正逆向重構技術在航空發動機機匣中的應用

朱新宇 李志藝

摘 要：為提高傳統正、逆向工程設計中的模型重構效率與精度，解決航空發動機機匣因形狀復雜導致實體造型困難的問題，研究逆向工程與正向建模相結合的模型重構方法及其特點。以某型航空活塞發動機機匣為研究對象，繪制機匣正逆向混合重建流程圖，搭建測量掃描環境，利用三維掃描設備對機匣形面進行數據采集，并使用Geomagic Design X等軟件進行數據處理與優化，最終得到機匣數字重構模型。通過偏差檢測分析得出，模型平均重構精度誤差小于0.5mm，重要配合端面平均誤差小于0.1mm，與實際情況相吻合，驗證了正逆向重構技術的正確性與便捷性，對航空發動機機匣性能預測、疲勞仿真及結構維修具有一定指導意義。

關鍵詞：逆向工程;航空活塞發動機機匣;正逆向混合模型重構;Geomagic Design X

DOI：10. 11907/rjdk. 191525 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）002-0075-05

英標：The Application of Forward and Reverse Modeling Technology in Aviation Piston Engine Crankcase

英作：ZHU Xin-yu，LI Zhi-yi

英單：（Aviation Engineering School， Civil Aviation Flight University of China，Guanghan 618307， China）

Abstract：In order to improve the efficiency and accuracy of model reconstruction in traditional positive and reverse engineering design，and solve the problem of complicated shape and difficult physical modeling of aviation piston engine crankcase， the model reconstruction method combining reverse engineering and forward modeling and its characteristics are studied and introduced. Taking a certain type of aviation piston engine crankcase as the research object， we drew the flow chart of the positive reverse mixing reconstruction of the crankcase， set up the measurement and scanning environment by using the three-dimensional scanning equipment to collect the image of the crankcase surface. And Geomagic Design X and other software were used for data processing， optimization， and finally the crankcase digital reconstruction model was constructed. Through the deviation detection and analysis， it is concluded that the average reconstruction accuracy error of the model is less than 0.5mm， and the average error of the important matching end surface is less than 0.1mm， which is consistent with the actual situation and verifies the correctness and convenience of the forward and reverse modeling technology. It also has certain guiding significance to the performance prediction， fatigue simulation and structural maintenance of aviation piston engine crankcase.

Key Words：reverse engineering;aviation piston engine crankcase;forward and reverse modeling;Geomagic Design X

0 引言

正向設計是傳統產品設計的常用方法，包括概念設計、CAD/CAM系統建模與數控編程制造。正向建模是其核心步驟，但是隨著時代的發展，正向建模由于具有設計過程難度系數大、周期長、成本高、產品研制開發難等缺點，使得產品建模乃至產品設計成本較高，且過程冗長[1]。逆向工程（Reverse Engineering，RE）隨之誕生，其是指通過三維掃描工具對產品進行數字化幾何建模與三維測量的技術，近年來廣泛應用于汽車、航空、船舶等領域，在新產品開發、改形、仿制、質量分析檢測中發揮著重要作用，體現了多領域、多學科的協同發展過程[2-4]，引領了制造業發展的新浪潮[5]。國內外已有不少學者對逆向工程進行研究與應用，并取得了一定成果，如Varady等[6]對逆向工程過程進行綜述，介紹曲面擬合與B-rep模型的準確性;Wang等[7]構建三維模型重建框架，提出一種有效的網格去噪方法以濾除模型噪聲，并對幾何精度、拓撲一致性進行測試，驗證了其逆向框架的有效性與穩定性;李潤等[8]利用Geomagic Design X軟件對模型曲面進行擬合，并進行誤差分析，研究逆向工程在曲面設計中的應用;王巍等[9]通過對逆向造型流程的研究，探索出葉輪逆向建模方法，并進行優化處理，實現了對復雜結構的逆向建模;鄭文清等[10]利用Geomagic對牙齒CT掃描圖像進行逆向重建，建立實體網格模型，并與CAE軟件應用相結合，得到牙齒CAD模型的有限元應力分析結果。

以上方法及應用均針對小型曲面與模型，但對于航空發動機機匣這類大型薄壁復雜多曲面結構仍應用較少。由于大型復雜形面模型的逆向工程對掃描中點云數據質量要求較高[11]，在點與點之間拓撲關系不明確的情況下，容易造成面片質量差、缺陷多及形面不齊等問題[12]。針對以上正、逆向建模特點，本文提出模型的正逆向重構技術。

1 正逆向混合重構技術一般流程

1.1 數據獲取

在逆向工程中，點云數據采集與獲取是首要階段[13]，工程師可以利用三維掃描設備（激光掃描儀、跟蹤儀和三坐標測量機等）直接獲取模型形面數據，大型模型需要通過對掃描設備進行轉站，或者掃描多個點云數據文件，利用軟件拼接的方式獲取數據。常用點云處理軟件有Geomagic Studio、PolyWorks、ImageWare等[14]。使用Geomagic Studio軟件可以對點云數據進行預處理，其中對齊拼接是核心要素。手動注冊命令中的1點注冊適用于兩個點云文件重合面多、一致性好的情況，而n點注冊適用于絕大部分情況，通過手動選擇點云數據中的定義點（3個以上），可以快速實現點云數據拼接。

1.2 多邊形網格處理

作為模型重建的基礎與對照，多邊形網格處理是逆向工程重建模型的重要階段，Geomagic Design X由于具有智能的面片修補算法、獨特的正逆向整合功能與友好的操作界面，對提高整體處理效率可發揮重要作用。在模型掃描過程中，不可避免地會將一些不相關的點云數據掃描進來，比如夾具、裝配件和污漬等，有些模型由于反射率或結構復雜等原因，三維掃描設備無法掃描到具體特征，從而造成缺面、孔洞等情況，這些雜點數據與缺損數據會對模型本身的逆向重建精度造成影響[15]。所以要在模型重建前對多邊形網格進行修復處理，特征編輯包括使用刪除特征、智能刷、填孔（搭橋）等多種方式對面片進行手動人工修補。對于局部復雜的形面區域，可以對局部面片整體再進行面片化，重新計算整體面片并提高面片質量，或者使用加強形狀工具，通過銳化角對平面或圓形區域進行平滑處理，以優化面片質量，利用平滑、細分[16]及消減工具也可以對面片實現降噪、平滑三角形間曲率流等優化操作。

1.3 模型重構

模型重構是逆向工程重建模型的核心階段，多邊形網格所呈現的點與點之間的拓撲關系，可以近似表現出模型原有面片形狀，所以根據三角面片劃分不同領域[17]。對于特征明顯的實體和曲面，可以直接利用基礎曲面與基礎實體生成，從而提高效率。重建模型首先要建立坐標系[18]，可以通過選取模型多邊形網格中確定的特征平面和中性面創建平面，然后利用3-2-1對齊或X-Y-Z對齊方式對模型全局坐標系進行定義。與傳統正向建模思路不同，逆向工程建模思路是根據掃描數據對模型進行還原，所以逆向工程中常用構造輪廓線的方法進行建模[19]。利用Geomagic Design X，可以結合正向建模思路，采用平面對面片進行剖面呈現的方式提取輪廓線，調整投影面積和投影距離，從而大幅提升建模效率，之后對面片草圖進行拉伸、回轉、放樣、掃描等操作生成曲面和實體。對于復雜不規則的模型形面，可以利用面片擬合、剪裁曲面等工具進行處理，最后縫合曲面、生成實體。根據模型的真實細節，在模型重構后期對重建模型的內部結構進行細節完善。對于相同的特征實體，Geomagic Design X軟件還可以利用轉換體工具對特征實體進行復制、移動、旋轉等操作，也可以利用替換面等對移動面進行替換、刪除與修補。

2 航空活塞發動機機匣重構

機匣是通航飛機水平對置活塞式發動機的主要承力部件，是曲軸、凸輪軸和氣缸等重要部件的安裝基座，其結構復雜，承受的載荷大，機匣結構的幾何精度、剛度和強度直接影響很多部件的安裝工況及工作性能[20]。因此，機匣是保證水平對置活塞式發動機工作性能最重要的基礎部件。如果機匣出現各類失效情況，必將影響發動機性能及安全性，甚至可能損壞發動機其它零件，造成發動機停機或報廢。所以，通過正逆向混合模型重構技術對其進行數字化建模，以便于工程人員明確機匣內部結構，準確觀察分析受力形面，制定發動機深度維護方案，從而保障機隊飛行安全，提高發動機維護效率。

2.1 模型分析

某型發動機機匣如圖1所示，首先對模型進行分析。因機匣模型的工作環境較為苛刻、復雜，所以對其穩定性提出了較高要求。其內外形面結構復雜，有相當多的曲面和孔洞，孔洞的實體軸向基準也大多不同，單純的正向和逆向建模難度大，易產生較大誤差，且一致性差。因此，本文采用正逆向混合建模方法對其進行三維重建，正逆向混合建模流程如圖2所示。

2.2 數據獲取

2.2.1 設備布置與數據采集

使用ROMER高精度7軸絕對臂測量機獲取機匣數據，可以利用其高自由度掃描優勢，減少機匣掃描時的移動次數，減少拼接面，提高掃描精度，并且由于機匣表面特征結構多，擬使用Geomagic Studio對機匣進行點云拼接，所以掃描時不需要額外貼點。提前對掃描模型路線及次數進行預估，確定需要拼接的機匣形面、拼接點與設備移動時的硬測點位置。為保證掃描設備與被測模型的穩定性，連接電源預熱測量機，并使用專業校準材料對測量機進行精度校準，同時利用磁性臺面和專用夾具確保測量機與模型在掃描過程中被牢牢固定，以獲得一致的點云坐標系，保證掃描精度。

準備工作結束后，利用桌面作為剪切平面，使用測量機對機匣內外形面進行三維掃描，以保證獲取足夠的點云數據，便于后期進行位置變換等操作;對氣缸安裝端面和導油孔等復雜特征表面盡量進行多次掃描，以獲取更多細節特征，并在后期進行降噪;使用Geomagic Studio中的移動設備命令對機匣進行轉站以快速掃描其內外表面，選取機匣內側表面4個螺栓孔和1個定位孔圓心作為轉站重合點，依次使用硬測頭進行打點;在移動機匣后，重復同樣操作，完成轉站，轉站平均點誤差為0.011 84mm，如圖3所示;最后對附件機匣安裝面進行掃描，完成整個數據采集步驟。

2.2.2 機匣點云預處理與輸出

利用Geomagic Studio對機匣點云數據進行預處理，聯合點對象可以對掃描機匣內外表面形成的多個點云數據進行合并，并保存合并形成的新點云數據。對機匣點云數據周圍的雜點數據進行清理，避免其影響對齊精度。利用手動注冊方法對機匣點云數據進行對齊，n點對齊模式可以對復雜掃描數據進行快速預對齊。為了保證機匣數據模型具有足夠高的位置精度，分別以氣缸端面螺紋孔和左右機匣安裝貫穿螺紋孔作為對齊點，并利用注冊器進行精準對齊，如圖4所示。

對齊拼接結束后，點云數據形成組文件，將機匣點云數據文件另存為ASC格式，導入Geomagic Design X軟件中。為了保證數據的準確性，通過雜點消除與平滑對機匣點云數據進行再降噪，以提高點云質量、優化點拓撲數據，以提高三角面片化的面片單元質量。處理完成后，由于點云數據較大，需要對其進行采樣，采用統一比率方法對點云數據進行整體快速采樣處理。但是機匣結構曲面多，且曲率變化復雜，需要同時利用曲率命令，保證曲率大的區域點云數據豐富，并去除平坦區域的點密度以降低數據大小，提高后期處理效率和采樣精度，本文將采樣比率設為30%。為獲得高質量的模型形面，需要對機匣模型的點云數據進行優化，利用Geomagic Studio中的體外弧點和非連接項對點云數據進行初步優化，刪除模型區域外的雜點數據，然后使用噪音消除功能對機匣形面上的噪點區域進行平滑優化，提高多邊形網格劃分質量。最后，三角面片化點云數據進入多邊形網格階段。

2.2.3 機匣面片修補及編輯優化

由于機匣形面復雜，有許多不規則曲面，而面片作為曲面擬合的基礎，要保證其具有連續性及一定的平順性，需要先對機匣表面面片進行修補。Geomagic Desgin X中的修補精靈可以檢測出大部分面片缺陷（例如重疊單元面、非流形單元面和相交單元面等），并對部分缺陷直接進行智能修復。自動修復完成后，使用智能刷對機匣面片存在的復雜懸掛單元面進行手動修復，根據正向建模思路，使用填孔和特征刪除命令對機匣表面的不真實孔洞及坑洼表面進行局部處理。由于機匣點云數據量龐大，計算機處理過程中難免會產生部分缺陷，利用再面片化和細分機匣部分復雜面片、重新生成面片網格的方法，提高機匣面片精度和準確性，最后使用平滑命令對面片進行整體降噪。

2.2.4 機匣模型重構

分別以左右機匣貼合面和機匣頂面作為X、Y方向，對機匣面片進行坐標系對齊。由于機匣型面復雜，Geomagic Design X不能準確識別模型設計意圖，需要根據正向建模思路手動劃分機匣面片領域，再根據各個面的實際連接情況進行分割與合并等，從而保證領域劃分的準確性，并提高后期模型重建效率和精度。機匣面片領域如圖5所示。

機匣是發動機的關鍵承力部件，整體為環形薄壁結構，表面多為不規則形面，在掃描時由于受到環境和人員誤差等因素影響，點云數據與模型之間不可避免地會存在一些偏差，所以在建模時應盡可能選擇點云噪聲小、連續性好的面片作為參考。首先不考慮圓角，在平面上創建面片草圖，編輯并利用直線、圓弧和樣條曲線，以及3D面片草圖中的提取輪廓曲線命令重構機匣內外輪廓，再利用機匣曲軸支承面及相鄰端面的輪廓線拉伸形成曲面，與劃分好的領域相結合，對相鄰斜面、曲面進行面片擬合，并使用網格工具劃分、編輯面片網格。為保證Nurbs曲面的擬合精度，采用點數控制方式控制及調整曲面網格，之后再對線密度進行微調，以逼近對應曲面曲率。需要注意的是，控制點數不宜過大，否則會造成計算機運行緩慢，降低建模效率;面片擬合算法包容性不強，因此區域不易過大，對于曲率明顯變化的部分，應再次對領域進行分割，并進行分片擬合。對于相鄰的復雜曲面，面片擬合難度較大，可利用3D草圖繪制斷面線，對其進行放樣擬合。擬合結束后，對各曲面進行延伸與剪裁，重建整個機匣內外表面。

通過縫合閉合曲面將整個機匣重建曲面生成實體，以完成機匣基礎形狀的正逆向設計，接下來對機匣孔洞進行重建，利用創建視圖平面與基礎實體的方法對機匣上的側邊孔進行建模，最后利用布爾運算對機匣表面凹槽凸起部分進行重建與合并，生成機匣實體模型文件。

3 偏差檢測、調整與輸出

3.1 偏差檢測與調整

在模型重構整個階段中，都可以對重建的曲面、實體進行偏差檢測，并對所建曲面、實體進行實時修改。在建模工作結束時，對模型整體進行偏差檢測是整個正逆向工程重構模型的最后階段。在Geomagic Design X中，使用Accuracy Analyzer的體偏差工具對模型偏差進行可視化檢測，通過自定義模型重建誤差范圍，可以對整個模型逆向重建精度進行評估，以達到模型重構精度要求。

通過替換面與移動體工具對孔進行陣列及位置調整，對機匣部分斜面進行拔摸與曲面角度調整，使其逼近原始模型結構。緊接著使用圓角工具對機匣進行細節微調，勾選“根據面片調整”選項，由面片自動估算圓角半徑，生成可變圓角，并提升重建模型圓角精度。利用Accuracy Analyzer（TM）工具對機匣正逆向重建實體進行體偏差檢測，結果顯示，除去掃描時測量機無法獲取的部分模型表面、掃描時噪點及需要輸出處理的特征和圓角外，平均誤差小于0.5mm，左右機匣貼合面、附件機匣裝配面平均誤差小于0.1mm，達到了要求的機匣模型正逆向重建標準。機匣正逆向重建實體與體偏差如圖6所示。

3.2 模型輸出

首先對機匣正逆向重建實體進行缺陷檢測，得到異常的體、面和邊線都為0的結果，滿足輸出要求。除使用IGES和STEP等中間實體格式進行輸出外，還可以利用Geomagic Design X對Creo（Pro/E）和UG等主流CAD軟件的實施轉換工具，對機匣正逆向重建實體進行導出。以Creo（Pro/E）為例，勾選全部實體特征，指定Creo（Pro/E）安裝路徑即可完成輸出，以便之后研究模型時進行編輯、優化與仿真等操作。

4 結語

通過對比正向建模與逆向建模的主要特點，研究正向建模與逆向工程相結合的模型重建方法，分析得出正逆向混合重建模型的幾個關鍵步驟，使用三維掃描設備對機匣形面進行數據采集，利用Geomagic Studio和Geomagic Design X軟件對點云數據進行降噪與優化。根據正向建模思路設計面片草圖，然后通過創建面片、劃分領域、剪裁并縫合曲面等操作，對機匣模型進行重建并完善細節，同時對機匣內部結構進行深入理解，對油孔、溝槽進行細節補充。最后，利用體偏差工具對整個機匣正逆向重建實體進行偏差檢測與調整，使其達到機匣正逆向實體重建的精度要求。本研究證明了正逆向混合模型重構技術在工程應用上的有效性和便捷性，為航空發動機機匣的深度維修、性能預測與分析奠定了基礎，也為中大型復雜模型數字化建模提供了一種新思路。

參考文獻：

[1] 黃炎，蘇松松，馮明松. 基于隱式參數化正向建模的車身概念設計方法研究[J]. 時代汽車，2018，297（6）：97-100，144.

[2] 管官，顧文文，楊蕖. 基于逆向工程的船用螺旋槳數字化檢測方法[J]. 船海工程，2018，47（5）：23-26.

[3] 馬彤彤，呂傳景，朱文芳，等. 基于工業攝影掃描測量方法的航空部件再制造逆向建模實踐[J]. 航空制造技術，2018，61（17）：96-101.

[4] 王寶中，張富明，路春光，等. 正逆向設計在電動汽車外觀曲面造型中的應用研究[J]. 機械設計與制造，2018（2）：131-134.

[5] 李帥， 張明慧.? 逆向工程技術于生產制造業的應用分析[J].? 中國新技術新產品， 2016（7）：67.

[6] TAMáS VáRADY，MARTIN R R，COX J. Reverse engineering of geometric models—an introduction[J]. Computer-Aided Design， 1997， 29（4）：255-268.

[7] WANG J，GU D，YU Z，et al. A framework for 3D model reconstruction in reverse engineering[J]. Computers & Industrial Engineering， 2012，63（4）：1189-1200.

[8] 李潤，鄧龍. Geomagic design X境界擬合曲面的3D逆向建模及誤差分析[J]. 鑿巖機械氣動工具，2019（1）：36-40.

[9] 王巍，陳思，張曼玉. 基于逆向工程的葉輪逆向設計[J]. 裝備制造技術，2018（1）：39-43，47.

[10] 鄭文青，李俊源，姜獻峰. 基于逆向工程技術的牙齒三維模型構建及其應用[J]. 輕工機械，2011，29（5）：94-96.

[11] 劉俊.? 逆向工程中點云修補與曲面反求的研究[D].? 武漢：華中科技大學， 2007.

[12] 劉杰，鐘潔，莫紹媛，等. 基于逆向工程的曲面質量及優化分析實例研究[J]. 機械設計，2018，35（S1）：48-52.

[13] 王旭暉. 基于Geomagic Design逆向設計與制造技術研究[J]. 中央民族大學學報：自然科學版，2016，25（1）：46-48.

[14] 趙艷平，高明，羅大兵. 基于PolyWorks的逆向工程數據處理[J]. 機械，2005（10）：47-49.

[15] 楊曉雪， 閆學文. Geomagic Design X三維建模案例教程[M].? 北京： 機械工業出版社， 2016： 20-27.

[16] HUANG C， QI R. The study on GeoMagic applying for fast digital model building technology of special camber surface [J].? Machinery & Electronics， 2004.

[17] 劉詠梅. 基于三維散亂點云的三角網格重構關鍵技術研究[D]. 北京：北京理工大學，2015.

[18] LIU L，YANG H. 3D reverse engineering design on seed tube based on geomagic design software[J].? Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2015， 31（11）： 40-45.

[19] 馮超超，成思源，楊雪榮，等. 基于Geomagic Design X的正逆向混合建模[J]. 機床與液壓，2017，45（17）：157-160.

[20] 袁雪松，王斌. 某型發動機曲軸系統動力學仿真分析[J]. 科技尚品，2016（5）：126.

（責任編輯：黃 健）