逆向工程法及其在发动机复杂曲面实物制造上的应用

・汽车工艺装备・　中国汽车翩琏　ＣⅢＮＡ　ＡＵＴＯＭＯＴＩＶＥ　ＭＡＭＩＦＡＣＴＵＲＩＮＧ　逆向工程法及其在发动机复杂曲面实物制造上的应用　梅德清赵卫东　（江苏大学汽车学院，镇江，２１　２　０１　３）　摘要：探讨了逆向工程在发动机气道的设计与开发中的应用。运用仿形测量技术和曲面重构技术得到气道Ｃ　Ａ　Ｄ　模型。复杂曲面实物外形的准确描述为后续ＣＡＭ／ＣＡＥ提供了必要的基础和支撑。气道ＣＡＤ模型的ＣＦＤ流　场分析作为指导模型修改的依据。优化后的Ｃ　Ａ　Ｄ模型经快速成型加工出样件，即可用于生产或实验，与Ｃ　Ｆ　Ｄ　相验证。　关键词：逆向工程；ＣＡＤ造型；气道；发动机　Ｒｅｖｅｒｓｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｉｔｓ’Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｎｔｈｅ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　ｏｆ　Ｐａｒｔｓ　ｗｉｔｈ　Ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅ　Ｓｕｒｆａｃｅ　ｉｎ　Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　Ｅｎｇｉｎｅ　Ｍｅｉ　Ｄｅｑｉｎｇ　Ｚｈａｏ　Ｗｅｉｄｏｎｇ　（ＳｃｈｏｏＩ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍｏｂｉ１　ｅ　ａｎｄ　Ｔｒａｆｆｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ。Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｕｎｉｖｅ　ｒ　ｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ，２１　２０１　３）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｅｖｅｒｓｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｉｎ　ｅｎｇｉｎｅ　ｐｏｒｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｓ　ｐｕｔ　ｉｎｔｏ　ｐｒａｃｔｉｃｅ．Ｅｎｇｉｎｅ　ｐｏｒｔ　ＣＡＤ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｇａｉｎｅｄ　ｂｙ　ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ　ｐｒｏｆｉｌｅ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ａｃｃｕｒａｔｅ　ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅ　ｏＮｅｃｔ　ｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｔｈｅ　ｅｓｓｅｎｔｉａｌ　ｂａｓｉｓ　ａｎｄ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｆｏｒ　ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔ　ＣＡＭ／ＣＡＥ．　Ｔｈｅ　ｐｏｒｔ　ｉｓ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ａ￣ｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　ＣＦＤ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｒｔ　ＣＡＤ　ｍｏｄｅ１．Ｔｈｅ　ｓａｍｐｌｅ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｒａｐｉｄ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ＣＡＤ　ｍｏｄｅｌ，ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｅｉｔｈｅｒ　ｔｏ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｒ　ｔｏ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ｖｅｒｉｆｉｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ＣＦＤ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄ：ｒｅｖｅｒｓｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ＣＡＤ　ｍｏｄｅｌ；ｐｏｒｔ；ｅｎｇｉｎｅ　面对的是实物。而这种由实物反求建立三维Ｃ　Ａ　Ｄ　１概述　模型，并通过快速成型技术制造出来的设计方法即　传统几何模型的建立是基于产品的外形或机构　为逆向工程…。广义的逆向工程包括影像逆向、软　的功能，由设计师在Ｃ　Ａ　Ｄ软件中构造，这是正向　件逆向和实物逆向三种。　工程。对具有复杂型面的产品，在概念设计阶段很　目前，逆向工程技术已经在下述领域得到应用　难用严密、准确的数学语言来描述，设计和制造者　［２】复制没有原始图纸记录的产品零件；对既有产　频率范围之外使用铁氧体。　［１】ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．１０００ｂｂｓ．ｃｏｍ／ｐｒｉｎｔｐａｇｅ．ａｓｐＢｏａｒｄｌＤ＝５３＆ｉｄ＝４３９０４　５结束语　［２】　施思寒，刘庆滨等．上位机和多台下位机的４８５通讯Ｕ】．自　动化技术与应用，２００１，［６１：４８￣５０．　本系统零件分拣准确可靠、抗干扰能力强、容　【３】　ＭＦ　ＲＣ５３０　Ｈｉｇｈｌｙ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ＩＳＯ１４４４３Ａ　Ｒｅａｄｅｒ　ＩＣ　Ｄｅｓｉｇｎ　错防错能力强，具有自动报错的功能，系统维护简　ＤａｔａＳｈｅｅｔ．Ｐｈｉｌｉｐｓ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，２００３．　单，不需要专业的技术人员维护，实现了机加工生　ｆ４】　【德］Ｋｌａｕｓ　Ｆｉｎｋｅｎｚｅｌｌｅｒ著，陈大材编译．射频识别（ＲＦＩＤ）　产线、后续处理、包装线的无缝联接，实现了生产　过程中零库存的目标，大大缩短了零件的非机加工　技术（第二版）ｆＭ】．北京：电子工业出版社．　时间，节约了生产空间，使车间物流达到最优化。　同时也使其他资源的效率发挥到极致，大大提高了　作者介绍：龚天军（１　９８１．１０～）。男，湖北带阳人，中南大　企业的生产效和企业的核心竞争力，为企业带来可　学硕士研究生，主要研究方向为机械电子工程。　观的经济效益。　贺地求（１９６３．１１一），男，湖南双峰人，中南大学　参考文献：　教授，研究领域为机电一体化设备。　一３０一　维普资讯 http://www.cqvip.com

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，往往先适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、排气道是汽车发动机的重要零部件　之一，对发动机的充量更换、混合气形成与燃烧等　方而具有决定性的影响［３】。发动机气道一般由木　模或泥芯进行生产，形状复杂，布置空间受限，长　期以来成为发动机产品设计与制造中的薄弱环节之　１　制约着发动机性能的改进与提高。　本文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Ｃ　ＡＤ模型。复杂曲　面实物外形的准确描述为后续Ｃ　ＡＭ／ＣＡＥ提供了　必要的基础和支撑。对气道ＣＡＤ模型进行ＣＦＤ流　场分析，找出不合理的流场结构，作为指导模型修　改的依据。修改后的Ｃ　ＡＤ模型经快速成型加工出　样件，该样件一方面可用作发动机缸盖生产，另一　方面可用于气道稳流试验，与Ｃ　Ｆ　Ｄ分析计算结果　相互校验，从理论上指导试验工作，减少试验的盲　目性。　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。在对象表面信息采集　中，根据测量方式可以分为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，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，但容易损伤测头和划伤被测零件　表面，还始终需要人工干预，不能实现测量自动　化，测量速度较慢。　非接触式光电测量方法主要有光栅投影、激光　扫描、Ｃ　Ｔ和核磁共振等扫描方法。非接触式测量　在测量过程中测头不接触被测表面，避免了测头半　径的补偿和被测表面的划伤，实现了对各表面的高　速测量。　在本文的　用实践中，采用三座标仪来获得发　动机气道的表面数据。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　方式进行定位，对实物模型进行了划分。具体测量　步骤如下　（１）由气道本身外型特点把气道表面划分为若　２００６年第１２捌　剞Ｉ１　举杯删　糸玩世件组成　Ｆｉｇ　Ｉ　Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　３　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ　干部分；　（２）根据曲面拟合方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）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；　（４）遇到要平移或旋转模型时，重新测量定位　基准。　测量过程应与造型结合起来考虑，使得能表现　出形体特征的数据点能最大限度地满足造型需要。　测量时还考虑尽量少地进行重新标定和再定位，尽　量减少实物模型的定位和装夹时间。　３曲面重构　ＣＡＤ造型能够描述曲线、曲面、实体等几何拓　扑信息，表达产品的纹理、质量、重心等信息，是　ＣＡＥ　ＣＡＭ的必要基础。ＣＡＤ建模有实体和线架　两种模式，实体模式比线架模式更精确地表达三维　物体。Ｃ　Ａ　Ｄ造型分为参数化造型和变量造型两大　流派，都是基于约束的实体造型技术。　由实物建立＿－维Ｃ　Ａ　Ｄ模型有两种途径。一是　直接利用三维Ｃ　Ａ　Ｄ软件实现设计思想的数字化，　建立Ｃ　ＡＤ模型。二是对已存在的具有复杂曲面的　实体，难以直接建立三维模型，利用仿形测量，并　进行三维重构处理后，由反求工程得到Ｃ　Ａ　Ｄ三维　模型。在此基础上然后还可进行修改、编辑，准确　地再现设计者的意图。　发动机气道表面是复杂的自由曲面，无法用一　般的直线或圆弧来描述。国际标准化组织ｌ　９　９　１年　颁布的关于工业产品数据交换的ＳＴＥＰ标准，把非　均匀有理Ｂ样条（ＮｕＲＢＳ）曲线作为定义工业产品几　何形状的唯一数学方法。ＮＵ　ＲＢＳ曲线是一个向量　值分段的有理多项式函数：　一３１—　维普资讯 http://www.cqvip.com

ｃ（“）＝∑　Ⅳｆ　（ｕ）／ＺＷ，Ｎ　（“）　（１）　式中，　是特征多边形顶点位置矢量；　是控　制点　的权因子；Ｋ为　样条基函数次数；Ｎ　（“）是　次　样条基函数。　给定空间数据点ＣＯ，ＣＩ，…，Ｃｎ，写出曲线　方程，通过高斯消元法求解，就得到控制顶点　，　从而得到ＮＵＲＢＳ曲线。ＮＵＲＢＳ曲线可通过修改　控制点和修改权因子来灵活改变形状，对插入节　点、修改、分割和几何插值等的处理较为有利。　由测量得到的离散点构造物体表面的形状，有　以下４种方法　ｌｆ＋　由点定义出一组特征曲线，然后再由曲线　构造曲面：　ｂ．直接由点插值拟合曲面：　ｃ．先由点生成多边形网格，然和再用一组曲　面片拟合这些多边形网格：　ｄ．上述两种或三种方法的组合。　由特征曲线构造曲面较好地反映出物体的表面　特征，并可获得较好的表面边界，但只能用于具有　相应几何特征的曲面。根据局部特征点拟合出一组　曲线，可能导致拟合精度及可靠性问题。直接由点　拟合ＮＵＲＢＳ曲面时，可拟合出任意曲面形状，但　在曲面边缘效果不理想。在第三种方法中，多边形　网格（通常为三角形网格）可自动生成，但这种方　法对所采集点的完整性及均匀性要求较高，否则难　以获得有效的多边形网格。另外，由多边形网格找　出物体表面边界亦存在一定的困难。　根据物体表面特征，将上述两种或三种方法组　合在一起，可较好地克服各自所存在的缺陷。可先　定义出表面边界曲线，然后由该边界曲线和该边界　内所包含的点来拟合出相应的曲面，这样可获得较　好的拟合结果。　常用的实体三维造型软件有Ｐ　ｒ　Ｏ／Ｅ、Ｕ　Ｇ、　ＭＤＴ、ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ等，也可基于可视化编程。使　用高级造型软件，可以直接在计算机上获得产品造　型的各种属性，实时地显示、修改虚拟产品的ＣＡＤ　模型。图２为通过仿形测量经Ｕ　Ｇ软件曲面重构后　的气道ＣＡＤ模型　。　４快速成型加工　对已建立起Ｃ　ＡＤ模型的复杂曲面实物，可通过　快速成型技术生产出来。快速成型制造思想来刚２　—３２一　ｌｇ　２　ＣＡＤ　ｍｏｄｅｌ　０ｌ　ｄｉｅｓｅｌ　ｅｎｇｉｎｅ　ｉｎｌｅｔ　ｐｏｒｔ　源于将三维实体截成一系列连续薄切片的逆过程。首先　对实体的三维ＣＡＤ模型进行分层处理，获得实体的二　维截面数据信息，然后根据每一层的截面数据，生成与　该层截面形状一致的薄片，反复进行这一过程，薄片逐　层累加，直至“生长”出所需实体零件。　在快速成型制造过程中，能量是一个关键因素。传　统的去除成型或受追成型加工，能量是被动供给的，一般　无须对加工能量进行精确预测与控制而在离散／堆积型　的快速成型制造中，单元造的能量是主动供给的，需　要精确地预测和控制　目前比较成熟的ＲＰ技术工艺有：液态激光树　脂选择性固化（ＳＬＡ）、叠层制造（ＬＯＭ）、粉末材料选　择性激光烧结（ＳＬＳ）、熔融沉积成型（ＦＤＭ）、三维印　ＮＩ］（３ＤＰ）、形状沉积制造工艺（ＳＤＭ）、轮廓成型工艺　（ＣＣ）、激光近形制造技术（ＬＥＮＳ）等。　快速成型技术与逆向工程等技术相结合，为制　造业的发展提供了新的技术支持，快速成型技术极　大地缩短了新产品研发周期　５气道内ＣＦＤ分析　５．１气流运动的控制方程　假设气道内气体的流动是绝热、定常、不可压　缩的粘性流。气道内气流运动的控制方程是由一组　守恒的连续性方程、动量方程、能量方程以及状态　方程和湍流模拟方程构成的。常用的湍流模型有亚　网格尺度模型、单方程模型和双方程模型（标准　ｋ一　模型）、ＲＮＧ模型、雷诺应力模型等。本文利　用ＫＩＶＡ计算程序，采用ＲＮＧ　ｋ一占湍流模型，对　进气道中的气体流动过程进行了三维数值模拟。　＋（ａ，ｊｋ－　：“（Ｐ＋ｅ￣）－ｍ－　＋　鲁　（２）　＋　ｒｐｕ　警　－　一箬　ｌ　譬＋　等一　ｌ￣　￣ｆ　　ｋ　（３）　２００６年第ｌ２划　维普资讯 http://www.cqvip.com

式中　＋　；Ｐ＝　）；　一告警；ｑ＝Ｓ．ｋｌ　；　型的精确描述　基于逆向工程和快速成型制造技术提供　了一条从产品实物直接制造和改进产品的新的概念和方　Ｓ＝（２ｓｉ￣ｓｉｉ）”　：Ｐ为密度；“　为气流速度在３个坐标　的分量；　为动力粘性系数：　为湍流粘性系数，　“　Ｃ．ｐｋ　／ｇ；　为常数；ｇ　为　方向重力加速度；为湍　流脉动动能的湍流Ｐｒａｎｄｔｌ数；　为湍流脉动动能　耗散率ｋ的湍流Ｐｒａｎｄｔｌ数；　为流体变形率张量。　ＲＮＧ湍流模型中的系数见表ｌ。　ｔ　ｃ一　Ｌ　Ｃ　ｊ　ｔ　ＯＱＳ　ｌＪ‘１９　Ｕ‘　Ｊ｛：　ｌｔ，８　ｕ　０ｊ　４　－¨　Ｓ‘　４ｊ８　０　Ｏｌ：　Ｉ　ａｂ　Ｉ　Ｉ　ｈｃ　ｃｏｅｔＩｌｃｌｅｎｔ　ｉｎ　Ｌ【１ｃ　Ｋ　ＧＬｕｒＤｕｔｅｎｃｅ　ｍｏＯｅｔ　５．２　０ＦＤ计算结果　图３为气遭一缸内某一截面的的流场。气道三　维流动分析的　：化目标是保证气道表面光顺，使气　流沿程损失最小，获得高的充气系数，进入缸内的　气流能形成与燃烧系统相匹配的涡流运动。ＣＦＤ计　Ｌ＿ｉｇ　３　Ｖｃｉｏｅｉｔ］　ｖｅｃｔｏｒｓ　Ｏｌ　ｓｏｍｏ　ｏｎｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ】Ｔ１　ｕ１ｔａｋｅ　ｐｏｒｔ　算结果表明在气道的喉口处，即直段向螺旋段过渡处的　流动截面面积最小，流动阻力最大。气道螺旋段靠近内　侧壁面处出现了气流分离与倒流，使流动阻力增加，气　道的流量系数下降，进入气缸的充量减少。　根据柴油机整机性能要求和ＣＦＤ模拟计算结果，　对气道喉口和螺旋室蜗壳进行了改进。图４为改进后的　气道外形，改进后的气道消除了原气道中的倒流现象，　在满足涡流要求的情况下增加了气道的流通性能。改进　后的模型经快速成型加工，并可在稳流试验台上与　ＣＦＤ模拟计算结果相校验。　６结论　（１）逆向工程技术实现了复杂曲面实物的ＣＡＤ模　２００６年第ｌ２期　法，并把产品的设计和加工工艺集成到ＣＡＤ／ＣＡＭ／　ＣＡＥ的系统内。　警　瓣羹　ｐ　ｉｇ　４　Ｍｏｄｉｌｉｃｄ　ｉｎｉｅｔ　ｐｏｒｔ　Ｏｔ　ｄｉｅｓｅｌ　ｅｎｇｉｎｅ　（２）根据三维数值模拟计算的结果对进气道流场进　行分析，找出气道结构中需要改进的部位，从而对气道　结构性能进行优化。ＣＦＤ计算分析与实验相结合，克　服了传统设计中的盲目性与局限性，为气道的改进与设　计提供了高效实用的手段。　（３）建立发动机气道模型数据库，为发动机整　机性能的提高作贡献。　参考文献：　ｆ１１　田晓东．复杂曲面实物的逆向工程及其关键枝术２０００，２９　（４）：Ｉ￣４．　ｆ２１　谢金．基于激光测量的自由曲面零件逆向工程的实现．组　合机床与自动化加工技术．２００２，（１）：３４￣３６．　ｆ３１　梅德清等．直喷式柴油机进气涡流的预测及与油柬的匹　配江苏大学学报（自然版）．２０（｝２（２３），４：１２￣１５．　【４１　常思勤．逆向工程在汽车零部件设计制造中的应用．内燃　机．２００１．（４）：３０￣３２　ｆ５１　李建军．逆向工程及其相关技术机械与电子１９９９，（３）：　１６￣１８　【６１　夏兴兰．数值模拟方法在柴油机进气道改进设计申的应　用．内燃机学报．２００２．２０（５）：４２４￣４２８　ｆ７１　于殿泓．一种新型制造加工手段一快速成型制造技术．　工具技术．２０００。３４（４）：８￣１０　男，讲师，主要研究方向为发　动机工作过程　一３３一