逆向工程技术在摩托车发动机缸盖气道设计中的应用

闲人

摘要：简述了摩托车发动机气道的特点和要求。讨论了引入逆向工程技术的实现过程，特别提出了在逆向工程专用软件SURFACES中进行气道沙芯复杂曲面重构的实现方法，及在三维软件中进行气道沙芯实体构建，及气道分析。
关键词:自由曲面；逆向工程；SURFACES；SOLIDWORKS；LACUS150B

一、前言

近年来，我国摩托车制造工业迅速发展，设计技术不断提高，而结合逆向工程的设计技术也得到了广泛应用。摩托车发动机气道是形状复杂的自由曲面，其气道沙芯的外型图见图1所示。

图一

摩托车发动机气道所处的空间位置受缸盖上喷油器、固定螺栓和气门等的布置限制，而且也受进排气道三角区结构的制约，性能上则需保证高的充气系数和小的进排气阻力等要求，设计时所要考虑的制约因素很多，设计要求繁杂，然而，这却是发动机设计中不可避免的关键部分，对整机性能影响很大。为了得到优良的气道，以往通常是对初步设计的气道制成模型，在稳定试验台上反复试改。这个工作不仅耗时耗工，而且得到的结果也仅仅是满足设计要求的可行性方案，难以实现多气道形状方案的选择和气形优化。故其设计表征、结构分析、性能评价和制造加工一直是困扰设计人员的难点之一，但这却是气道新品开发必须面对而需解决的。为此，我们在摩托车发动机进排气道沙芯的设计中引入了逆向工程技术。

逆行工程技术在自由型曲面的设计和制造中有明显的实用价值。但在应用中有两个难点，即产品的对象数字化和曲面重构。

二、产品对象的数字化

针对摩托车发动机气道沙芯，在产品的对象数字化过程中，我们采用了深圳海信逆工程公司生产LACUS150B型激光扫描仪。LACUS系列激光线扫描测量仪采用三角测量法原理，通过激光光刀对物体表面进行扫描，然后利用CCD摄像机采集被测物体表面的光刀曲线，送入计算机对信号进行处理，最终得到物体表面准确的三维坐标数据，是一种非接触测量仪器。如图1所示，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可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。用激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两次，最后，用SURFACES专业逆向软件进行定位组合。

获取数据的过程如下：

1、 利用LACUSE150B测量机的测量软件 Hiscanner进行气道沙芯数据的获取。此软件每测完一次将自动保存一默认DATE文件内。在测量时根据气道沙芯的外型特征，可自行调整测量间距。
2、 将测量的所有数据导入到LACUS150激光线扫描数据处理系统Retool中进行部分处理，以IGS格式导出。
3、 将导出的IGS格式输入SURFACES专业逆向工程软件进行线面的处理。
4、 经过SURFACES处理之后的面输入三维设计软件Solidworks中进行实体的构建。

三、产品对象的模型重构

本项目中利用已获取点数据IGS格式输入SURFACES中进行线、面重构。

1、首先用Registration®stepwise Registration将两次不同定位测量的数据进行组合。
2、进行坐标定位，目的为了与其他三维软件相互结合。根据气道沙芯圆柱底座点云，构造圆柱底座圆面的圆。再利用Display®Translate®object和Display®Rotate®object进行所有点云的定位，最终使圆坐标与World Axes坐标几乎一致。
3、删除非点，Circle®Select Points
4、结合Point及Curve下拉菜单中的部分命令进行线的构造。
5、结合Point、Curve及Surfacer下拉菜单中的部分命令进行面的构造。（具体的构造过程比较复杂麻烦，在此不一一赘述）。

图二

6、将构建好的面输入Solidworks中进行实体的重构如上图。

四、产品对象分析

对象分析的首要目标是面分析。即求得曲面上曲率变化大的区域，并将这些区域记录存储在指针所指的数据库表中，供制定ＣＭＭ自动检测路径、编制ＮＣ补加工代码和安排加工工艺时调用。此气道型芯扫描有两种，其中之一为日本某企业发动机气道树脂型芯。另一为国产发动机气道砂型型芯。分别利用逆向技术重构出模型，进行对象分析，找出两者之间的差别。之后进行快速成型制作，装机试用之后，根据试用效果进行进一步改进，再通过逆向技术进行模型重构，之后进行模具制作。如下图：

图三 模具图

五、结论

通过逆向工程技术在气道沙芯设计中的应用，实现了产品模型的精确统一描述，而且在没有产品图的情况下，也可得到精确的数字化产品模型，并对之进行分析和优化，进而根据模型的分析结果在ＮＣ机床上加工出来。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。大大缩短了产品的开发周期，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。并据此设计和加工出适合企业需要的优良气道 ，从而对内燃机整机性能的提高做出贡献 ，因而具有极大的现实意义。