基于曲面仿形测量的发动机气道逆向工程设计

　　1概述

　　基于产品外形或机构的功能，建立传统的几何模型，是目前国际上流行的CAD软件的强项，这是正向工程设计。对具有复杂型面的产品，在设计阶段很难用严密、准确的数学语言来描述，设计者和生产者只能面对实物。由实物反求建立三维CAD模型，并通过快速成型技术制造出来的设计方法即为逆向工程。广义逆向工程包括影像逆向、软件逆向和实物逆向三种。

　　实物逆向工程主要包括以下4个方一面的核心技术:

　　(1)对象数字化(objectdigitization):指根据产品模型测量得到空间离散点数据。

　　(2)对象模型重构(objectmodeling):指根据空IfF离散点数据反求出产品的三维CAD模型。

　　(3)对象分析(objectanalysis):指将模型和设计特征用于产品面分析、有限元和工艺分析，对模型进行逼近调整和优化。

　　(4)对象加工(objectmanufacturing):指根据分对象的CAD模型生成NC加工代码，并将对象加工出来。

　　目前，逆向工程技术已经在下述领域得到应用:复制没有原始图纸记录的产品零件:对既有产品零件的分析、修改和再工程设计:产品的美术设计非常重要，往往先通过制造实际比例的木模或粘土模型来评价设计;对头盔、假肢等功能复杂、价格昂贵的产品进行人面拟合设计等。

　　发动机进排气系统对发动机的充量更换、混合气形成与燃烧等力一面具有决定性的影响。发动机气道布置空间受限，形状复杂，一般由木模或泥芯进行生产，长期以来成为发动机产品设计与制造中的薄弱环节之一，制约着发动机性能的改进与提高。

　　这里以发动机气道为研究对象，运用仿形测量技术和曲面重构技术得到气道CAD模型。复杂曲面实物外形的准确描述为后续CAE/CAM提供了必要的基础和支撑。在气道内流场分析的基础上进行修改、编辑，准确地再现设计者的意图。

　　2对象表面信息采集

　　仿形测量是逆向工程的一个重要环节，关系到模型重构和表面再现的质量。对象表面信息采集的力一式主要有接触式测量与非接触式测量两种。接触式测量的典型代表是三座标仪，非接触式测量有光栅投影、激光扫描、CT和核磁共振等扫描力一法。

　　在这里的应用实践中，采用三座标测量仪CMM(CoordinateMeasuringMachine)，来获得发动机气道的表面数据。

图1即为三座标仪测量系统的硬件组成。三座标仪可以达到很高的测量精度，但测量速度较慢，需要人工干预，还容易损伤测头和划伤被测零件表面。制造业已制定了DMIS(DimensionalMeasuringInterfaceSpecification)尺寸测量接口规范作为质量检测信息和尺寸测量的标准。它为CAD系统与CMM提供了双向数据交换的格式，为不同厂商CAD系统与CMM的连接提供了通用的数据接口。

　　扫描轨迹可采用行扫描或环形扫描力一式，具体视模型重构的数据采样要求而定。

　　检测点样本的分布和大小的制定原则是:首先满足精度要求，其次使样本尽可能小，以节省检测时间;对曲率变化特别大的区域和难加工区域，可进行补充插值检测。　　扫描方式的选择，根据零件的扫描工艺而定。对于发动机气道这样具有复杂自由曲面外形的零件，很难在某一指定的位置进行测量。根据气道自身的特点，采用线面体结合的力一式进行定位，对实物模型进行了划分。具体测量步骤如下[3]:

　　(1)由气道本身外形特点把气道表面划分为若干部分:

　　(2)根据曲面拟合力一式对各个分面进行细分，在实物模型表面上划分多条网格线;

　　(3)确定三座标测量仪测量定位的基准，然后根据划分的网格线进行测量，若需平移或旋转模型时，重新测量定位基准。5L5^{+L8_