基于Geomagic Design X的航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣逆向建模

白宇翔

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 飛機(jī)修理廠，四川 廣漢 618307）

0 引言

航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣深度修理技術(shù)的研究需要基于精準(zhǔn)的機(jī)匣數(shù)字模型，從而進(jìn)行相關(guān)仿真、模具、工裝工具設(shè)計(jì)等。本文將基于2016版Geomagic Design X軟件，介紹某型航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的逆向建模方法。

1 軟件介紹

Geomagic是一家總部設(shè)在美國(guó)的軟件及服務(wù)公司，主要提供工業(yè)領(lǐng)域的軟件和服務(wù)，本文將使用該公司旗下兩款軟件進(jìn)行逆向建模設(shè)計(jì)。Geomagic Studio主要用于對(duì)點(diǎn)云的采集、處理，以及格式轉(zhuǎn)換；Geomagic Design X負(fù)責(zé)對(duì)處理好的點(diǎn)云進(jìn)行三角面片化處理，通過(guò)領(lǐng)域劃分、曲面擬合等方式，最終將創(chuàng)建的幾何曲面進(jìn)行縫合，形成與點(diǎn)云相一致的實(shí)體，同時(shí)可將逆向結(jié)果與點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出可視化的誤差分析[1]。

2 逆向建模過(guò)程

2.1 點(diǎn)云采集及處理

在點(diǎn)云采集階段使用Geomagic Studio（2013版），該軟件具備較為全面的掃描儀采集端接口，可以兼容市面上常見(jiàn)的掃描儀品牌，本文使用海克斯康關(guān)節(jié)臂掃描儀對(duì)航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣進(jìn)行掃描，因受搖臂范圍限制，故在點(diǎn)云采集中涉及分區(qū)塊掃描，在后期處理中需要使用對(duì)齊功能將不同區(qū)塊拼接在一起形成整體，該功能要求拼接的各個(gè)部分間存在重疊部分（如圖1），使用到“手動(dòng)注冊(cè)”功能，該功能通過(guò)按先后次序在兩部分公共區(qū)域上錨定至少3個(gè)相同的特征部位，而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的自動(dòng)對(duì)齊。在獲得完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后需要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，主要是對(duì)掃描體之外的噪聲點(diǎn)、孤點(diǎn)進(jìn)行手動(dòng)框選刪除，同時(shí)可以使用軟件自帶“體外孤點(diǎn)”、“非連接項(xiàng)”功能自動(dòng)選中體外雜點(diǎn)進(jìn)行刪除[2]。在處理過(guò)大的點(diǎn)云文件時(shí)，過(guò)于冗雜的數(shù)據(jù)會(huì)造成每一步處理軟件都消耗大量時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)需要使用采樣功能對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行精簡(jiǎn)，按一定點(diǎn)與點(diǎn)間的間距對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行重新采樣，在重新采樣精簡(jiǎn)過(guò)點(diǎn)云后，即可對(duì)該點(diǎn)云文件進(jìn)行保存。在Geomagic Studio中，點(diǎn)云將默認(rèn)以.wrp格式進(jìn)行封裝，而該格式在Geomagic Design X中無(wú)法識(shí)別，故通常將點(diǎn)云另存為.asc進(jìn)行保存。

圖1 點(diǎn)云的對(duì)齊

2.2 三角面片化處理

在Geomagic Design X菜單的插入功能中選中保存的.asc點(diǎn)云文件，即可導(dǎo)入之前處理好的點(diǎn)云文件。運(yùn)行面片創(chuàng)建精靈，依照提示選擇生成的三角面片的各質(zhì)量參數(shù)，點(diǎn)選下一步，軟件會(huì)基于點(diǎn)云自動(dòng)生成相應(yīng)質(zhì)量的三角面片（如圖2）。初次生成的三角面片會(huì)存在很多缺陷，可以通過(guò)多次運(yùn)行多邊形菜單下的修補(bǔ)精靈進(jìn)行自動(dòng)修補(bǔ)，除此之外還可以靈活使用孔填補(bǔ)、平滑、整體再造等功能使三角面片更加完整，過(guò)渡更加自然平滑，如果逆向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，三角面片構(gòu)造質(zhì)量越高，此后的逆向效率將大大提升。

圖2 面片的創(chuàng)建

2.3 坐標(biāo)對(duì)齊

三角面片生成后，通常因?yàn)閽呙钑r(shí)坐標(biāo)設(shè)置問(wèn)題，此時(shí)掃描文件的擺放位置與系統(tǒng)坐標(biāo)系默認(rèn)的“前上右”面不能對(duì)應(yīng)，為了后續(xù)操作統(tǒng)一，通常會(huì)進(jìn)行坐標(biāo)對(duì)齊操作，即將機(jī)匣掃描數(shù)據(jù)的相對(duì)坐標(biāo)系與當(dāng)前系統(tǒng)絕對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)一，需要使用對(duì)齊菜單，通常采用在掃描數(shù)據(jù)上建立相應(yīng)的特征，再依次與系統(tǒng)坐標(biāo)系特征對(duì)應(yīng)即可實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)對(duì)齊（如圖3），以機(jī)匣貼合面為基準(zhǔn)取面片上不同的3點(diǎn)構(gòu)建了基準(zhǔn)面，再以收油池面、附件機(jī)匣面為參考，最終建立3個(gè)互相垂直的參考面，然后進(jìn)入對(duì)齊菜單選擇手動(dòng)對(duì)齊，在移動(dòng)菜單中選中上述基準(zhǔn)面即可形成以機(jī)匣為參考的相對(duì)坐標(biāo)系，對(duì)象菜單選擇系統(tǒng)坐標(biāo)系以及對(duì)齊到原點(diǎn)，確定后機(jī)匣即可與系統(tǒng)默認(rèn)的“前上右”3個(gè)方位一一對(duì)應(yīng)，在后續(xù)操作中即可以默認(rèn)的方向?yàn)榛鶞?zhǔn)進(jìn)行草繪拉伸等逆向操作。

圖3 手動(dòng)對(duì)齊處理

2.4 逆向?qū)嶓w創(chuàng)建

Geomagic Design X中，實(shí)體生成的主要方式可分為兩種[3]，一是通過(guò)草圖旋轉(zhuǎn)放樣拉伸直接生成實(shí)體，二是通過(guò)構(gòu)造曲面，最后將多個(gè)曲面剪切縫合形成一個(gè)密封體，從而生成實(shí)體。對(duì)于結(jié)構(gòu)外形簡(jiǎn)單的實(shí)體通常采用第一種方式即可完成逆向，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物體，如本文涉及的機(jī)匣，異形曲面多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要使用到兩種方式結(jié)合完成逆向，下面將分別介紹逆向中主要使用到的功能模塊：

1）參考平面、線(xiàn)、點(diǎn)的構(gòu)造。

參考幾何圖形欄囊括了平面、線(xiàn)、點(diǎn)的構(gòu)造功能，建模過(guò)程中例如草繪拉伸、旋轉(zhuǎn)等操作，皆需要?jiǎng)?chuàng)建參考基準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行操作。創(chuàng)建方法包含了直接從三角面片選擇區(qū)域進(jìn)行擬合，直接選定多點(diǎn)進(jìn)行生成等，如上一小節(jié)提到的基準(zhǔn)面的創(chuàng)建，即是通過(guò)定義方法，選擇三角面片上的3個(gè)點(diǎn)所形成的參考面。

2）2D草圖。

軟件可基于參考平面繪制平面草圖，在逆向中更多使用到面片草圖功能，該功能可以將所需位置的三角面片截面投影于自己設(shè)置的基準(zhǔn)平面上，形成參考線(xiàn)（如圖4），即為機(jī)匣貼合面輪廓的投影過(guò)程，在此后的操作中，僅需根據(jù)參考線(xiàn)進(jìn)行草圖繪制，即可創(chuàng)建出機(jī)匣貼合面的輪廓草圖，此后可對(duì)該草圖進(jìn)行拉伸，形成實(shí)體，給布爾運(yùn)算做準(zhǔn)備，或者使用面填補(bǔ)功能直接將閉合的貼合面草圖填補(bǔ)成曲面片，后期用于縫合。

圖4 面片草圖功能

3）3D草圖。

3D草圖功能分為基礎(chǔ)3D草圖及3D面片草圖，后者在逆向中更常使用到（如圖5），該功能可以直接使畫(huà)筆吸附在三角面片上畫(huà)出貼合于面片的空間樣條曲線(xiàn)，從而放樣出各類(lèi)異形曲面。同時(shí)3D草圖的菜單中具備輪廓線(xiàn)提取功能，對(duì)于三角面片處理完善的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，可自動(dòng)根據(jù)曲率提取輪廓線(xiàn)，構(gòu)造面片網(wǎng)格并生成曲面，該功能可快速逆向出實(shí)體模型，但在模型過(guò)大、點(diǎn)云采集質(zhì)量不高、三角面片化缺陷過(guò)多時(shí)無(wú)法使用，本文不再贅述。

圖5 3D草圖欄

4）實(shí)體與曲面創(chuàng)建菜單。

該菜單內(nèi)各項(xiàng)功能與主流正向建模軟件一致，可以通過(guò)上述各類(lèi)草圖進(jìn)行拉伸、回轉(zhuǎn)、放樣與掃略（如圖6），其中的基礎(chǔ)實(shí)體與基礎(chǔ)曲面功能需結(jié)合下文領(lǐng)域功能配合使用。

圖6 實(shí)體與曲面創(chuàng)建欄

5）領(lǐng)域功能。

領(lǐng)域?yàn)槟嫦蚪Ｖ凶钪饕墓δ埽ㄈ鐖D7），對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的逆向工程，在對(duì)三角面片處理得當(dāng)?shù)那疤嵯拢梢酝ㄟ^(guò)自動(dòng)分割功能根據(jù)三角面片曲率直接自動(dòng)劃分領(lǐng)域，再根據(jù)領(lǐng)域創(chuàng)建相應(yīng)曲面進(jìn)行縫合，快速實(shí)現(xiàn)逆向建模。但在三角面片缺陷過(guò)多且無(wú)法修復(fù)時(shí)則需要使用手動(dòng)劃分領(lǐng)域，如本文所涉及情況。通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)漠?huà)筆大小，在準(zhǔn)備逆向的部位進(jìn)行涂抹，點(diǎn)擊插入即可構(gòu)造出一塊領(lǐng)域，通過(guò)面片擬合功能可以直接根據(jù)領(lǐng)取的形狀生成與面片吻合的曲面，通過(guò)劃分不同領(lǐng)域生成多個(gè)曲面，然后互相裁剪、拼接，即可完成各類(lèi)逆向曲面的創(chuàng)建（如圖8），劃分了收油池內(nèi)的3個(gè)領(lǐng)域，通過(guò)曲面擬合、裁切、三角面片自動(dòng)倒角，即形成了所需部位的曲面。

圖7 領(lǐng)域劃分菜單

圖8 領(lǐng)域擬合曲面演示

6）編輯欄。

編輯欄里囊括了對(duì)實(shí)體和曲面的基礎(chǔ)操作（如圖9），包括對(duì)實(shí)體模型的布爾運(yùn)算、倒角，對(duì)曲面的剪切縫合等，該編輯欄內(nèi)功能在上文所述曲面創(chuàng)建的各種步驟中均有提及，在曲面創(chuàng)建過(guò)程中，曲面的延長(zhǎng)與剪切是貫穿始終的功能，其中的面填補(bǔ)功能可以在選擇封閉邊線(xiàn)后根據(jù)三角面片自動(dòng)生成與周邊曲面G1連續(xù)的曲面，方便快捷。各種功能間互相配合，最終通過(guò)縫合功能將所有曲面聯(lián)結(jié)封閉，即可生成實(shí)體，實(shí)現(xiàn)逆向建模。

圖9 編輯欄

本節(jié)對(duì)航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣逆向建模在Geomagic Design X中使用到的基本功能進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，利用上述功能，從機(jī)匣面片局部入手，不斷建立參考面，構(gòu)造草圖，劃分領(lǐng)域，創(chuàng)建放樣曲線(xiàn)，生成對(duì)應(yīng)的曲面，剪切縫合，最后即可封閉為機(jī)匣實(shí)體。

3 逆向建模整體思路

在機(jī)匣的逆向建模中，要明確逆向工程并不能做到百分之一百的還原，偏差是必定存在的，上文介紹的各種逆向方法各有優(yōu)劣，針對(duì)同一塊三角面片使用不同方法所創(chuàng)建的曲面質(zhì)量必然存在差異，此時(shí)我們需要對(duì)機(jī)匣整體有一個(gè)把控，明確哪些部分需要更高精度的逆向結(jié)果，從而針對(duì)性地采用相對(duì)應(yīng)的逆向方式。

同時(shí)逆向工程也需要代入正向建模的思路，各部位間的位置度也應(yīng)該按照設(shè)計(jì)意圖進(jìn)行逆向，上述坐標(biāo)對(duì)齊就是基于該目的，在逆向建模中各參考面的建立都基于對(duì)齊之后的坐標(biāo)系，平行與垂直關(guān)系才能得到保證。如曲軸安裝孔，在逆向中可以選擇在孔內(nèi)三角面片上添加領(lǐng)域，直接擬合出半圓柱曲面，但此時(shí)圓柱的中心軸與附件機(jī)匣安裝平面必定不是90°垂直狀態(tài)，與設(shè)計(jì)意圖偏離，曲軸安裝孔的正確創(chuàng)建方式應(yīng)該是以創(chuàng)建好的附件機(jī)匣安裝面為基準(zhǔn)建立參考面，使用面片草圖功能將曲軸安裝孔輪廓投影至該參考面，依據(jù)該投影用草繪做出曲軸安裝孔輪廓半圓的草圖，最后進(jìn)行拉伸、形成曲面，這樣形成的曲軸安裝孔曲面既達(dá)到了形狀精度要求，同時(shí)也滿(mǎn)足了位置精度要求。

對(duì)于相對(duì)規(guī)則的結(jié)構(gòu)部分更推薦采用直接拉伸旋轉(zhuǎn)掃略生成實(shí)體，后期通過(guò)布爾運(yùn)算與主體結(jié)構(gòu)相連接的方式（如圖10圈中部分），在逆向建模初期會(huì)選擇忽略掉幾個(gè)規(guī)則圓柱，首先搭建底部平面作為機(jī)匣的基底，在完成整個(gè)機(jī)匣大致外形的逆向后，再放樣出圖示的幾個(gè)錐柱與主體布爾運(yùn)算連接。在逆向中需要掌握化繁為簡(jiǎn)的意識(shí)，要能將復(fù)雜結(jié)構(gòu)拆分為簡(jiǎn)單的小結(jié)構(gòu)進(jìn)行逆向，在此基礎(chǔ)上靈活運(yùn)用上述各類(lèi)功能才能事半功倍。

圖10 建模思路示例

4 逆向質(zhì)量檢測(cè)

實(shí)體建模完成后，可進(jìn)入體偏差模塊進(jìn)行逆向質(zhì)量的可視化分析（如圖11），機(jī)匣數(shù)模上的色塊對(duì)應(yīng)了與點(diǎn)云的不同偏差距離，右側(cè)的色帶同樣表示了相對(duì)應(yīng)的偏差數(shù)值，色帶上有可調(diào)節(jié)的綠區(qū)范圍，本文設(shè)置的綠區(qū)范圍是±0.2 mm，圖示可見(jiàn)數(shù)模90%區(qū)域?yàn)榫G色，在可接受偏差范圍內(nèi)，逆向結(jié)果可接受。

圖11 機(jī)匣逆向建模成品及其偏差示意圖

5 導(dǎo)出

完成上述工作后，Geomagic Design X提供了與主流三維建模軟件對(duì)應(yīng)的接口（如圖12），可以直接與相對(duì)應(yīng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，方便進(jìn)行進(jìn)一步操作，或者可以選中數(shù)模另存為.stp或.igs等通用格式，打包完成后，即完成了航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的逆向建模工作。

圖12 外部傳輸接口

6 結(jié)語(yǔ)

本文提供了基于Geomagic Design X的航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣逆向建模思路，對(duì)建模過(guò)程中軟件的使用進(jìn)行了講解，對(duì)機(jī)匣的逆向建模結(jié)果進(jìn)行了偏差分析，結(jié)果符合預(yù)期，證明逆向方法可行有效，本文所介紹方法同樣適用于各類(lèi)產(chǎn)品的逆向處理，給逆向建模提供了參考。