基于Geomagic软件的汽车缸盖气道芯子逆向工程设计

2017-04-24 12:23:41·

针对汽车缸盖气道芯子的特点，利用光栅结构光扫描仪，测出点云数据，然后将测量的点云数据用Geomagic软件进行各项优化处理，创建多边形网格及NURBS曲面，然后利用CATIA软件的曲面造型功能，做出CAD模型。实现了汽车缸盖气道芯子由实物到点云、再由点云到三维模型及模具的快速逆向设计。

1 引言

汽车工业是现代发展很快、技术含量很高的产业，汽车的产量将越来越大。气缸是汽车的核心部件，其形状非常复杂，技术要求高，它的质量直接影响汽车的性能和质量。缸盖是气缸的重要组成部分，同样形状复杂，技术要求高。缸盖的生产，特别是轿车缸盖的生产，一般采用金属型、砂芯、铝合金铸造。砂芯一般采用热芯盒树脂砂芯。对缸盖而言，有水夹套、进气道、排气道等砂芯。而进排气道的形状相对缸盖的整体性能来讲是很重要的。因此这种异性曲面用一般的方法制造。其结果误差是很大的。因此这种异形曲面需采用逆向工程技术快速完成数字建模，加快了新产品的更新换代，提高了产品外观的新颖性、复杂性及制造精度，降低了产品研制开发的周期和成本。逆向工程技术的出现改变了传统产品设计开发模式，成为现代企业开发新产品的重要设计手段。

2 产品对象的数字化

针对汽车4100发动机缸盖气道沙芯，在产品的对象数字化过程中。首先在进行曲面的测量和造型之前，必须对曲面进行分析，划分曲面的类型并对曲面进行适当分块，从而为后续的曲面测量和造型做准备。气道砂型精度要求比较高，因为他的形状直接决定了发动机的性能要求。因此我们采用了光栅结构光扫描仪。三维扫描仪光栅编码法测量组成原理：光源照射光栅，经过投射系统将光栅条纹投射到被测物体上，经过被测物体形面调制形成测量条纹，由双目摄像机接受测量条纹，应用特征匹配技术、外极线约束准则和立体视觉技术获得测量曲面的三维数据。气道沙芯的曲面均为复杂不规则曲面，用一般的接触式测量仪能造成部分死角无法获取数据，导致最终气道设计误差的增大。用结构光测量仪可以降低误差，而且获取数据的时间比较短。此气道采用贴小球的方法测量多次，最后，用GEOMAGIC专业逆向软件进行定位组合。

图1 缸盖排气沙芯

图2 缸盖进气沙芯

获取数据的过程如下：利用3dss测量机的测量软件进行气道沙芯数据的获取。此软件每测完一次将手动保存文件。在测量时根据气道沙芯的外型特征，可自行调整测量位置。将导出的ASC格式输入GEOMAGIC专业逆向工程软件进行点的修补和拼合。经过GEOMAIGC处理之后的面输入三维设计软件CATIA中进行实体的构建。在CATIA中进行气道芯子模具的设计。

3 Geomagic软件简介

Geomagic Studio是美国Raindrop Geomagic软件公司开发的专业逆向工程软件，该软件是目前对点云处理及三维曲面构建功能最强大的商业软件，是唯一一款直接有点到面的逆向专业处理软件。

Geomagic Studio软件支持所有来自3D数字捕获器、数码相机及扫描仪的XYZ/ASCII数据格式，并能处理有序曲面、无序曲面和体数据。通过加载预先定义的转换矩阵，简化扫描数据的方位，利用1点和n点进行手动多点注册，利用目标位置注册及全球坐标系统注册进行自动的多点注册自动的融合多个扫描。从点云到最终生成表面模型，整个过程的逆向工程处理完全自动化。

4 产品对象的模型重构

4.1 气道砂型的逆向造型

用Geomagic软件造型时，首先读入所有测得的点云数据，然后以造型曲面分析为基础进行砂型的逆向造型。

图3 进气道砂型点云

图4 排气道砂型点云

4.2 在POINTS状态下的优化处理

在扫描过程中，由于摆放位置的关系或被扫描物体表面准备处理不好，会产生噪声点。在一个曲面对象中粗糙的、不均匀的表现就是噪音点数据。噪声点的存在将影响工件表面质量，必须去除。

一般要进行去除噪点（Reduce Noise）及统一取样（Uniform Sample）的操作。过密的点云不但计算量大，而且可能影响其光顺性。而利用数据点云进行曲面重构、三角网格构造或评价被测曲面的误差，不需要过密的数据点，因此，精简测量数据是数据预处理的重要工作之一，可用采样来减少对象中的点数量，保持零件的精确性。在具体操作时要根据样件的不同特性。选择应用取样的命令。在所有的点的优化处理结束之后，要进行多次测量点的合并（Merge）。用此命令可以使多次测量重合的点能自动选择保留和删除不需要的点。并能自动转换到封装（Wrap）的界面中。

4.3 创建多边形网格的优化处理

图5 进气道砂型网格

图6 排气道砂型网格

在此工作界面下有很多如何使网格点云光顺、修边、补洞、多边形简化、按曲率或角度选择、反选等等功能命令。有很多技巧。因为网格处理的效果，直接影响了后期NURBS曲面的质量和精度。如果点光顺的频率和强度过多，就会影响最终产品的精度。如果一味的为了精度。就会使最终的NURBS曲面质量极差，无法达到产品的客观要求。

4.4 创建和输出NURBS曲面

通过对多边形模型编辑和修复，即可在多边形对象上创建NURBS曲面。进入Shape Phase形状阶段来开始曲面拟合过程，在这个工作界面下，关键是在软件自动划分网格面后，要分析样件，根据气道的外形特征进行面片的重新划分、重组、合并等操作。最后软件分析面片的合理性和容错性。应用repair patches命令检验和优化面片。建立了曲面化的模型后，还需要对点云进行误差分析，满足精度要求后把这个曲面数据输入到CAD系统中，与CATIA软件结合使用，因此，转换成IGES格式，在CATIA软件里将片体缝合，生成实体。

图7 进气道砂型实体

图8 排气道砂型实体

5 CNC加工模具数据

在砂型的模型图设计完成后，要对他进行于点云的比对分析或通过制作快速成型，以此来验证模型数据的准确形。最终要进行芯盒的设计和加工。

图9 进气道下芯盒

图10 进气道上芯盒

图11 排气道下芯盒

图12 排气道上芯盒

6 结语

通过逆向工程技术在气道砂型设计中的应用，实现了在没有产品图的情况下，可得到精确的数字化产品模型，利用先进的光栅结构光扫描仪及专业逆向工程软件Geomagic和CAD软件CATIA的相互结合，显著提高设计效率，缩短产品开发周期。实现了从产品设计到加工整个过程信息流流畅快捷的目标，提高了制造精度。使我们能够设计像气道这样具有复杂型面的零件，并能够对所获得的国内外优良气道进行描叙、归类、分析和综合。并据此能设计和加工出适合企业需要的优良气道，从而对汽车发动机性能的提高做出贡献，因而具有极大的现实意义。