缸盖的生产需要水腔的型芯，水腔实体的生成可以为水腔型芯模具的设计和制造提供方便。由于UG软件有较强的曲面拟合功能，因此采用UG软件来拟合曲面。水腔结构复杂，形状不规则，由很多特征曲面复合而成，特征棱线不易提取，所以对水腔曲面的拟合，采用分块、分特征的方式进行。
    首先，人为地将其分成若干块，然后分别拟合处理。根据每块的特点，在拟合的截面曲线上适当取点， 构造导引线，再通过构造曲面的各种功能完成曲面拟合，最后对曲面片体进行缝合得到水腔实体，如图5所示。各截面的边界曲线经误差分析，在允许的误差范围内，所以每块的导引线如果位置选择合适，选择恰当的控制点数目，同样可以满足误差要求，保证精度。

图5 水腔的曲面实体图
对拟合后的水腔曲面利用UG软件提供的[偏差分析]功能进行误差分析，结果如图6所示。

图6 水腔模型误差分析图
3 气道的反求设计
    气道的拟合过程与水腔一样，曲线拟合部分用Imageware完成，曲面部分用UG完成。在UG中，针对气道垂直于气缸盖底面的位置特点，首先通过气道进气口或出气口的中心点确定一个与气缸盖垂直的平面，找到新生成的平面与气道各截面拟合线的交点，再拟合各交点，便生成了气道的导引线。如图7所示。

图7 气道导引线轨迹图
    然后进行蒙皮，根据气道横截面的情况，分块分别选择恰当的剖面线串，拟合气道表面。最后将分块拟合的气道拼接、光顺，得到气道的三维模型并对其进行误差分析，结果如图8所示。

图8 气道拟合误差分析图
4 气缸盖CAD模型重构
    完成气缸盖其它结构的拟合后，将气缸盖外形拉伸出来，与内部结构进行求差，得到如图9所示的气缸盖CAD模型。气缸盖的剖面如图l0所示。

图9 气缸盖CAD模型图

图10 气缸盖X方向上的剖面图
    对拟合后的气缸盖表面进行误差分析，结果如图11所示。

图11 气缸盖表面拟合误差分析图
    通过分析可以看到，气缸盖外形曲面的结构要比水腔简单，所以拟合后的偏差较小，达到了要求。
5 结语
    本研究通过对发动机气缸盖的CAD模型重构，探索了基于层切法的曲面内腔类零件的反求设计方法，从实用的角度达到了预期的目标，但仍有一些问题有待进一步研究：
    1)用层切法对内腔类零件进行逐层铣削时，应根据零件的曲面形状决定各部分的加工间隔，曲面变化小的部分加大间隔，曲面变化剧烈的部分减小加工间隔，以获得较高的点云数据采集精度。
    2)针对不规则的复杂情况进行拟合还存在一定难度，如水腔曲面拟合的效果还不是很理想，若对螺旋气道进行拟合难度就可能还要大一些，因此拟合的方法和手段还需进一步研究。