Geomagic扫描数据处理软件在内燃机

文/金成吉、王利民、吴庆敏、韩义勇

广西玉柴机器股份有限公司

基于逆向工程的再设计是现代设计的一种有效而快速的方法，利用ATOS光学扫描设备对某型号内燃机的进气道砂芯进行扫描，使用Geomagic扫描数据处理软件处理点云数据，并建立进气道的3D模型。一方面，对3D模型进行计算机辅助工程分析（CAE）得到仿真分析的结果；另一方面，通过CAM加工得到了吹风盒模具。通过逆向工程建立的3D模型能够较好地模拟真实部件，对缩短内燃机的研发周期，降低产品成本具有重大意义。

进气道是内燃机燃油系统的关键部件，通过组织气体在缸内的流动，在很大程度上影响着发动机的动力性、经济性、燃烧噪声和有害废气的排放。研究进气道的流动特性，优化进气过程中由进气道进入气缸的空气量、气体的速度分布以及涡流和湍流状况，对于提高发动机性能具有重要意义。

逆向工程是针对现有工件（样品或模型，尤其适合复杂不规则的自由曲面），利用3D数字化测量仪器准确快速地测量出反映其表面轮廓的点云数据，再使用逆向软件构建曲面，生成实体模型，然后根据工程需要，将实体模型输入CAM系统加工所需模具及工件，或是将实体模型构建为CAE模拟分析所需要的CAD模型，进行计算仿真。

本文主要通过扫描数据处理软件GeomagicStudio(现名Wrap)将某柴油机的进气道转化为3D实体模型，并进行CAE仿真分析和吹风盒试验。

进气道表面的测量和重构

首先，要对进气道的表面进行测量和曲面重构。在逆向工程中，3D数字化测量仪器根据测量方式可分为接触式测量和非接触式测量两类，接触式包括基于力——变形原理的触发式和连续扫描式数据采集，一般采用硬质探针或其他探头在物体表面接触扫描；非接触式主要有激光三角测量法、激光测距法、光干涉法、结构光学法和图像分析法等，一般以激光、超声波和红外线等媒介代替探针。这次使用的是德国GOM公司的非接触式结构光扫描设备ATOS，得到进气道表面的点云数据如图1所示。

图1进气道的点云数据

在逆向软件中的曲面重构工作是整个逆向工程的重中之重，从应用实践上来看，目前的逆向软件主要有两种工作方式：一种是按正向的思路来进行，以3DCAD软件平台为主，逆向软件为辅，逆向软件的主要工作是进行点云处理，并获取一些必要的局部特征线，同时构建一些主要的曲面，特征构建及实体造型仍是在CAD软件中进行，这种方法适用于主要由标准几何特征构成或结构较多的零件；另一种是直接根据零件的点云数据生成三角网格模型，然后自动生成NURBS曲面，最终得到完整的由众多曲面片光滑拼接而成的曲面模型。根据几种逆向软件的特点和进气道开发任务的需要，此次选用了Geomagic软件进行进气道表面的逆向重构工作。

Geomagic软件就是以第二种方式进行工作的，可以拟合出C1阶连续的多个NURBS曲面片，进气道表面不是由标准几何特征构成，结构又比较简单，非常适用于GeomagicStudio软件(现名Wrap)。首先将点云数据进行去噪声点，填补空洞等操作，得到表面光顺、误差小的三网格面，如图2所示。然后进入曲面生成模块，按照曲率进行分区，合理布置密度，用多个C1阶连续的NURBS曲面包裹整个三角网格面，逆向重构的曲面如图3所示。在UG软件缝合曲面就可以得到进气道的实体模型。

图2建立三角网格面

图3在Geomagic软件中重构曲面

对进气道实体模型进行分析和加工

一方面，对于得到的实体模型，进行CAE仿真分析，另一方面，将实体模型转化为吹风盒上下模型，进行CAM加工，这次将使用5轴机床加工得到工程塑料吹风盒。

仿真分析的结果要与气道稳压试验台的测试结果进行比较，所以计算模型要模拟稳压试验台的检测状况，即进气道的出气口要建立和稳压试验台相同的模拟气缸模型，进气道的入气口要建立稳压箱模型，如图4所示。

图4CAE仿真分析模型

经过CAM加工得到的吹风盒，可以在稳压试验台上进行测试，这样我们既可以与仿真分析的结果进行对比，验证计算的准确性，又能够与实际缸盖部件在稳压试验台的测试结果做比较，检验逆向生成的实体模型与实际部件的误差，因5轴机床的加工需考虑分模问题，所以将吹风盒分成上下两部分分别加工，得到的芯盒模型如图5所示。

图5吹风盒的上盒（a）和下盒（b）

结果比较

对进气道的评价方法有很多，主要区别在于测量位置和计算方法的不同，这里使用的是英国Ricardo评价方法，对仿真分析得到的结果、吹风盒在稳压试验台上的测试结果和实际缸盖在稳压试验台上的测试结果进行比较。结论是：不同方法得到的结果相差很小，逆向工程得到的进气道模型完全可以满足开发过程的精度要求。

通过Geomagic软件可以快速地获得进气道的实体模型，一方面对进气道实体模型进行CAE仿真分析，另一方面通过CAM加工将实体模型做成工程塑料的吹风盒，经过稳流试验台测量，与缸盖试验值做比较，可以证明本次逆向设计生成的进气道模型完全可以满足CAE计算的要求，并可以用于加工吹风盒，精度也满足进气道试验开发的要求，而且可以极大的提高研发效率，降低研发成本。

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