逆向工程技術(shù)在高精度模具開發(fā)中的應(yīng)用

陳慶紅

(福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動化工程系，福建 南平 353000)

隨著市場競爭的不斷加劇，能否快速地生產(chǎn)出符合市場需求的產(chǎn)品是企業(yè)能否快速占領(lǐng)市場的關(guān)鍵.隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品的方法也不斷變化.在產(chǎn)品實際設(shè)計開發(fā)過程中設(shè)計人員接收的技術(shù)資料可能是各種產(chǎn)品的圖紙資料，但很多時候卻是客戶提供產(chǎn)品的實物模型要求開發(fā)新產(chǎn)品.逆向工程技術(shù)就是根據(jù)客戶提供的實物模型，通過三維掃描測量數(shù)據(jù)模型，再通過逆向建模構(gòu)造出產(chǎn)品的CAD模型的過程.逆向工程為客戶和生產(chǎn)企業(yè)快速開發(fā)產(chǎn)品提供了強有力的工具，是縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的有效方法，特別是形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品或自由曲面較多的產(chǎn)品，例如：人體器官、雕塑品、模具等[1].逆向工程技術(shù)的研究在數(shù)據(jù)處理、曲面擬合、特征識別、商用專業(yè)軟件和坐標(biāo)測量機的研究開發(fā)上取得了一定成績.但是在實際應(yīng)用當(dāng)中，整個過程仍需要大量的人機交互工作，作業(yè)者的經(jīng)驗直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，自動構(gòu)建曲面的連續(xù)性難以保證.以下關(guān)鍵技術(shù)是逆向工程主要發(fā)展方面也是在應(yīng)用時必需予以解決的問題：(1)數(shù)據(jù)測量方面：逆向工程技術(shù)應(yīng)用很大程度上受數(shù)據(jù)測量精度的影響，直接影響三維數(shù)字化模型精度，及模型構(gòu)建路徑規(guī)劃；(2)數(shù)據(jù)的預(yù)處理方面：針對不同種類的測量數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)據(jù)處理軟件，完善改進數(shù)據(jù)處理算法；(3)曲面構(gòu)建：能夠控制曲面的連續(xù)性和能夠進行光滑拼合；(4)集成技術(shù)：包括測量技術(shù)、模型重建技術(shù)、基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同設(shè)計和數(shù)字化制造技術(shù)等的逆向工程技術(shù)[2].本文主要介紹逆向工程技術(shù)在發(fā)動機活塞模具開發(fā)中的應(yīng)用.

隨著發(fā)動機向高溫、高壓、低排放趨勢發(fā)展，對發(fā)動機的關(guān)鍵部件活塞也提出了更高的要求，它是汽車發(fā)動機的“心臟”部件.活塞的主要作用是承受氣缸中高溫高壓燃?xì)獾淖饔?，將燃燒氣體的壓力通過活塞銷和連桿傳遞給曲軸，在工作過程中承受交變的機械負(fù)荷和熱負(fù)荷，是發(fā)動機中工作環(huán)境最惡劣的關(guān)鍵零部件之一.汽車發(fā)動機活塞結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高，外形與內(nèi)腔結(jié)合，復(fù)雜的自由曲面較多，并且有倒鉤結(jié)構(gòu).若采用傳統(tǒng)的檢測樣件后正向建模，耗時耗力，一些復(fù)雜曲面無法獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，直接影響設(shè)計精度.特別是活塞上非加工且功能性部位，如燃燒室、活塞裙部等部位精度直接影響發(fā)動機性能.逆向工程技術(shù)應(yīng)用于活塞模具開發(fā)主要需解決以下幾個問題：第一，使設(shè)計的模具開發(fā)出的活塞產(chǎn)品與實物樣件最貼合化，可以通過以下幾個方面予以保證：(1)數(shù)據(jù)采集測量精度的保證；(2)數(shù)據(jù)處理精度的提高：(3)曲面構(gòu)建精度的提高.第二，合理設(shè)置活塞各部位收縮率，從而減少試模、修模次數(shù)，可從兩方面予以解決：(1)曲面構(gòu)建時的連續(xù)性和光滑拼接；(2)通過應(yīng)用3D打印技術(shù)制作模型樣件，通過測量技術(shù)對比分析后予以調(diào)整.

本研究課題與華閩南配集團股份有限公司合作，以企業(yè)生產(chǎn)的汽車發(fā)動機活塞產(chǎn)品的模具開發(fā)為依托，進行逆向工程技術(shù)在高精度模具開發(fā)中的應(yīng)用研究.下面以一款汽油機活塞模具為例，講解逆向工程技術(shù)在發(fā)動機活塞模具開發(fā)中的應(yīng)用.

1 數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理.

數(shù)據(jù)采集是由實物測量出數(shù)據(jù)點云的過程，根據(jù)測量方法不同，采集數(shù)據(jù)的方法分為接觸式測量采集和非接觸式測量采集兩種.接觸式測量采集是通過傳感器觸頭接觸實物樣件上的點，從而記錄實物樣件上各點的坐標(biāo)位置，從而獲得樣件表面點云數(shù)據(jù)的方法，常用的測量裝置有三坐標(biāo)測量儀等.非接觸式測量采集主要是利用光學(xué)、磁學(xué)等基本原理，通過三維掃描獲取零件表面點云數(shù)據(jù)的方法，常用的儀器有光學(xué)掃描儀、激光掃描儀等[3-5].活塞產(chǎn)品精度要求高，特別是燃燒室及裙部部位，直接影響發(fā)動機性能.為了獲得高精度的數(shù)字化模型，本研究課題點云數(shù)據(jù)測量使用的是德國gom公司進口的ATOS藍(lán)光三維數(shù)字化掃描及檢測系統(tǒng).該系統(tǒng)能夠在日常光源條件下進行零部件的三維數(shù)據(jù)獲取，配有對稱式雙CCD藍(lán)光掃描儀，CCD相機像素大于5百萬像素，分辨率為2448 x 2050 像素，測量點距小于等于 0.055mm，測量精度：圓度標(biāo)準(zhǔn)差公差≤0.004mm，球心距公差≤0.009mm.測量系統(tǒng)配置有擺臺及轉(zhuǎn)臺，可實現(xiàn)自動掃描.數(shù)據(jù)處理配有ATOS Professional 掃描專業(yè)版軟件，能實現(xiàn)自動擬合功能，測量數(shù)據(jù)拼合功能及強大的點云數(shù)據(jù)編輯功能.獲取的測量數(shù)據(jù)精度高、質(zhì)量好、噪點少、無分層，這為后續(xù)的逆向建模提供了高精度的數(shù)據(jù)化模型.

圖3 點云數(shù)據(jù)

此款活塞材料為鑄造鋁合金，產(chǎn)品外圓有金屬光澤.為了更好的掃描出活塞的三維特征，使點云數(shù)據(jù)更精確，掃描前需要噴涂一層薄薄的顯像劑(鈦粉)，并貼上標(biāo)識點，貼標(biāo)識點時注意最好貼成三角形或四邊形形狀(見圖1).活塞結(jié)構(gòu)復(fù)雜，掃描時必須將上部與下部分開掃描(見圖2).我們設(shè)計了一個定位圈，安裝在旋轉(zhuǎn)臺上，實現(xiàn)對活塞零件的裝夾.活塞上、下部掃描好后，須通過ATOS Professional軟件進行多邊化與重新計算將上下拼合在一起(見圖3)，并對測量數(shù)據(jù)進行編輯，去除噪點，修補孔等操作.在掃描過程中對于活塞環(huán)環(huán)槽部位及活塞頭部底側(cè)倒鉤部位，因特征有一定的深度，藍(lán)光不易到達(dá)，掃描時的角度控制比較關(guān)鍵，要進行單獨掃描.環(huán)槽部位底側(cè)掃描若出現(xiàn)破面，可結(jié)合坐標(biāo)測量機檢測底部尺寸.

2 三維逆向CAD建模

數(shù)據(jù)采集完成后，下一步就是建立CAD模型.由三維數(shù)字化點云數(shù)據(jù)建立CAD模型的方法及使用的建模軟件有很多種.按照參照數(shù)據(jù)形式不同，模型的建立過程也不同，可分以下幾種方法：(1)基于特征的建模方法；(2)基于切片數(shù)據(jù)的建模方法；(3)基于可變形模型的建模方法；(4)整體的自動建模方法[5].目前使用最為廣泛的三維逆向建模軟件有美國Geomagic公司產(chǎn)品Geomagic Studio和德國西門子公司產(chǎn)品Imageware.德國西門子公司產(chǎn)品Imageware逆向建模軟件是一款功能強大的逆向建模軟件，具有優(yōu)異的點云數(shù)據(jù)處理能力、編輯曲面能力和構(gòu)建A級曲面的能力，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、模具、家電等工業(yè)領(lǐng)域[6].本研究課題使用的逆向建模軟件是德國西門子公司產(chǎn)品Imageware逆向建模軟件，將采集的點云資料文件導(dǎo)入Imageware建模軟件，首先要對點云數(shù)據(jù)精簡處理，即三角形網(wǎng)格化處理.活塞各部位建模中最關(guān)鍵的是燃燒室與裙部，如何保證這兩個部位建模精度，直接影響活塞模具開發(fā)精度.下面介紹如何保證這兩個部位的建模精度.

2.1 活塞燃燒室建模

a.未連續(xù)前 b.位置連續(xù)

c.相切連續(xù) d.曲率連續(xù) e.G3連續(xù)

該活塞的燃燒室是非加工表面，燃燒室的外形輪廓對活塞承受的熱負(fù)荷與機械負(fù)荷影響較大，特別是燃燒室的容積影響壓縮比，直接影響發(fā)動機的性能[7].為了提高模型與數(shù)據(jù)點云的貼合度，我們使用基于特征的建模方法.該活塞是對稱產(chǎn)品，在建模時選取活塞主推力面的一側(cè)進行建模.首先對燃燒室交互式的進行區(qū)域分割，每個區(qū)域建立曲面時與點云進行局部擬合，并對曲面進行修改和參數(shù)化設(shè)計.在建模時注意：造型時要做過對稱平面，往回修剪的時候要修剪過對稱平面，然后把造型好的部分以對稱平面進行鏡像處理，中間再以橋接曲面連接兩側(cè)曲面.為了保證燃燒室曲面構(gòu)建時的連續(xù)性和光滑連接，是這樣操作的：首先選取預(yù)連接的曲面，這個曲面是連接時會改變的曲面，再選取另一個連接后不發(fā)生改變的曲面，選取不同的曲面連續(xù)性方式，其控制點將產(chǎn)生不同的變化，見圖4所示.

不同曲面連續(xù)方式誤差對比如表1：

表1 不同曲面連續(xù)方式誤差對比

從以上對比數(shù)據(jù)可以看出G3連續(xù)后，各誤差數(shù)值最小，但從圖上可看出G3連續(xù)后會出現(xiàn)折點，導(dǎo)致第4個控制點處不連續(xù).在保證活塞燃燒室曲面連續(xù)性時，選取對稱后的曲面為改變的曲面，造型的曲面為不變化的曲面，綜合考慮，構(gòu)建活塞燃燒室曲面時選用相切及位置連續(xù)來保證曲面的光滑連接.可以得到位置誤差為0，相切誤差為0的連接曲面.

圖5 不同曲面連續(xù)方式誤差對比圖

2.2 活塞裙部建模

活塞裙部分成兩部分，一部分是需要機械加工的長軸方向，此部位與活塞銷成直角，呈橢圓、中凸結(jié)構(gòu)[8]，此部位因后續(xù)需要精加工，故在模具開發(fā)時可用圓柱體代替橢圓、中凸結(jié)構(gòu).另一部分是活塞銷孔方向，此部位是非加工表面，直接影響裙部的剛性及受熱量.此部位結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，開有橫向的隔熱槽及豎向的膨脹槽.建模時首先找到分模線，對各部分交互式的進行區(qū)域分割，對分割的區(qū)域建立曲面擬合點云，再根據(jù)面與面之間的關(guān)系進行相交位置連續(xù)、相切連續(xù)、倒斜角或倒圓角處理，得到裙部曲面結(jié)構(gòu).

2.3 活塞內(nèi)腔及頭部下側(cè)部位建模

活塞內(nèi)腔及頭部下側(cè)部位均屬于非加工面，復(fù)雜的自由曲面較多，并且有倒鉤結(jié)構(gòu)，分割曲面多，對逆向建模技術(shù)提出了更高的要求.在建模時要分清面與面的分界，各面的連接情況；對一些細(xì)部特征，為了提高擬合度必須進行分割再分割處理.底部止口部位為加工面.且是規(guī)則面，建立規(guī)律曲面即可.

完成建模后得到數(shù)據(jù)點云與CAD模型的對比圖(見圖6).燃燒室部位與裙部部位的模型與點云之間的最大距離可達(dá)到0.05mm的精度以內(nèi)，保證了模型與測量數(shù)據(jù)最貼合化.

圖6 活塞CAD模型

3 利用3D打印技術(shù)打印活塞模型，與實物模型比較，并修改成型

3D打印模型樣件的目的是為了分析活塞各部位的收縮率，并作為模具設(shè)計的參考.

3.1 打印成型

將建好的CAD模型利用光固化快速成型裝置打印成實物模型.首先用計算機切片軟件(Cura)將三維模型切割成薄片平面圖形輪廓軌跡，利用紫外線激光束根據(jù)每個薄層的平面輪廓軌跡對液體材料(光敏樹脂)進行激光掃描加熱固化，形成連續(xù)的固化點，從而構(gòu)成模型的平面薄片截面[9-10].接著打印時從活塞的底部薄層截面開始，一次一層連續(xù)打印，直到三維立體模型打印成型.打印前必須根據(jù)選用的光固化樹脂材料設(shè)置相應(yīng)的收縮率.對活塞來說，因其壁厚不均勻，特別是活塞銷孔部位收縮率較難控制.經(jīng)過多次試驗，將其收縮率設(shè)置8%打印出的活塞與模型最為貼近(見圖7).

圖7 3D打印的活塞模型

3.2 檢測對比

圖8 活塞檢測色彩對比報告

對用3D打印生成的模型樣件利用3D測量技術(shù)進行測量，并與實物模型進行分析比較，修改成型.將打印的模型樣件用藍(lán)光三維數(shù)字化掃描及檢測系統(tǒng)進行掃描，并用藍(lán)光三維數(shù)字化掃描及檢測系統(tǒng)配置的掃描與檢測軟件ATOS Professional將打印的模型與建好的CAD模型進行色彩對比，找出差異，并修改模型.采用這種方法得到的模型與原實物模型進行分級檢測對比，其色彩對比報告誤差可達(dá)到0.5mm精度以內(nèi)(見圖8).

4 模具開模及模具加工

利用修改成型后的CAD模型設(shè)計活塞金屬模具，模具開模使用的軟件有Pro/Engineer、UG、Solidworks等三維建模軟件.將建立的CAD數(shù)模導(dǎo)入建模軟件，根據(jù)活塞澆筑方式、脫模方式、冷卻方式等不同設(shè)計澆筑系統(tǒng)、選擇分型面、設(shè)計頂模、外模、芯模、定位圈等.同時考慮補縮冒口、冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)設(shè)計.根據(jù)設(shè)計好的整套活塞模具圖，通過機械加工出相應(yīng)的模具零件，裝配好后進行試模.將試模后的活塞毛坯進行三維數(shù)字化掃描采集點云數(shù)據(jù)，并將活塞毛坯上的非加工面點云數(shù)據(jù)與實物活塞上的點云數(shù)據(jù)進行比對，找出差異作為模具修模的依據(jù).可以大大縮短活塞模具的試模修模周期，并使產(chǎn)品更加貼近實物模型.活塞金屬模具試模修模完成后，即可批量生產(chǎn)活塞毛坯，并批量加工活塞產(chǎn)品.對設(shè)計開發(fā)的模具加工出的活塞產(chǎn)品進行3D測量，并再次與原型母活塞的檢測數(shù)據(jù)進行分析比較，采用此方法加工的活塞產(chǎn)品與母活塞貼近度可達(dá)95%以上.至此整個開發(fā)流程結(jié)束.

通過逆向工程技術(shù)在某款汽油機活塞模具開發(fā)中的應(yīng)用可以得出如下結(jié)論.

(1)應(yīng)用逆向工程技術(shù)開發(fā)活塞模具的流程：活塞實物快速掃描，生成數(shù)字化模型——通過三維數(shù)字化建模軟件生成CAD模型——3D打印模型樣件——3D測量模型樣件，并修改成型——模具開模、試模、修?！獙τ媚嫦蚬こ碳夹g(shù)開發(fā)的模具加工的成品活塞進行測量分析.

(2)通過高精度的藍(lán)光三維數(shù)字化掃描及檢測系統(tǒng)保證了數(shù)據(jù)采集測量精度及數(shù)據(jù)處理精度；通過優(yōu)化的曲面構(gòu)建及曲面編輯方法，保證了模型各面的聯(lián)續(xù)性及光順性.

(3)通過3D打印技術(shù)應(yīng)用獲得活塞各部位的收縮率的參考數(shù)據(jù)；通過3D測量技術(shù)應(yīng)用獲得對比檢測數(shù)據(jù)，作為修模依據(jù)，很好的保證了活塞模具的精度.提高模具開發(fā)一次成功率，提高了模具精度，從而提高了活塞產(chǎn)品開發(fā)精度.大大縮短企業(yè)活塞模具開發(fā)周期，減小成本，提高了效率、增加了企業(yè)效益.