朱新宇 李志藝

摘 要：為提高傳統(tǒng)正、逆向工程設(shè)計(jì)中的模型重構(gòu)效率與精度，解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣因形狀復(fù)雜導(dǎo)致實(shí)體造型困難的問(wèn)題，研究逆向工程與正向建模相結(jié)合的模型重構(gòu)方法及其特點(diǎn)。以某型航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣為研究對(duì)象，繪制機(jī)匣正逆向混合重建流程圖，搭建測(cè)量掃描環(huán)境，利用三維掃描設(shè)備對(duì)機(jī)匣形面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并使用Geomagic Design X等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與優(yōu)化，最終得到機(jī)匣數(shù)字重構(gòu)模型。通過(guò)偏差檢測(cè)分析得出，模型平均重構(gòu)精度誤差小于0.5mm，重要配合端面平均誤差小于0.1mm，與實(shí)際情況相吻合，驗(yàn)證了正逆向重構(gòu)技術(shù)的正確性與便捷性，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣性能預(yù)測(cè)、疲勞仿真及結(jié)構(gòu)維修具有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：逆向工程;航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣;正逆向混合模型重構(gòu);Geomagic Design X

DOI：10. 11907/rjdk. 191525 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2020）002-0075-05

英標(biāo)：The Application of Forward and Reverse Modeling Technology in Aviation Piston Engine Crankcase

英作：ZHU Xin-yu，LI Zhi-yi

英單：（Aviation Engineering School， Civil Aviation Flight University of China，Guanghan 618307， China）

Abstract：In order to improve the efficiency and accuracy of model reconstruction in traditional positive and reverse engineering design，and solve the problem of complicated shape and difficult physical modeling of aviation piston engine crankcase， the model reconstruction method combining reverse engineering and forward modeling and its characteristics are studied and introduced. Taking a certain type of aviation piston engine crankcase as the research object， we drew the flow chart of the positive reverse mixing reconstruction of the crankcase， set up the measurement and scanning environment by using the three-dimensional scanning equipment to collect the image of the crankcase surface. And Geomagic Design X and other software were used for data processing， optimization， and finally the crankcase digital reconstruction model was constructed. Through the deviation detection and analysis， it is concluded that the average reconstruction accuracy error of the model is less than 0.5mm， and the average error of the important matching end surface is less than 0.1mm， which is consistent with the actual situation and verifies the correctness and convenience of the forward and reverse modeling technology. It also has certain guiding significance to the performance prediction， fatigue simulation and structural maintenance of aviation piston engine crankcase.

Key Words：reverse engineering;aviation piston engine crankcase;forward and reverse modeling;Geomagic Design X

0 引言

正向設(shè)計(jì)是傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的常用方法，包括概念設(shè)計(jì)、CAD/CAM系統(tǒng)建模與數(shù)控編程制造。正向建模是其核心步驟，但是隨著時(shí)代的發(fā)展，正向建模由于具有設(shè)計(jì)過(guò)程難度系數(shù)大、周期長(zhǎng)、成本高、產(chǎn)品研制開發(fā)難等缺點(diǎn)，使得產(chǎn)品建模乃至產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本較高，且過(guò)程冗長(zhǎng)[1]。逆向工程（Reverse Engineering，RE）隨之誕生，其是指通過(guò)三維掃描工具對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)字化幾何建模與三維測(cè)量的技術(shù)，近年來(lái)廣泛應(yīng)用于汽車、航空、船舶等領(lǐng)域，在新產(chǎn)品開發(fā)、改形、仿制、質(zhì)量分析檢測(cè)中發(fā)揮著重要作用，體現(xiàn)了多領(lǐng)域、多學(xué)科的協(xié)同發(fā)展過(guò)程[2-4]，引領(lǐng)了制造業(yè)發(fā)展的新浪潮[5]。國(guó)內(nèi)外已有不少學(xué)者對(duì)逆向工程進(jìn)行研究與應(yīng)用，并取得了一定成果，如Varady等[6]對(duì)逆向工程過(guò)程進(jìn)行綜述，介紹曲面擬合與B-rep模型的準(zhǔn)確性;Wang等[7]構(gòu)建三維模型重建框架，提出一種有效的網(wǎng)格去噪方法以濾除模型噪聲，并對(duì)幾何精度、拓?fù)湟恢滦赃M(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了其逆向框架的有效性與穩(wěn)定性;李潤(rùn)等[8]利用Geomagic Design X軟件對(duì)模型曲面進(jìn)行擬合，并進(jìn)行誤差分析，研究逆向工程在曲面設(shè)計(jì)中的應(yīng)用;王巍等[9]通過(guò)對(duì)逆向造型流程的研究，探索出葉輪逆向建模方法，并進(jìn)行優(yōu)化處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的逆向建模;鄭文清等[10]利用Geomagic對(duì)牙齒CT掃描圖像進(jìn)行逆向重建，建立實(shí)體網(wǎng)格模型，并與CAE軟件應(yīng)用相結(jié)合，得到牙齒CAD模型的有限元應(yīng)力分析結(jié)果。

以上方法及應(yīng)用均針對(duì)小型曲面與模型，但對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣這類大型薄壁復(fù)雜多曲面結(jié)構(gòu)仍應(yīng)用較少。由于大型復(fù)雜形面模型的逆向工程對(duì)掃描中點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量要求較高[11]，在點(diǎn)與點(diǎn)之間拓?fù)潢P(guān)系不明確的情況下，容易造成面片質(zhì)量差、缺陷多及形面不齊等問(wèn)題[12]。針對(duì)以上正、逆向建模特點(diǎn)，本文提出模型的正逆向重構(gòu)技術(shù)。

1 正逆向混合重構(gòu)技術(shù)一般流程

1.1 數(shù)據(jù)獲取

在逆向工程中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集與獲取是首要階段[13]，工程師可以利用三維掃描設(shè)備（激光掃描儀、跟蹤儀和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等）直接獲取模型形面數(shù)據(jù)，大型模型需要通過(guò)對(duì)掃描設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)站，或者掃描多個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件，利用軟件拼接的方式獲取數(shù)據(jù)。常用點(diǎn)云處理軟件有Geomagic Studio、PolyWorks、ImageWare等[14]。使用Geomagic Studio軟件可以對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，其中對(duì)齊拼接是核心要素。手動(dòng)注冊(cè)命令中的1點(diǎn)注冊(cè)適用于兩個(gè)點(diǎn)云文件重合面多、一致性好的情況，而n點(diǎn)注冊(cè)適用于絕大部分情況，通過(guò)手動(dòng)選擇點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的定義點(diǎn)（3個(gè)以上），可以快速實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接。

1.2 多邊形網(wǎng)格處理

作為模型重建的基礎(chǔ)與對(duì)照，多邊形網(wǎng)格處理是逆向工程重建模型的重要階段，Geomagic Design X由于具有智能的面片修補(bǔ)算法、獨(dú)特的正逆向整合功能與友好的操作界面，對(duì)提高整體處理效率可發(fā)揮重要作用。在模型掃描過(guò)程中，不可避免地會(huì)將一些不相關(guān)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描進(jìn)來(lái)，比如夾具、裝配件和污漬等，有些模型由于反射率或結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，三維掃描設(shè)備無(wú)法掃描到具體特征，從而造成缺面、孔洞等情況，這些雜點(diǎn)數(shù)據(jù)與缺損數(shù)據(jù)會(huì)對(duì)模型本身的逆向重建精度造成影響[15]。所以要在模型重建前對(duì)多邊形網(wǎng)格進(jìn)行修復(fù)處理，特征編輯包括使用刪除特征、智能刷、填孔（搭橋）等多種方式對(duì)面片進(jìn)行手動(dòng)人工修補(bǔ)。對(duì)于局部復(fù)雜的形面區(qū)域，可以對(duì)局部面片整體再進(jìn)行面片化，重新計(jì)算整體面片并提高面片質(zhì)量，或者使用加強(qiáng)形狀工具，通過(guò)銳化角對(duì)平面或圓形區(qū)域進(jìn)行平滑處理，以優(yōu)化面片質(zhì)量，利用平滑、細(xì)分[16]及消減工具也可以對(duì)面片實(shí)現(xiàn)降噪、平滑三角形間曲率流等優(yōu)化操作。

1.3 模型重構(gòu)

模型重構(gòu)是逆向工程重建模型的核心階段，多邊形網(wǎng)格所呈現(xiàn)的點(diǎn)與點(diǎn)之間的拓?fù)潢P(guān)系，可以近似表現(xiàn)出模型原有面片形狀，所以根據(jù)三角面片劃分不同領(lǐng)域[17]。對(duì)于特征明顯的實(shí)體和曲面，可以直接利用基礎(chǔ)曲面與基礎(chǔ)實(shí)體生成，從而提高效率。重建模型首先要建立坐標(biāo)系[18]，可以通過(guò)選取模型多邊形網(wǎng)格中確定的特征平面和中性面創(chuàng)建平面，然后利用3-2-1對(duì)齊或X-Y-Z對(duì)齊方式對(duì)模型全局坐標(biāo)系進(jìn)行定義。與傳統(tǒng)正向建模思路不同，逆向工程建模思路是根據(jù)掃描數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行還原，所以逆向工程中常用構(gòu)造輪廓線的方法進(jìn)行建模[19]。利用Geomagic Design X，可以結(jié)合正向建模思路，采用平面對(duì)面片進(jìn)行剖面呈現(xiàn)的方式提取輪廓線，調(diào)整投影面積和投影距離，從而大幅提升建模效率，之后對(duì)面片草圖進(jìn)行拉伸、回轉(zhuǎn)、放樣、掃描等操作生成曲面和實(shí)體。對(duì)于復(fù)雜不規(guī)則的模型形面，可以利用面片擬合、剪裁曲面等工具進(jìn)行處理，最后縫合曲面、生成實(shí)體。根據(jù)模型的真實(shí)細(xì)節(jié)，在模型重構(gòu)后期對(duì)重建模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)節(jié)完善。對(duì)于相同的特征實(shí)體，Geomagic Design X軟件還可以利用轉(zhuǎn)換體工具對(duì)特征實(shí)體進(jìn)行復(fù)制、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等操作，也可以利用替換面等對(duì)移動(dòng)面進(jìn)行替換、刪除與修補(bǔ)。

2 航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣重構(gòu)

機(jī)匣是通航飛機(jī)水平對(duì)置活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的主要承力部件，是曲軸、凸輪軸和氣缸等重要部件的安裝基座，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，承受的載荷大，機(jī)匣結(jié)構(gòu)的幾何精度、剛度和強(qiáng)度直接影響很多部件的安裝工況及工作性能[20]。因此，機(jī)匣是保證水平對(duì)置活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能最重要的基礎(chǔ)部件。如果機(jī)匣出現(xiàn)各類失效情況，必將影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能及安全性，甚至可能損壞發(fā)動(dòng)機(jī)其它零件，造成發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)或報(bào)廢。所以，通過(guò)正逆向混合模型重構(gòu)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化建模，以便于工程人員明確機(jī)匣內(nèi)部結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確觀察分析受力形面，制定發(fā)動(dòng)機(jī)深度維護(hù)方案，從而保障機(jī)隊(duì)飛行安全，提高發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)效率。

2.1 模型分析

某型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣如圖1所示，首先對(duì)模型進(jìn)行分析。因機(jī)匣模型的工作環(huán)境較為苛刻、復(fù)雜，所以對(duì)其穩(wěn)定性提出了較高要求。其內(nèi)外形面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有相當(dāng)多的曲面和孔洞，孔洞的實(shí)體軸向基準(zhǔn)也大多不同，單純的正向和逆向建模難度大，易產(chǎn)生較大誤差，且一致性差。因此，本文采用正逆向混合建模方法對(duì)其進(jìn)行三維重建，正逆向混合建模流程如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

2.2.1 設(shè)備布置與數(shù)據(jù)采集

使用ROMER高精度7軸絕對(duì)臂測(cè)量機(jī)獲取機(jī)匣數(shù)據(jù)，可以利用其高自由度掃描優(yōu)勢(shì)，減少機(jī)匣掃描時(shí)的移動(dòng)次數(shù)，減少拼接面，提高掃描精度，并且由于機(jī)匣表面特征結(jié)構(gòu)多，擬使用Geomagic Studio對(duì)機(jī)匣進(jìn)行點(diǎn)云拼接，所以掃描時(shí)不需要額外貼點(diǎn)。提前對(duì)掃描模型路線及次數(shù)進(jìn)行預(yù)估，確定需要拼接的機(jī)匣形面、拼接點(diǎn)與設(shè)備移動(dòng)時(shí)的硬測(cè)點(diǎn)位置。為保證掃描設(shè)備與被測(cè)模型的穩(wěn)定性，連接電源預(yù)熱測(cè)量機(jī)，并使用專業(yè)校準(zhǔn)材料對(duì)測(cè)量機(jī)進(jìn)行精度校準(zhǔn)，同時(shí)利用磁性臺(tái)面和專用夾具確保測(cè)量機(jī)與模型在掃描過(guò)程中被牢牢固定，以獲得一致的點(diǎn)云坐標(biāo)系，保證掃描精度。

準(zhǔn)備工作結(jié)束后，利用桌面作為剪切平面，使用測(cè)量機(jī)對(duì)機(jī)匣內(nèi)外形面進(jìn)行三維掃描，以保證獲取足夠的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，便于后期進(jìn)行位置變換等操作;對(duì)氣缸安裝端面和導(dǎo)油孔等復(fù)雜特征表面盡量進(jìn)行多次掃描，以獲取更多細(xì)節(jié)特征，并在后期進(jìn)行降噪;使用Geomagic Studio中的移動(dòng)設(shè)備命令對(duì)機(jī)匣進(jìn)行轉(zhuǎn)站以快速掃描其內(nèi)外表面，選取機(jī)匣內(nèi)側(cè)表面4個(gè)螺栓孔和1個(gè)定位孔圓心作為轉(zhuǎn)站重合點(diǎn)，依次使用硬測(cè)頭進(jìn)行打點(diǎn);在移動(dòng)機(jī)匣后，重復(fù)同樣操作，完成轉(zhuǎn)站，轉(zhuǎn)站平均點(diǎn)誤差為0.011 84mm，如圖3所示;最后對(duì)附件機(jī)匣安裝面進(jìn)行掃描，完成整個(gè)數(shù)據(jù)采集步驟。

2.2.2 機(jī)匣點(diǎn)云預(yù)處理與輸出

利用Geomagic Studio對(duì)機(jī)匣點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，聯(lián)合點(diǎn)對(duì)象可以對(duì)掃描機(jī)匣內(nèi)外表面形成的多個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，并保存合并形成的新點(diǎn)云數(shù)據(jù)。對(duì)機(jī)匣點(diǎn)云數(shù)據(jù)周圍的雜點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行清理，避免其影響對(duì)齊精度。利用手動(dòng)注冊(cè)方法對(duì)機(jī)匣點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)齊，n點(diǎn)對(duì)齊模式可以對(duì)復(fù)雜掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行快速預(yù)對(duì)齊。為了保證機(jī)匣數(shù)據(jù)模型具有足夠高的位置精度，分別以氣缸端面螺紋孔和左右機(jī)匣安裝貫穿螺紋孔作為對(duì)齊點(diǎn)，并利用注冊(cè)器進(jìn)行精準(zhǔn)對(duì)齊，如圖4所示。

對(duì)齊拼接結(jié)束后，點(diǎn)云數(shù)據(jù)形成組文件，將機(jī)匣點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件另存為ASC格式，導(dǎo)入Geomagic Design X軟件中。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，通過(guò)雜點(diǎn)消除與平滑對(duì)機(jī)匣點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行再降噪，以提高點(diǎn)云質(zhì)量、優(yōu)化點(diǎn)拓?fù)鋽?shù)據(jù)，以提高三角面片化的面片單元質(zhì)量。處理完成后，由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)較大，需要對(duì)其進(jìn)行采樣，采用統(tǒng)一比率方法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行整體快速采樣處理。但是機(jī)匣結(jié)構(gòu)曲面多，且曲率變化復(fù)雜，需要同時(shí)利用曲率命令，保證曲率大的區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)豐富，并去除平坦區(qū)域的點(diǎn)密度以降低數(shù)據(jù)大小，提高后期處理效率和采樣精度，本文將采樣比率設(shè)為30%。為獲得高質(zhì)量的模型形面，需要對(duì)機(jī)匣模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，利用Geomagic Studio中的體外弧點(diǎn)和非連接項(xiàng)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行初步優(yōu)化，刪除模型區(qū)域外的雜點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后使用噪音消除功能對(duì)機(jī)匣形面上的噪點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行平滑優(yōu)化，提高多邊形網(wǎng)格劃分質(zhì)量。最后，三角面片化點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)入多邊形網(wǎng)格階段。

2.2.3 機(jī)匣面片修補(bǔ)及編輯優(yōu)化

由于機(jī)匣形面復(fù)雜，有許多不規(guī)則曲面，而面片作為曲面擬合的基礎(chǔ)，要保證其具有連續(xù)性及一定的平順性，需要先對(duì)機(jī)匣表面面片進(jìn)行修補(bǔ)。Geomagic Desgin X中的修補(bǔ)精靈可以檢測(cè)出大部分面片缺陷（例如重疊單元面、非流形單元面和相交單元面等），并對(duì)部分缺陷直接進(jìn)行智能修復(fù)。自動(dòng)修復(fù)完成后，使用智能刷對(duì)機(jī)匣面片存在的復(fù)雜懸掛單元面進(jìn)行手動(dòng)修復(fù)，根據(jù)正向建模思路，使用填孔和特征刪除命令對(duì)機(jī)匣表面的不真實(shí)孔洞及坑洼表面進(jìn)行局部處理。由于機(jī)匣點(diǎn)云數(shù)據(jù)量龐大，計(jì)算機(jī)處理過(guò)程中難免會(huì)產(chǎn)生部分缺陷，利用再面片化和細(xì)分機(jī)匣部分復(fù)雜面片、重新生成面片網(wǎng)格的方法，提高機(jī)匣面片精度和準(zhǔn)確性，最后使用平滑命令對(duì)面片進(jìn)行整體降噪。

2.2.4 機(jī)匣模型重構(gòu)

分別以左右機(jī)匣貼合面和機(jī)匣頂面作為X、Y方向，對(duì)機(jī)匣面片進(jìn)行坐標(biāo)系對(duì)齊。由于機(jī)匣型面復(fù)雜，Geomagic Design X不能準(zhǔn)確識(shí)別模型設(shè)計(jì)意圖，需要根據(jù)正向建模思路手動(dòng)劃分機(jī)匣面片領(lǐng)域，再根據(jù)各個(gè)面的實(shí)際連接情況進(jìn)行分割與合并等，從而保證領(lǐng)域劃分的準(zhǔn)確性，并提高后期模型重建效率和精度。機(jī)匣面片領(lǐng)域如圖5所示。

機(jī)匣是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵承力部件，整體為環(huán)形薄壁結(jié)構(gòu)，表面多為不規(guī)則形面，在掃描時(shí)由于受到環(huán)境和人員誤差等因素影響，點(diǎn)云數(shù)據(jù)與模型之間不可避免地會(huì)存在一些偏差，所以在建模時(shí)應(yīng)盡可能選擇點(diǎn)云噪聲小、連續(xù)性好的面片作為參考。首先不考慮圓角，在平面上創(chuàng)建面片草圖，編輯并利用直線、圓弧和樣條曲線，以及3D面片草圖中的提取輪廓曲線命令重構(gòu)機(jī)匣內(nèi)外輪廓，再利用機(jī)匣曲軸支承面及相鄰端面的輪廓線拉伸形成曲面，與劃分好的領(lǐng)域相結(jié)合，對(duì)相鄰斜面、曲面進(jìn)行面片擬合，并使用網(wǎng)格工具劃分、編輯面片網(wǎng)格。為保證Nurbs曲面的擬合精度，采用點(diǎn)數(shù)控制方式控制及調(diào)整曲面網(wǎng)格，之后再對(duì)線密度進(jìn)行微調(diào)，以逼近對(duì)應(yīng)曲面曲率。需要注意的是，控制點(diǎn)數(shù)不宜過(guò)大，否則會(huì)造成計(jì)算機(jī)運(yùn)行緩慢，降低建模效率;面片擬合算法包容性不強(qiáng)，因此區(qū)域不易過(guò)大，對(duì)于曲率明顯變化的部分，應(yīng)再次對(duì)領(lǐng)域進(jìn)行分割，并進(jìn)行分片擬合。對(duì)于相鄰的復(fù)雜曲面，面片擬合難度較大，可利用3D草圖繪制斷面線，對(duì)其進(jìn)行放樣擬合。擬合結(jié)束后，對(duì)各曲面進(jìn)行延伸與剪裁，重建整個(gè)機(jī)匣內(nèi)外表面。

通過(guò)縫合閉合曲面將整個(gè)機(jī)匣重建曲面生成實(shí)體，以完成機(jī)匣基礎(chǔ)形狀的正逆向設(shè)計(jì)，接下來(lái)對(duì)機(jī)匣孔洞進(jìn)行重建，利用創(chuàng)建視圖平面與基礎(chǔ)實(shí)體的方法對(duì)機(jī)匣上的側(cè)邊孔進(jìn)行建模，最后利用布爾運(yùn)算對(duì)機(jī)匣表面凹槽凸起部分進(jìn)行重建與合并，生成機(jī)匣實(shí)體模型文件。

3 偏差檢測(cè)、調(diào)整與輸出

3.1 偏差檢測(cè)與調(diào)整

在模型重構(gòu)整個(gè)階段中，都可以對(duì)重建的曲面、實(shí)體進(jìn)行偏差檢測(cè)，并對(duì)所建曲面、實(shí)體進(jìn)行實(shí)時(shí)修改。在建模工作結(jié)束時(shí)，對(duì)模型整體進(jìn)行偏差檢測(cè)是整個(gè)正逆向工程重構(gòu)模型的最后階段。在Geomagic Design X中，使用Accuracy Analyzer的體偏差工具對(duì)模型偏差進(jìn)行可視化檢測(cè)，通過(guò)自定義模型重建誤差范圍，可以對(duì)整個(gè)模型逆向重建精度進(jìn)行評(píng)估，以達(dá)到模型重構(gòu)精度要求。

通過(guò)替換面與移動(dòng)體工具對(duì)孔進(jìn)行陣列及位置調(diào)整，對(duì)機(jī)匣部分斜面進(jìn)行拔摸與曲面角度調(diào)整，使其逼近原始模型結(jié)構(gòu)。緊接著使用圓角工具對(duì)機(jī)匣進(jìn)行細(xì)節(jié)微調(diào)，勾選“根據(jù)面片調(diào)整”選項(xiàng)，由面片自動(dòng)估算圓角半徑，生成可變圓角，并提升重建模型圓角精度。利用Accuracy Analyzer（TM）工具對(duì)機(jī)匣正逆向重建實(shí)體進(jìn)行體偏差檢測(cè)，結(jié)果顯示，除去掃描時(shí)測(cè)量機(jī)無(wú)法獲取的部分模型表面、掃描時(shí)噪點(diǎn)及需要輸出處理的特征和圓角外，平均誤差小于0.5mm，左右機(jī)匣貼合面、附件機(jī)匣裝配面平均誤差小于0.1mm，達(dá)到了要求的機(jī)匣模型正逆向重建標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)匣正逆向重建實(shí)體與體偏差如圖6所示。

3.2 模型輸出

首先對(duì)機(jī)匣正逆向重建實(shí)體進(jìn)行缺陷檢測(cè)，得到異常的體、面和邊線都為0的結(jié)果，滿足輸出要求。除使用IGES和STEP等中間實(shí)體格式進(jìn)行輸出外，還可以利用Geomagic Design X對(duì)Creo（Pro/E）和UG等主流CAD軟件的實(shí)施轉(zhuǎn)換工具，對(duì)機(jī)匣正逆向重建實(shí)體進(jìn)行導(dǎo)出。以Creo（Pro/E）為例，勾選全部實(shí)體特征，指定Creo（Pro/E）安裝路徑即可完成輸出，以便之后研究模型時(shí)進(jìn)行編輯、優(yōu)化與仿真等操作。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比正向建模與逆向建模的主要特點(diǎn)，研究正向建模與逆向工程相結(jié)合的模型重建方法，分析得出正逆向混合重建模型的幾個(gè)關(guān)鍵步驟，使用三維掃描設(shè)備對(duì)機(jī)匣形面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用Geomagic Studio和Geomagic Design X軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪與優(yōu)化。根據(jù)正向建模思路設(shè)計(jì)面片草圖，然后通過(guò)創(chuàng)建面片、劃分領(lǐng)域、剪裁并縫合曲面等操作，對(duì)機(jī)匣模型進(jìn)行重建并完善細(xì)節(jié)，同時(shí)對(duì)機(jī)匣內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入理解，對(duì)油孔、溝槽進(jìn)行細(xì)節(jié)補(bǔ)充。最后，利用體偏差工具對(duì)整個(gè)機(jī)匣正逆向重建實(shí)體進(jìn)行偏差檢測(cè)與調(diào)整，使其達(dá)到機(jī)匣正逆向?qū)嶓w重建的精度要求。本研究證明了正逆向混合模型重構(gòu)技術(shù)在工程應(yīng)用上的有效性和便捷性，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的深度維修、性能預(yù)測(cè)與分析奠定了基礎(chǔ)，也為中大型復(fù)雜模型數(shù)字化建模提供了一種新思路。

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（責(zé)任編輯：黃 健）