曲軸鍛件混合建模方法研究

賀曉輝，丁永峰，程錳，張琪棋

（1.重慶天巨承機(jī)械制造有限責(zé)任公司，重慶 400700；2.重慶文理學(xué)院 智能制造工程學(xué)院，重慶 402160）

0 引言

逆向工程（Reverse Engineering）也稱作反求工程或逆向設(shè)計(jì)，是將已有產(chǎn)品模型（實(shí)物模型）轉(zhuǎn)化為工程設(shè)計(jì)模型和概念圖樣[1]，并在此基礎(chǔ)上分析、深化、解剖和再創(chuàng)造的一系列分析方法和應(yīng)用技術(shù)綜合。逆向工程在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用加速了各行各業(yè)對(duì)于外來(lái)技術(shù)的吸收和整合，并帶動(dòng)行業(yè)的發(fā)展[2]。尤其隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，逆向造型在CAD/CAM領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[3]。

曲軸作為汽車生產(chǎn)中用于傳遞轉(zhuǎn)矩的重要零部件，它的作用是將活塞連桿傳來(lái)的推力變?yōu)樾D(zhuǎn)的扭力，將活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)榍S的圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[4-5]。在內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)，曲軸的受力情況非常復(fù)雜，它在制造時(shí)的整體質(zhì)量會(huì)影響內(nèi)燃機(jī)的性能和可靠性[6-7]。曲軸零件不僅有很高的力學(xué)強(qiáng)度要求，并且其平衡性、穩(wěn)定性都有著極為嚴(yán)格的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

Geomagic DesignX作為一套兼具逆向造型與正向設(shè)計(jì)的混合建模系統(tǒng)[8]，能夠?qū)崿F(xiàn)在同一個(gè)界面體系下同時(shí)完成模型的數(shù)據(jù)處理、曲面重構(gòu)，以及特征造型、參數(shù)化修改等功能，可以極大地降低產(chǎn)品從逆向到正向的鏈接鴻溝，并提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)人員的工作效率。

本文將混合建模技術(shù)運(yùn)用于曲軸建模的改進(jìn)和創(chuàng)新，通過(guò)分析曲軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，定制合適的正、逆向成型方案，判別并提高曲軸鍛件的還原精度。

1 曲軸鍛件結(jié)構(gòu)分析

曲軸作為發(fā)動(dòng)機(jī)中的旋轉(zhuǎn)部件，主要由前后端軸、曲柄銷及平衡塊等結(jié)構(gòu)組成，以平衡旋轉(zhuǎn)慣性力及其力矩；同時(shí)為減少應(yīng)力集中，各結(jié)構(gòu)連接處通常作圓角處理，其結(jié)構(gòu)特征如圖1所示。

圖1 曲軸模型結(jié)構(gòu)分析

考慮到曲軸部件的工作特點(diǎn)，初步擬定將模型的旋轉(zhuǎn)軸線作為混合造型過(guò)程的重要參考之一，并以此創(chuàng)建后續(xù)基準(zhǔn)面，進(jìn)行草圖繪制及模型重建等。

2 模型預(yù)處理

2.1 點(diǎn)云均勻及三角細(xì)化

采用非接觸式（Non-Contact）[9]柔性三維激光掃描儀daisyPH10T獲取曲軸鍛件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[10]，去除模型中的噪點(diǎn)及雜點(diǎn)，并進(jìn)行面片化處理。初步面片化后的模型中三角面分布大小不一，偏差較大，如圖2所示。這不僅會(huì)增加模型的還原難度，也影響其還原精度，因此要進(jìn)行三角細(xì)化處理，適當(dāng)調(diào)節(jié)模型平滑度，使模型中的三角面大體均勻平順。

圖2 模型三角面分布（局部）

2.2 面片精處理與領(lǐng)域編輯

面片三角細(xì)化處理后仍然存在諸如模型表面粗糙、曲面起皺、尺寸抖動(dòng)等問(wèn)題，為方便后期圖形繪制，應(yīng)繼續(xù)對(duì)面片進(jìn)行精細(xì)化處理。在模型不失真的前提下，設(shè)置相應(yīng)的修補(bǔ)強(qiáng)度，提高數(shù)據(jù)的表面精度，如圖3所示。

圖3 面片精細(xì)處理

Geomagic DesignX軟件具有強(qiáng)大的領(lǐng)域區(qū)分功能，可自動(dòng)判斷不同曲面屬于平面、柱面、旋轉(zhuǎn)面或自由曲面等。通過(guò)對(duì)不同曲面的分析，找到合適的基準(zhǔn)面，從而能夠精確地進(jìn)行實(shí)體的構(gòu)造。圖4所示不同顏色的曲面代表不同領(lǐng)域。

圖4 領(lǐng)域表征與基準(zhǔn)坐標(biāo)系

3 實(shí)體構(gòu)造

3.1 坐標(biāo)系構(gòu)建

工件坐標(biāo)系的建立是實(shí)體還原的第一步，首先選擇軟件工具欄的對(duì)齊工具，選擇自動(dòng)對(duì)齊功能。軟件會(huì)根據(jù)工件的形狀自動(dòng)建立X-Y-Z坐標(biāo)系。同時(shí)根據(jù)前面對(duì)鍛件的結(jié)構(gòu)及功能的分析，應(yīng)選擇模型旋轉(zhuǎn)軸線為參考坐標(biāo)之一。再次點(diǎn)選手動(dòng)對(duì)齊功能，如圖4所示，將前端軸的軸線作為其中一條坐標(biāo)軸（圖示Y軸），同時(shí)選擇經(jīng)過(guò)Y軸并且平分平衡塊的平面作為基準(zhǔn)面（圖示YOZ平面），以曲柄銷某一平面上經(jīng)過(guò)Y軸的某點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，添加另外兩個(gè)基準(zhǔn)平面。

3.2 CAD繪圖

Geomagic DesignX比上一代產(chǎn)品強(qiáng)大之處就在于其可以直接進(jìn)行正向CAD建模，軟件自帶的繪圖功能涵蓋了各種幾何繪圖的方法，可以通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)特征的識(shí)別直接擬合出最接近的幾何圖形，并允許用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)編輯。

根據(jù)上節(jié)建立的基準(zhǔn)坐標(biāo)系，選擇YOZ面為基準(zhǔn)平面（亦為投影平面），Y軸為模型旋轉(zhuǎn)軸，抽取模型外側(cè)邊界上的特征要素，將輪廓投影至YOZ基準(zhǔn)平面上，設(shè)置相關(guān)草圖約束，完成曲軸前端軸、后端軸及主軸頸的側(cè)面草圖的繪制，然后選擇“模型”→“創(chuàng)建實(shí)體”→“回轉(zhuǎn)”命令，完成曲軸前端軸、后端軸及主軸頸的側(cè)面草圖3部分實(shí)體的繪制。

選擇XOY面為基準(zhǔn)平面，將視圖調(diào)整為俯視圖并進(jìn)行鎖定，繪制出平衡塊的外輪廓的草圖，如圖5所示。然后進(jìn)行相應(yīng)的拉伸操作，得到平衡塊的實(shí)體基礎(chǔ)。隱藏實(shí)體，在工具組中選中“畫筆選擇模式”，將鼠標(biāo)移至需要添加領(lǐng)域的位置，按住鼠標(biāo)左鍵繪制出領(lǐng)域，完成領(lǐng)域圖形的繪制后，在菜單欄中選擇“領(lǐng)域”→“編輯”→“插入”命令，在模型上插入領(lǐng)域，在領(lǐng)域的繪制中將領(lǐng)域圖形畫成網(wǎng)格狀可以更好地避開一些模型上的缺陷，特征面上對(duì)于一些無(wú)法避免的缺陷也可以將特征面分成幾部分進(jìn)行領(lǐng)域圖形繪制，一個(gè)步驟下完成的圖形在插入領(lǐng)域時(shí)就會(huì)變?yōu)橥粋€(gè)領(lǐng)域。運(yùn)用此種方法可以得到位置和精度都比較適合的面片，并且避開或去除模型上的缺陷，通過(guò)拉伸、修剪等命令后創(chuàng)建的特征面片如圖6所示。利用此面片對(duì)平衡塊的基礎(chǔ)實(shí)體進(jìn)行切割操作；在“圓角要素設(shè)置”中圓角的“半徑”直接運(yùn)用“由面片估算半徑”圖標(biāo)測(cè)出圓角半徑，對(duì)其進(jìn)行倒圓操作，得到平衡塊的單元模型。

圖5 平衡塊草圖

圖6 特征面片

設(shè)置恰當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)平面，對(duì)平衡塊單元進(jìn)行“鏡像”操作，得到平衡塊實(shí)體，如圖7（a）所示。

圖7 實(shí)體特征

再次采用相似的工作流程，完成曲柄銷實(shí)體的構(gòu)造，如圖7（b）所示。最后對(duì)各特征機(jī)構(gòu)進(jìn)行布爾運(yùn)算，合并為一個(gè)整體，并將各個(gè)邊緣以及每個(gè)連接部位進(jìn)行倒圓角，最后曲軸的實(shí)體如圖8所示。

圖8 曲軸實(shí)體

4 偏差分析

偏差分析是還原結(jié)果評(píng)測(cè)的重要環(huán)節(jié)，Geomagic DesignX自帶的偏差分析功能，是對(duì)掃描的點(diǎn)云與構(gòu)建的實(shí)體進(jìn)行偏差度分析，首先對(duì)通過(guò)軟件構(gòu)建的實(shí)體進(jìn)行偏差度分析，紅色與深藍(lán)色區(qū)域?yàn)槠畲笥? mm的部分，黃色區(qū)域?yàn)槠?.1～0.4 mm的部分，綠色區(qū)域一般符合需求，偏差小于0.1 mm。

將創(chuàng)建的曲軸鍛件實(shí)體與原始點(diǎn)云進(jìn)行比對(duì)，得出圖9所示的體偏差色譜?？梢钥闯?，曲軸實(shí)體大部分的偏差在+0.5 mm之間，平均偏差為0.1 mm，少數(shù)特征區(qū)域偏差超過(guò)+1 mm，分析發(fā)現(xiàn)此部分主要是由于曲軸鍛件實(shí)體模型中并未復(fù)原微特征；并且點(diǎn)云模型是一個(gè)未加工過(guò)的鍛件點(diǎn)云模型，數(shù)據(jù)中的飛邊、凸起等[7]特征均未剔除；再者，曲軸鍛件本身只是中間過(guò)程產(chǎn)品，對(duì)其精度要求有一定的寬裕度，此偏差色譜下的鍛件實(shí)體能夠滿足生產(chǎn)要求。進(jìn)一步結(jié)合筆者基于Geomagic Studio前代產(chǎn)品中對(duì)曲軸鍛件的分析比較可知，Geomagic DesignX 正逆向軟件在產(chǎn)品逆向造型及技術(shù)開發(fā)方面具有極大的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。

圖9 體偏差色譜

5 結(jié)論

本文基于Geomagic DesignX軟件對(duì)某汽車曲軸鍛件的混合建模過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并得到了滿足要求的實(shí)體鍛件模型，得到了如下結(jié)論：

1）Geomagic DesignX的領(lǐng)域區(qū)分及特征提取功能可以精確提取數(shù)據(jù)模型中的特征并有效剔除缺陷及干擾因素；

2）軟件賦予的正逆向混合建模功能，實(shí)現(xiàn)了正逆向設(shè)計(jì)的無(wú)縫鏈接，極大地提高了工程技術(shù)人員的效率；

3）重構(gòu)的曲軸鍛件實(shí)體滿足工程使用需求，具有較好的應(yīng)用前景。