逆向工程技術在高精度模具開發中的應用

陳慶紅

(福建林業職業技術學院自動化工程系，福建 南平 353000)

隨著市場競爭的不斷加劇，能否快速地生產出符合市場需求的產品是企業能否快速占領市場的關鍵.隨著生產技術的不斷發展，企業開發新產品的方法也不斷變化.在產品實際設計開發過程中設計人員接收的技術資料可能是各種產品的圖紙資料，但很多時候卻是客戶提供產品的實物模型要求開發新產品.逆向工程技術就是根據客戶提供的實物模型，通過三維掃描測量數據模型，再通過逆向建模構造出產品的CAD模型的過程.逆向工程為客戶和生產企業快速開發產品提供了強有力的工具，是縮短產品開發周期的有效方法，特別是形狀結構復雜的產品或自由曲面較多的產品，例如：人體器官、雕塑品、模具等[1].逆向工程技術的研究在數據處理、曲面擬合、特征識別、商用專業軟件和坐標測量機的研究開發上取得了一定成績.但是在實際應用當中，整個過程仍需要大量的人機交互工作，作業者的經驗直接影響產品的質量，自動構建曲面的連續性難以保證.以下關鍵技術是逆向工程主要發展方面也是在應用時必需予以解決的問題：(1)數據測量方面：逆向工程技術應用很大程度上受數據測量精度的影響，直接影響三維數字化模型精度，及模型構建路徑規劃；(2)數據的預處理方面：針對不同種類的測量數據，應用數據處理軟件，完善改進數據處理算法；(3)曲面構建：能夠控制曲面的連續性和能夠進行光滑拼合；(4)集成技術：包括測量技術、模型重建技術、基于網絡的協同設計和數字化制造技術等的逆向工程技術[2].本文主要介紹逆向工程技術在發動機活塞模具開發中的應用.

隨著發動機向高溫、高壓、低排放趨勢發展，對發動機的關鍵部件活塞也提出了更高的要求，它是汽車發動機的“心臟”部件.活塞的主要作用是承受氣缸中高溫高壓燃氣的作用，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荷和熱負荷，是發動機中工作環境最惡劣的關鍵零部件之一.汽車發動機活塞結構復雜，精度要求高，外形與內腔結合，復雜的自由曲面較多，并且有倒鉤結構.若采用傳統的檢測樣件后正向建模，耗時耗力，一些復雜曲面無法獲得準確數據，直接影響設計精度.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動機性能.逆向工程技術應用于活塞模具開發主要需解決以下幾個問題：第一，使設計的模具開發出的活塞產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)數據采集測量精度的保證；(2)數據處理精度的提高：(3)曲面構建精度的提高.第二，合理設置活塞各部位收縮率，從而減少試模、修模次數，可從兩方面予以解決：(1)曲面構建時的連續性和光滑拼接；(2)通過應用3D打印技術制作模型樣件，通過測量技術對比分析后予以調整.

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

1 數據采集及數據處理.

數據采集是由實物測量出數據點云的過程，根據測量方法不同，采集數據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位置，從而獲得樣件表面點云數據的方法，常用的測量裝置有三坐標測量儀等.非接觸式測量采集主要是利用光學、磁學等基本原理，通過三維掃描獲取零件表面點云數據的方法，常用的儀器有光學掃描儀、激光掃描儀等[3-5].活塞產品精度要求高，特別是燃燒室及裙部部位，直接影響發動機性能.為了獲得高精度的數字化模型，本研究課題點云數據測量使用的是德國gom公司進口的ATOS藍光三維數字化掃描及檢測系統.該系統能夠在日常光源條件下進行零部件的三維數據獲取，配有對稱式雙CCD藍光掃描儀，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：圓度標準差公差≤0.004mm，球心距公差≤0.009mm.測量系統配置有擺臺及轉臺，可實現自動掃描.數據處理配有ATOS Professional 掃描專業版軟件，能實現自動擬合功能，測量數據拼合功能及強大的點云數據編輯功能.獲取的測量數據精度高、質量好、噪點少、無分層，這為后續的逆向建模提供了高精度的數據化模型.

圖3 點云數據

此款活塞材料為鑄造鋁合金，產品外圓有金屬光澤.為了更好的掃描出活塞的三維特征，使點云數據更精確，掃描前需要噴涂一層薄薄的顯像劑(鈦粉)，并貼上標識點，貼標識點時注意最好貼成三角形或四邊形形狀(見圖1).活塞結構復雜，掃描時必須將上部與下部分開掃描(見圖2).我們設計了一個定位圈，安裝在旋轉臺上，實現對活塞零件的裝夾.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)，并對測量數據進行編輯，去除噪點，修補孔等操作.在掃描過程中對于活塞環環槽部位及活塞頭部底側倒鉤部位，因特征有一定的深度，藍光不易到達，掃描時的角度控制比較關鍵，要進行單獨掃描.環槽部位底側掃描若出現破面，可結合坐標測量機檢測底部尺寸.

2 三維逆向CAD建模

數據采集完成后，下一步就是建立CAD模型.由三維數字化點云數據建立CAD模型的方法及使用的建模軟件有很多種.按照參照數據形式不同，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)基于切片數據的建模方法；(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公司產品Geomagic Studio和德國西門子公司產品Imageware.德國西門子公司產品Imageware逆向建模軟件是一款功能強大的逆向建模軟件，具有優異的點云數據處理能力、編輯曲面能力和構建A級曲面的能力，廣泛應用于汽車、航空航天、模具、家電等工業領域[6].本研究課題使用的逆向建模軟件是德國西門子公司產品Imageware逆向建模軟件，將采集的點云資料文件導入Imageware建模軟件，首先要對點云數據精簡處理，即三角形網格化處理.活塞各部位建模中最關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.未連續前 b.位置連續

c.相切連續 d.曲率連續 e.G3連續

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荷與機械負荷影響較大，特別是燃燒室的容積影響壓縮比，直接影響發動機的性能[7].為了提高模型與數據點云的貼合度，我們使用基于特征的建模方法.該活塞是對稱產品，在建模時選取活塞主推力面的一側進行建模.首先對燃燒室交互式的進行區域分割，每個區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化設計.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曲面.為了保證燃燒室曲面構建時的連續性和光滑連接，是這樣操作的：首先選取預連接的曲面，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生改變的曲面，選取不同的曲面連續性方式，其控制點將產生不同的變化，見圖4所示.

不同曲面連續方式誤差對比如表1：

表1 不同曲面連續方式誤差對比

從以上對比數據可以看出G3連續后，各誤差數值最小，但從圖上可看出G3連續后會出現折點，導致第4個控制點處不連續.在保證活塞燃燒室曲面連續性時，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，構建活塞燃燒室曲面時選用相切及位置連續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、中凸結構[8]，此部位因后續需要精加工，故在模具開發時可用圓柱體代替橢圓、中凸結構.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.此部位結構比較復雜，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域分割，對分割的區域建立曲面擬合點云，再根據面與面之間的關系進行相交位置連續、相切連續、倒斜角或倒圓角處理，得到裙部曲面結構.

2.3 活塞內腔及頭部下側部位建模

活塞內腔及頭部下側部位均屬于非加工面，復雜的自由曲面較多，并且有倒鉤結構，分割曲面多，對逆向建模技術提出了更高的要求.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.且是規則面，建立規律曲面即可.

完成建模后得到數據點云與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到0.05mm的精度以內，保證了模型與測量數據最貼合化.

圖6 活塞CAD模型

3 利用3D打印技術打印活塞模型，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，形成連續的固化點，從而構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，一次一層連續打印，直到三維立體模型打印成型.打印前必須根據選用的光固化樹脂材料設置相應的收縮率.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.經過多次試驗，將其收縮率設置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光三維數字化掃描及檢測系統進行掃描，并用藍光三維數字化掃描及檢測系統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到0.5mm精度以內(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數模導入建模軟件，根據活塞澆筑方式、脫模方式、冷卻方式等不同設計澆筑系統、選擇分型面、設計頂模、外模、芯模、定位圈等.同時考慮補縮冒口、冷卻系統、排氣系統設計.根據設計好的整套活塞模具圖，通過機械加工出相應的模具零件，裝配好后進行試模.將試模后的活塞毛坯進行三維數字化掃描采集點云數據，并將活塞毛坯上的非加工面點云數據與實物活塞上的點云數據進行比對，找出差異作為模具修模的依據.可以大大縮短活塞模具的試模修模周期，并使產品更加貼近實物模型.活塞金屬模具試模修模完成后，即可批量生產活塞毛坯，并批量加工活塞產品.對設計開發的模具加工出的活塞產品進行3D測量，并再次與原型母活塞的檢測數據進行分析比較，采用此方法加工的活塞產品與母活塞貼近度可達95%以上.至此整個開發流程結束.

通過逆向工程技術在某款汽油機活塞模具開發中的應用可以得出如下結論.

(1)應用逆向工程技術開發活塞模具的流程：活塞實物快速掃描，生成數字化模型——通過三維數字化建模軟件生成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、修模——對用逆向工程技術開發的模具加工的成品活塞進行測量分析.

(2)通過高精度的藍光三維數字化掃描及檢測系統保證了數據采集測量精度及數據處理精度；通過優化的曲面構建及曲面編輯方法，保證了模型各面的聯續性及光順性.

(3)通過3D打印技術應用獲得活塞各部位的收縮率的參考數據；通過3D測量技術應用獲得對比檢測數據，作為修模依據，很好的保證了活塞模具的精度.提高模具開發一次成功率，提高了模具精度，從而提高了活塞產品開發精度.大大縮短企業活塞模具開發周期，減小成本，提高了效率、增加了企業效益.