基于正/逆向混合技术的发动机数模重构

李卫民，丛 伟，潘士超，陈肖依

基于正/逆向混合技术的发动机数模重构

李卫民，丛 伟，潘士超，陈肖依

（辽宁工业大学 机械工程与自动化学院，辽宁 锦州 121001）

为解决发动机内部进出水道和进排气道因结构形状复杂且用户无法获取内部点云模型数据，而导致传统实体模型重构困难的实际问题，并进一步提高目前传统正/逆向工程设计方法中的传统模型实体重构效率与设计精度，研究正/逆向混合建模设计方法及其应用特点。以4A95TD型汽油发动机为主要研究对象，通过线切割—硅胶填充的组合方法获取精准的内部水道和气道模型，结合使用软件Geomagic Studio以及CATIA等逆向软件工具进行数据复杂处理与再设计优化。最后，建立完整发动机三维数字模型。通过对模型误差精度的分析，重要结合面的精度符合模型建模精度要求，验证了正/逆向混合建模技术的正确性与合理性，对发动机组合结构性能预测、疲劳分析和结构维修具有一定的参考意义。

逆向工程；发动机；正/逆向混合技术；误差分析

在对4A95TD汽油机进行有限元分析之前，需要建立完整的汽油机三维数字模型。传统正向设计建模时间及人工成本较高，尤其是建立发动机气缸盖内部水道气道模型时，内部曲面结构错综复杂无法准确获得其三维数字模型[1]。在保证精度前提下缩短发动机模型获取周期，本文采用基于逆向工程技术结合正向建模的方法对模型进行建立。

1 正/逆向混合技术

通过测量设备获取三维模型点云数据，经软件Geomagic Studio对点云数据进行预处理操作，运用CATIA软件进行特征曲面拟合操作，经布尔运算细节操作将拟合生成的曲面实体与正向建立的模型实体组合成完整发动机实体，通过误差分析对三维数字模型进行校核。正/逆向混合建模流程图，如图1所示。

图1 正/逆向混合建模流程图

逆向工程技术具有研发周期短、设计成本低、产品修复开发和再设计方便等优点，同时结合正向设计的高精度及简单模型快速生成建模特点，将发动机外部几何结构进行精准快速的建立。

2 4A95TD型汽油发动机的模型重构

2.1 点云数据采集前准备

(1)数据采集设备的选取

数据采集是获取复杂零件尺寸的关键步骤。在逆向工程中，测量设备的选择决定了模型重构的效果和速度。如果测量设备的可用性较差，不仅会给模型的获取带来困难，还可能导致最终的模型精度不合格[4]。因此，选择合适的数据采集设备是正/逆向混合建模的基础和关键技术之一[5]。

以各种扫描仪为代表的非接触测量系统在数据采集中发挥着越来越重要的作用。如表1所示，是各种扫描设备参数信息的比较[6]。

结合各扫描设备参数及特点，综合考虑便携性、灵活性、扫描精度、扫描速度、扫描范围以及设备数据处理格式等方面。选取手持式激光扫描测量，如图1所示。Handyscan三维激光扫描系统配备VXelements三维数据采集软件，为整个三维扫描测量技术提供了强有力的技术支持[2,3]。

表1 各种测量设备的参数信息对比

设备扫描范围扫描精度扫描速度材料限制便携性特殊要求 机械臂式4 m0.1 mm较慢无一般需要手动测量 三坐标工作平台2 μm慢无较差需要多次测量 光栅式无限制0.5 μm较快无好环境光源稳定 激光扫描式无限制0.1 μm较快无好采集前需清洁零件 激光跟踪式70 m0.5 μm较快无较好大尺寸工件测量 超声波4 m0.1 mm较慢有较差内部结构难以测量 CT扫描1 m0.5 mm较慢无较差内部结构难以测量

图1 Handyscan 3D激光扫描仪设备

(2)清洗缸体缸盖

发动机缸体缸盖内外表面附着机油，用四氯乙烯溶液清洗机油，为点云数据获取时喷涂显像剂以及粘贴标记点做准备。清洗后发动机缸体缸盖如图2所示。

(3)喷涂显像剂并粘贴标记点

Handyscan扫描仪收集点云数据依靠标记点进行定位。为降低扫描过程中因环境光线、零件表面反光等因素产生的噪点问题在发动机缸体缸盖表面均匀喷涂显像剂。待显像剂干燥后将标记点直接粘贴在发动机表面。如图3所示，喷涂显像剂及粘贴标记点后的缸体缸盖。

(4)扫描仪校准

在采集数据之前，对扫描仪进行定位和校准。校准的顺序为：垂直校准、上下倾斜校准、左右倾斜校准。扫描时应手眼协同，通过观察工作站显示器校准界面中的箭头位置关系适当调整高度以及角度。当交叉激光束对准校准板空白交叉处即为一次有效校准。当下方进度条提示完成，表明已完成扫描仪校准。如图4所示。

图4 扫描仪校准图

(5)配置扫描仪

配置扫描仪分为曝光程度与配置扫描仪参数。曝光配置图呈现出灰色、黄色、红色3种颜色。灰色占据大部分界面时表示曝光不足，无法获取点云数据；黄色占据大部分界面时表示曝光数据可靠，数据清晰明亮；红色占据大部分界面时表示曝光过度，导致数据异常。当获取点云数据时，曝光应避免出现红色与灰色，尽量出现尽可能多的黄色。根据发动机三维点云数据以及采集条件调整手持扫描仪的激光功率为65 W、快门大小2 ms。

2.2 点云数据采集

在点云数据采集前根据发动机结构特点，规划扫描路线，避免重复扫描造成数据冗余，影响整体点云数据质量，对于小特征，通过控制标记点分布密度，避免特征被覆盖而无法采集。运用Handyscan 3D激光扫描仪点云数据采集过程中，需注意扫描角度、扫描间距以及眼手协调配合通过观察工作站实时扫描进程，根据数据缺失的情况及时调整[5]。图5所示分别为缸盖、缸体扫描后的点云数据。

手持扫描仪获取点云数据时只能扫描发动机的表面特征。由于后续有限元分析需要对内部流场和温度场进行研究，因此还需获取发动机的内部完整水道气道，通过对模型内部结构的分析。

由于发动机缸体的水道是一个开放的水道，因此可以直接通过测量直接得到水道的参数信息；发动机缸盖的水道和气道属于一个环绕式封闭腔体，无法直接获取其内表面特征。针对复杂的内腔表面获取点云数据信息问题，通常采用破坏性方法和无损检测方法：常用破坏方法为逐层切割摄影测量法，其获取内腔点云数据的主要技术特点是用很小的切片厚度和方法逐层切割每一块材料，通过面片的叠加和组合来重建模型。处理大量的数据，精度虽然为±0.0254 mm，但效率较低，后处理复杂；常用的无损检测方法有工业CT法和腔内复制法。工业CT不损伤实物，但成本高，精度低。腔内复制法是注入快速凝固的硅胶，凝固后取出，复制内腔的形状。它具有效率高、成本低的优点。但不适合过于复杂的内腔形状，不利于硅胶材料的填充和取出。

综合分析发动机缸盖内部结构特点，本次课题集破坏法与无损检测法优点，采取线切割—硅胶填充的组合方法，即将缸盖进行线切割让其内腔充分暴露有利于硅胶的取出。硅胶充填法不仅可以复制内部腔道还可以补偿因线切割加工引起的尺寸误差，进而控制模型获取精度。

为解决线切割对模型产生的误差影响，将图6中缸盖左端固定作为尺寸测量基准，对切割前后的缸盖分别测量A、B、C、D、E的具体尺寸，根据误差分析对切分后的缸盖进行拼装留出误差缝隙，如图6所示，调整后的缸盖对其四周进行固定并将缝隙外部进行封装为硅胶填充做准备，误差分析见表2。

表2 误差分析

实际尺寸/mm切分后尺寸/mm误差/% A150147.151.90 B233230.051.27 C316311.511.42 D216215.120.40 E443439.890.70

2.3 点云数据预处理

(1)点云数据的去噪与滤波

由于噪声点的存在会对实体的形状产生很大的影响，构造的实体形状也不同于原始实体，噪声点的存在是不可避免的。对于有序点云，通常使用高斯滤波法、均值滤波法或中值滤波法。本文选用高斯滤波方法对点云数据和滤波处理数据进行去噪[6]。以缸体为例，缸盖同理。如图7所示消除噪声点前后对比图。

(2)点云数据集成、简化、融合和修复

细小特征因光线照射不到，会形成一些空洞，导致部分点云数据缺失，在Geomagic Studio中，根据缺失部位的曲面曲率，参考实物的结构尺寸，采用曲率或者桥接的方式对数据进行补全，保证点云数据整体的平顺度与质量，如图8所示。

(3)点云数据的对齐与坐标系的建立

正确合理的坐标系直接影响后续模型建立的精度。如图9所示，选取三个精加工面在Geomagic studio环境中构成建模基准，分别根据曲率拟合出XY平面、XZ平面和YZ平面，将拟合平面通过手动配对方式进行全局对齐，完成点云数据坐标系的建立。图9(a)显示模型坐标建立前的状态，其位置是随机和不规则的。图9(b)显示了对齐后的模型状态，模型的基面和对称面分别与3个基准面重合。

图9 坐标系的建立

通过Geomagic Studio对点云数据进行预处理后，将完整点云数据进行封装，生成通用点云文件STL格式，为模型重建做准备。

2.4 模型重构

模型重构是逆向工程的核心阶段。CATIA软件包含两个功能：逆向曲面拟合建模和正向建模。在CATIA环境下建立的三维数字模型可以导入其他建模软件进行创新和重新设计。在发动机缸盖的造型过程中，正向建模方法可用于不涉及特殊曲面的特征，正向建模的主要思想是通过截取面片数据生成面片草图，然后利用面片草图生成特征。逆向建模通过创成造型设计、快速曲面重构和自由曲面的拟合等操作命令下完成复杂曲面的重构。

在对缸盖进行模型重构时对局部作出展示，如图10所示。图10(a)在逆向模块中通过CATIA的平面切分命令，对缸盖点云数据进行多层切分，点云数据与切平面相交形成3D轮廓曲线，图10(b)获取在该曲线下拟合出的局部曲线草图，通过平面切分与轮廓曲线的各交点，用3D曲线命令顺次连接各交点，建立多组草图下的多截面实体轮廓引导线保证缸盖曲面具有良好的连续性；图10(c)通过创成式外形设计平台中多截面实体命令选中各切面草图以及轮廓线生成曲面实体；图10(d)局部模型建立采用正向建模原理，经切分获取轮廓线，依据面片轮廓曲线绘制局部草图；图10(e)在创成式外形设计平台经实体拉伸命令生成实体模型；图10(f)将多截面实体生成的曲面模型与实体拉伸生成的实体模型，经布尔加操作命令将两部分实体进行合并；图10(g)曲面实体与拉伸实体经布尔加操作则合成一个新实体为下一次布尔加操作做准备。

图10 局部模型重构

缸体的模型重构方法与缸盖模型重构方法基本一致，区别在于两者水道获取方式截然不同。缸体的水道为开放式水道，扫描仪虽无法直接扫描获取其点云数据，但是可通过测量工具获取其具体水道深度、宽度以及半径等尺寸，通过正向建模方法直接获取缸体的水道模型；缸盖的水道为封闭式，通过扫描脱模硅胶建立缸盖水道气道模型。

将通过线切割—硅胶填充组合方法获取的水道、气道数字模型与缸盖模型之间采用布尔减操作，得到了完整的缸盖三维数字模型。完成的发动机缸盖三维数字模型如图11所示，其中图11(a)为水道三维数字模型，图11(b)为进气道三维数字模型，图11(c)为排气口三维数字模型，图11(d)为气缸盖三维数字模型。

在缸体水道建模中，由于缸体内部水道是开放的，因此无需进行线切割操作即可获得水套周围的水道特性，缸体三维数字模型如图12所示。

图12 气缸体模型重构实体图

3 误差分析

采用正/逆向混合建模技术对4A95TD型汽油发动机进行模型重构过程中，产生误差的原因有很多，如设备的精度、环境因素以及发动机表面特性等，影响数据测量精度的主要因素如下。

(1)模型本身的因素

4A95TD型汽油发动机材质为压铝铸件，表面粗糙度较高不利于点云数据采集，采用喷涂显像剂可以有效减小测量误差。

喷涂时，显影剂应均匀喷涂在试件表面，涂层不宜过厚；由于发动机表面结构复杂，比如深凹槽等细小特征，存在点云数据采集困难等问题，因无法采集导致的误差是不可避免的。

(2)标记点因素

全部的测定方法都需要标记点定位。光学测定软件对标记点与采集点之间的非线性关系作了许多理想性的假设，导致了非线性系统的一些误差，从而导致图像测量精度的误差。

(3)扫描仪本身的错误

所有的扫描器都通过光斑反射的信号来定位目标。在扫描器允许测量范围内，垂直于入射光的光斑半径符合公式(1)。

式中：0是激光最低半径，λ是激光波长，是距离。从公式可知扫描目标光斑直径0随着增大而增大，误差也相应变大。

(4)线切割误差

在处理通孔和内部封闭结构时，本课题介绍了线切割—硅胶填充的组合方法及误差消除方法，可有效降低线切割引起的误差。

(5)模型重构过程中的误差

例如曲面重构，对于同一个曲面，可以采用多种方法重建曲面，如强拟合、多段曲面、桥接等，每种方法得到的曲面质量是不同的，应该尝试多种方法，最后选择最佳的方法来提高精度。在保证拟合曲线与点云数据接近的前提下，还应考虑光顺度的影响。

对整个模型进行偏差检测是正/逆向混合建模的最后阶段。在CATIA软件中，对比检测提取实体与点云数据之间距离，完成误差分析。

图13所示为提取缸盖实体的模型与缸体实体的模型。

图14(a)所示为缸盖与气缸垫结合面误差检测图，观察分析可以看出误差整体在9～-11 mm之间，其中3.2～-3.7 mm范围内占比高达90%以上，在3.2～-3.7mm 范围以外9～-11 mm之内的误差是由于缸盖自身表面粗糙度过大引起符合实际情况，整体结合面误差满足汽油发动机缸盖接触面的模型重构精度要求。

图14(b)所示为缸体与气缸垫结合面误差检测，观察分析可以看出误差整体在1.81～-1.06mm之间，其中1.23～-0.707 mm范围内占比高达90%以上，整体结合面误差满足汽油发动机缸体接触面的模型重构精度要求。

图14(c)所示为缸盖整体误差检测，缸盖误差18～-24 mm。

图14(d)所示为缸体整体误差检测，缸体最大正误差为25～-23 mm。经过观察最大误差点出现位置可以发现，较大误差的产生位置在螺栓孔以及其他孔道位置，在测量过程中，深孔位置显像剂无法附着导致阴暗激光被阴暗部分吸收，造成点云数据获取不准确，在误差检测分析中应去除这些误差点的影响。排除系统误差后，汽油发动机缸体和缸盖的表面整体误差在15～-13 mm和6～-7.9 mm之间的误差点占比达到90%以上，满足铸件模型重构的精度要求。通过误差分析，验证正/逆向混合建模方法可以满足建模精度要求。

图13 提取实体模型

结合CATIA软件误差检测对模型重要接触表面以及整体进行误差分析，如表3所示。

图14 误差检测

表3 误差分析

最大误差/mm占比90%误差/mm分析误差原因并判断是否符合精度要求 a9～-113.2～3.7缸盖自身表面粗糙度过大引起符合实际情况，整体结合面误差满足汽油发动机缸盖接触面的模型重构精度要求。 b1.81～-1.061.23～-0.707精度较高，整体结合面误差满足汽油发动机缸体接触面的模型重构精度要求。 c18～-246～-7.9较大误差的产生位置在螺栓孔以及其他孔道位置，在测量过程中，深孔位置显像剂无法附着导致阴暗激光被阴暗部分吸收，造成点云数据获取不准确，在误差检测分析中应去除这些误差点的影响。总体满足铸件模型重构的精度要求。 d25～-2315～-13较大误差的同样在螺栓孔以及其他孔道位置，在测量过程中，深孔位置显像剂无法附着导致阴暗激光被阴暗部分吸收，造成点云数据获取不准确，在误差检测分析中应去除这些误差点的影响。整体满足铸件模型重构的精度要求。

通过误差分析，验证正/逆向混合建模方法可以满足建模精度要求。

4 结论

综合分析并运用正/逆向混合建模技术，建立了4A95TD汽油发动机缸盖和缸体的三维数字模型。为了保证模型的准确性，在点云数据采集前的准备工作中应有效避免模型本身、环境和扫描设备造成的不必要的误差。然后从点云数据采集到数字模型的建立，结合目前复杂内腔的多种点云数据采集方法，集多种方法的优点，最后确定采用线切割—硅胶填充的组合方法获得发动机缸盖水道和气道的实体模型。最后，基于CATIA平台的创成式外形设计模块，对缸体缸盖及其水道气道的三维数字模型进行布尔操作，得到满足精度要求的缸体缸盖三维实体模型，为有限元分析做充分准备。本研究方法对逆向工程模型的创新、误差的降低以及获取实物三维数字模型效率的提高等均具有重要参考价值。

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Digital Analog Reconstruction Of Engine Based on Forward/Reverse Mixing Technology

LI Wei-min, CONG Wei, PAN Shi-chao, Chen Xiao-yi

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

In order to solve the problem of difficult reconstruction of the traditional solid model due to the complicated structure and shape of the engine’s internal water inlet and outlet channels and the user’s inability to obtain the internal point cloud model data, and to further improve the current traditional forward/reverse engineering design methods, traditional model entity reconstruction efficiency and design accuracy, forward/reverse hybrid modeling design method and its application characteristics are studied. Taking the 4A95TD gasoline engine as the main research object, the precise internal waterway and airway model is obtained through the combined method of wire cutting and silica gel filling, and the software Geomagic Studio and reverse software tools such as CATIA are used to carry out complex data processing and redesign optimization. Finally, a complete three-dimensional digital model of the engine is established. Through the analysis of the model error accuracy, the accuracy of the important bonding surface meets the modeling accuracy requirements, the correctness and rationality of the forward/reverse hybrid modeling technology is verified, and it is useful for the performance prediction, fatigue analysis and structural maintenance of the engine composite structure.

reverse engineering; engine; forward/reverse mixing technology; error analysis

10.15916/j.issn1674-3261.2022.02.001

TP391

A

1674-3261(2022)02-0071-07

2021-04-23

辽宁省重点科技攻关项目(2014106008)；锦州市科学技术计划项目(16A2G32)

李卫民(1965-)，男，辽宁朝阳人，教授，博士。

丛 伟(1992-)，男，辽宁大连人，硕士生。

责任编辑：陈 明