發動機活塞的測量與點云處理

2012-07-05 15:44:50王艷華吳猛猛

科技視界 2012年9期

孫團王艷華吳猛猛

（中國人民解放軍海軍潛艇學院山東青島 266042）

0 前言

發動機是汽車的成本與技術最為集中的部分，活塞做為發動機的重要零件，對發動機的整體性能有著重要的影響。現代先進的發動機，其活塞的設計相當復雜，已發展成為集輕質高強度新材料、異形外圓復合型面(裙部為中凸變橢圓型面)、異形銷孔等多項新技術于一體的高技術含量的產品[1-2]。活塞的加工精度要求高，其裙部橫向橢圓度精度達0.005mm，縱向中凸曲線精度達 0.005～0.01mm[7]；因此，對活塞進行高精度測量，取得其主要參數，是建立高精度數學模型的基礎。本文運用逆向工程技術以建立發動機活塞的數學模型為目標，測量活塞的重要數據，并提取其特征，對活塞的測量和點云處理的關鍵技術進行了研究，為建立高尺寸精度、高品質的活塞數學模型打下基礎。

1 測量技術簡介

數據測量是指通過特定的測量設備和測量方法，獲取實物模型表面離散點的幾何坐標數據的過程。數據測量是逆向工程技術的基礎，是曲面重構中三維坐標點的來源。逆向工程中數據測量方法主要有三種：接觸式測量法、非接觸測量法、逐層掃描測量法[3]。其中前兩種方法的應用非常廣泛，也是本文采用的方法，在此對前兩種方法進行簡單介紹。

三坐標測量機（CMM）法主要是利用接觸探頭逐點地捕捉實物模型表面數據。這是目前應用最廣的模型數字化方法之一。它的主要優點是：①通用性強。除了不適用于軟質材料和超薄形物體之外，對被測實物的材質、色澤無特殊要求。②測量精度高。目前高精度的坐標測量機的單軸精度每米長度內可達0.3μm，三維空間精度可達1μm-2μm[4]。③可方便的進行數據處理與程序控制。

非接觸式三維數據獲取方法主要是利用某種與物體表面發生相互作用的物理現象來獲取實體的三維信息，主要包括激光三角形法、距離法、結構光法、圖像分析法等。其中激光三角形法是迄今逆向工程中曲面數據采集運用最廣泛的方法。具有測量速度快的特點，采樣速度可以達到每秒數萬點，測量精度在0.01mm[5]左右。

本文采用的主要測量設備為：意大利DEA公司的MISTRAL 三坐標測量機（圖 1），測量精度：±2.5μm；英國 3D SCANNER REPLICA25H型激光掃描儀（圖2），單點精度：±0.030mm。

圖1 MISTRAL三坐標測量機

圖2 REPLICA25H激光掃描儀

2 活塞的測量規劃

活塞實物如圖3所示。分析活塞的各個部分的特點可知：活塞的裙部及頭部型面為機加工面，與氣缸套相配合，其型面與氣缸套配合的精度決定了活塞與氣缸套的間隙、潤滑、噪聲等多個方面，加工精度要求高，誤差小。所以，對于活塞的外部型面應采用高精度的測量方法。對該部分本文采用三坐標測量機來進行測量。活塞的內腔型面、項部的燃燒室和裙部凹槽部分為鑄造面，其形狀較復雜，無配合面，精度要求稍低，采用激光掃描法來獲取其外形數據。

圖3 活塞實物照片

圖4 活塞測量坐標系

2.1 CMM測量的關鍵技術

2.1.1 建立測量坐標系

通過分析活塞的結構特點，按照測量基準應與設計、加工基準相一致的原則，坐標系按如下規則來建立：首先分別測量活塞裙部底部(圖中上部)的加工定位止口內圓和定位止口端面，以圓在端面上的投影為坐標元點；以活塞銷孔軸線方向為Y軸方向，以加工定位止口端面的法線方向為Z軸方向，以垂直于活塞銷孔的垂直方向為X軸的方向，X軸的方向也就是活塞的橢圓長軸方向。建立如圖4所示的坐標系[6]。

2.1.2 裙部曲面測量方法

現代的活塞普遍采用縱向為中凸曲線、橫向為類橢圓型的曲線設計，其裙部的曲線比較復雜[7]。其裙部的測量方法根據裙部特點和建模方法不同而不同。文獻[8]提出了這樣一種測量方法：活塞裙部曲面需要測量六個位置的中凸輪廓線和三個截面的橢圓曲線。六個位置的中凸輪廓線分別是：在α為 0°和 180°各一條，在 α 為 20°、160°、200°和 340°位置各一條，共六條（α為與橢圓長軸的夾角）。三個橫截面位置分別為：裙部底部一條（截面1）、活塞銷孔位置一條（截面2）和裙部頂端一條（截面3）。由于活塞裙部中間部位銷孔兩側各有一個凹槽的存在，此處截面是斷續的，故實際上后兩個截面每個截面又為兩段曲線，總共有十一條曲線需要測量。實際測量中考慮到建模方法的不同要求而在橫向截面上加大了測量密度。測量過程中采用CMM連續測量方式測量每條曲線，測量采用的步長為0.2mm[8]。

通過測量可得到一組數據，經過對數據進行處理后可采用一定的方法（如人工神經網絡方法）將其擬合成一條曲線[9]，可按活塞裙部曲線的規律，反求其主要參數，為數學建模奠定基礎。擬合成的曲線如圖5、圖6所示。

2.2 激光掃描測量的關鍵問題

圖5 擬合后的裙部橫截面曲線

圖6 擬合后的中凸曲線圖

活塞的內腔型面、活塞頭部的燃燒室和裙部的四個凹槽是由鑄造形成的面，且無配合面，精度要求稍低。用3D SCANNER激光掃描儀（精度為 0.03mm）測量可獲得足夠的精度。

采用激光掃描來獲取數據，經常需要從多個方向掃描來得到比較完整的零件表面信息。由于每次掃描時零件擺放的位置是不一樣的，即坐標系不同，故得到的數據為多次測量數據，需要進行坐標系歸一化處理。坐標系歸一化的方法需根據具體情況來進行選擇。由于球體具有從多個方向投影形狀不變的特點，故以球心為基準進坐標的歸一化處理是一種比較常用的方法[9-10]。此處采用在活塞外表面貼球的方法進行坐標的歸一化，在測量之前，應在活塞表面上固定好不在同一直線上的三個以上的鋼球坐為定位基準。

3 點云數據處理

對所獲得的點云數據需進行處理，是逆向工程中的關鍵環節。此過程中通常包括以下幾方面的工作：噪聲處理，多視拼合、特征提取等。

3.1 點云噪聲去除

任何測量方法中，真實數據點中都不可避免地混有不合理的噪聲點，產生噪聲點的因素是多方面的，主要可分為兩類：一類是被測對象表面因素產生的誤差，如表面粗糙度、波紋等缺陷；另一類是由測量系統本身引起的誤差，如測量設備的精度、CCD攝像機的分辨率、振動等。過濾掉噪聲點是逆向工程中數據處理的基礎。在逆向工程中，最簡單的噪聲去除方法是人機交互，運用點云處理軟件，如Surfacer，Geomagic等，通過圖形顯示，判別明顯壞點，在數據序列中將這些點刪除。這種方法對小規模點云比較適應，在數據量大的情況下是不適宜的。對龐大的點云進行噪聲過濾常用程序判斷濾波、N點平均濾波以及預測誤差遞推辨識與卡爾曼濾波相結合的自適應濾波法等[10]。由于活塞的點云數據量不是很大，本文采用了人機交互的方法去除其噪聲。在去除噪聲時，應特別注意幾個定位球的處理，因為它們的精度決定了我們后面的點云拼合的精度，必須對其進行精細的去噪工作，確保其擬合出來的球體具有比較高的精度。

3.2 多視圖點云的拼合

為完成對整個活塞的三維掃描測量，需要對其從多個角度進行掃描。由于在測量不同區域時，都是在測量位置對應的局部坐標系下進行的，因此多次測量所對應的局部坐標系并不一致，必須把各次測量對應的局部坐標系統一到同一坐標系，并消除相鄰兩次測量間的重疊部分，以得到被測物體表面的完整數據。這就需要將分塊測量所得到的多片點云數據拼合在一起，即點云數據的拼合對齊[9]。坐標定位方法是利用基本像素來達到定位效果，其做法是在待測物上貼上球體或利用待測物上的平面等基本像素，當獲取點數據后，分割此基本像素的點群，并用點云處理軟件將這些近似球體或平面的點數據的像素坐標近似求解出來，然后根據相同位置的球體其圓心必在同一點(三點定位)等類似的條件將點數據作定位，這種定位方法可得到很高的整合精度。

在測量時，前后兩次掃描都必須至少有三個公共參考點作為視圖對齊的基準點，通過將三個基準點旋轉和平移對齊，就能將多視角點云數據統一到一個造型坐標系上。通過對齊這三個基準點，就能實現三維測量數據的多視點統一。如下圖所示，我們在活塞的表面上采用貼球法貼了四個球，采用球心為我們拼合的基準點，在Surfacer軟件中，利用軟件本身的擬合功能對球表面掃描所獲得的點云進行擬合，可得到球的球心位置，軟件本身提供了擬合的球與點之間的誤差，選取精度最高的三個球做為我們拼合的基準。主要過程如圖7所示。