基于Geomagic Design X的航空活塞發(fā)動機機匣逆向建模

白宇翔

（中國民用航空飛行學院 飛機修理廠，四川 廣漢 618307）

0 引言

航空活塞發(fā)動機機匣深度修理技術的研究需要基于精準的機匣數字模型，從而進行相關仿真、模具、工裝工具設計等。本文將基于2016版Geomagic Design X軟件，介紹某型航空活塞發(fā)動機機匣的逆向建模方法。

1 軟件介紹

Geomagic是一家總部設在美國的軟件及服務公司，主要提供工業(yè)領域的軟件和服務，本文將使用該公司旗下兩款軟件進行逆向建模設計。Geomagic Studio主要用于對點云的采集、處理，以及格式轉換；Geomagic Design X負責對處理好的點云進行三角面片化處理，通過領域劃分、曲面擬合等方式，最終將創(chuàng)建的幾何曲面進行縫合，形成與點云相一致的實體，同時可將逆向結果與點云數據進行對比，得出可視化的誤差分析[1]。

2 逆向建模過程

2.1 點云采集及處理

在點云采集階段使用Geomagic Studio（2013版），該軟件具備較為全面的掃描儀采集端接口，可以兼容市面上常見的掃描儀品牌，本文使用?？怂箍店P節(jié)臂掃描儀對航空活塞發(fā)動機機匣進行掃描，因受搖臂范圍限制，故在點云采集中涉及分區(qū)塊掃描，在后期處理中需要使用對齊功能將不同區(qū)塊拼接在一起形成整體，該功能要求拼接的各個部分間存在重疊部分（如圖1），使用到“手動注冊”功能，該功能通過按先后次序在兩部分公共區(qū)域上錨定至少3個相同的特征部位，而實現點云的自動對齊。在獲得完整的點云數據之后需要對點云進行進一步優(yōu)化，主要是對掃描體之外的噪聲點、孤點進行手動框選刪除，同時可以使用軟件自帶“體外孤點”、“非連接項”功能自動選中體外雜點進行刪除[2]。在處理過大的點云文件時，過于冗雜的數據會造成每一步處理軟件都消耗大量時間進行計算，此時需要使用采樣功能對點云進行精簡，按一定點與點間的間距對點云進行重新采樣，在重新采樣精簡過點云后，即可對該點云文件進行保存。在Geomagic Studio中，點云將默認以.wrp格式進行封裝，而該格式在Geomagic Design X中無法識別，故通常將點云另存為.asc進行保存。

圖1 點云的對齊

2.2 三角面片化處理

在Geomagic Design X菜單的插入功能中選中保存的.asc點云文件，即可導入之前處理好的點云文件。運行面片創(chuàng)建精靈，依照提示選擇生成的三角面片的各質量參數，點選下一步，軟件會基于點云自動生成相應質量的三角面片（如圖2）。初次生成的三角面片會存在很多缺陷，可以通過多次運行多邊形菜單下的修補精靈進行自動修補，除此之外還可以靈活使用孔填補、平滑、整體再造等功能使三角面片更加完整，過渡更加自然平滑，如果逆向對象的結構相對簡單，三角面片構造質量越高，此后的逆向效率將大大提升。

圖2 面片的創(chuàng)建

2.3 坐標對齊

三角面片生成后，通常因為掃描時坐標設置問題，此時掃描文件的擺放位置與系統(tǒng)坐標系默認的“前上右”面不能對應，為了后續(xù)操作統(tǒng)一，通常會進行坐標對齊操作，即將機匣掃描數據的相對坐標系與當前系統(tǒng)絕對坐標系統(tǒng)一，需要使用對齊菜單，通常采用在掃描數據上建立相應的特征，再依次與系統(tǒng)坐標系特征對應即可實現坐標對齊（如圖3），以機匣貼合面為基準取面片上不同的3點構建了基準面，再以收油池面、附件機匣面為參考，最終建立3個互相垂直的參考面，然后進入對齊菜單選擇手動對齊，在移動菜單中選中上述基準面即可形成以機匣為參考的相對坐標系，對象菜單選擇系統(tǒng)坐標系以及對齊到原點，確定后機匣即可與系統(tǒng)默認的“前上右”3個方位一一對應，在后續(xù)操作中即可以默認的方向為基準進行草繪拉伸等逆向操作。

圖3 手動對齊處理

2.4 逆向實體創(chuàng)建

Geomagic Design X中，實體生成的主要方式可分為兩種[3]，一是通過草圖旋轉放樣拉伸直接生成實體，二是通過構造曲面，最后將多個曲面剪切縫合形成一個密封體，從而生成實體。對于結構外形簡單的實體通常采用第一種方式即可完成逆向，對于結構復雜的物體，如本文涉及的機匣，異形曲面多、結構復雜，需要使用到兩種方式結合完成逆向，下面將分別介紹逆向中主要使用到的功能模塊：

1）參考平面、線、點的構造。

參考幾何圖形欄囊括了平面、線、點的構造功能，建模過程中例如草繪拉伸、旋轉等操作，皆需要創(chuàng)建參考基準來進行操作。創(chuàng)建方法包含了直接從三角面片選擇區(qū)域進行擬合，直接選定多點進行生成等，如上一小節(jié)提到的基準面的創(chuàng)建，即是通過定義方法，選擇三角面片上的3個點所形成的參考面。

2）2D草圖。

軟件可基于參考平面繪制平面草圖，在逆向中更多使用到面片草圖功能，該功能可以將所需位置的三角面片截面投影于自己設置的基準平面上，形成參考線（如圖4），即為機匣貼合面輪廓的投影過程，在此后的操作中，僅需根據參考線進行草圖繪制，即可創(chuàng)建出機匣貼合面的輪廓草圖，此后可對該草圖進行拉伸，形成實體，給布爾運算做準備，或者使用面填補功能直接將閉合的貼合面草圖填補成曲面片，后期用于縫合。

圖4 面片草圖功能

3）3D草圖。

3D草圖功能分為基礎3D草圖及3D面片草圖，后者在逆向中更常使用到（如圖5），該功能可以直接使畫筆吸附在三角面片上畫出貼合于面片的空間樣條曲線，從而放樣出各類異形曲面。同時3D草圖的菜單中具備輪廓線提取功能，對于三角面片處理完善的簡單結構，可自動根據曲率提取輪廓線，構造面片網格并生成曲面，該功能可快速逆向出實體模型，但在模型過大、點云采集質量不高、三角面片化缺陷過多時無法使用，本文不再贅述。

圖5 3D草圖欄

4）實體與曲面創(chuàng)建菜單。

該菜單內各項功能與主流正向建模軟件一致，可以通過上述各類草圖進行拉伸、回轉、放樣與掃略（如圖6），其中的基礎實體與基礎曲面功能需結合下文領域功能配合使用。

圖6 實體與曲面創(chuàng)建欄

5）領域功能。

領域為逆向建模中最主要的功能（如圖7），對于結構簡單的逆向工程，在對三角面片處理得當的前提下，可以通過自動分割功能根據三角面片曲率直接自動劃分領域，再根據領域創(chuàng)建相應曲面進行縫合，快速實現逆向建模。但在三角面片缺陷過多且無法修復時則需要使用手動劃分領域，如本文所涉及情況。通過設置適當的畫筆大小，在準備逆向的部位進行涂抹，點擊插入即可構造出一塊領域，通過面片擬合功能可以直接根據領取的形狀生成與面片吻合的曲面，通過劃分不同領域生成多個曲面，然后互相裁剪、拼接，即可完成各類逆向曲面的創(chuàng)建（如圖8），劃分了收油池內的3個領域，通過曲面擬合、裁切、三角面片自動倒角，即形成了所需部位的曲面。

圖7 領域劃分菜單

圖8 領域擬合曲面演示

6）編輯欄。

編輯欄里囊括了對實體和曲面的基礎操作（如圖9），包括對實體模型的布爾運算、倒角，對曲面的剪切縫合等，該編輯欄內功能在上文所述曲面創(chuàng)建的各種步驟中均有提及，在曲面創(chuàng)建過程中，曲面的延長與剪切是貫穿始終的功能，其中的面填補功能可以在選擇封閉邊線后根據三角面片自動生成與周邊曲面G1連續(xù)的曲面，方便快捷。各種功能間互相配合，最終通過縫合功能將所有曲面聯結封閉，即可生成實體，實現逆向建模。

圖9 編輯欄

本節(jié)對航空活塞發(fā)動機機匣逆向建模在Geomagic Design X中使用到的基本功能進行了詳細的闡述，利用上述功能，從機匣面片局部入手，不斷建立參考面，構造草圖，劃分領域，創(chuàng)建放樣曲線，生成對應的曲面，剪切縫合，最后即可封閉為機匣實體。

3 逆向建模整體思路

在機匣的逆向建模中，要明確逆向工程并不能做到百分之一百的還原，偏差是必定存在的，上文介紹的各種逆向方法各有優(yōu)劣，針對同一塊三角面片使用不同方法所創(chuàng)建的曲面質量必然存在差異，此時我們需要對機匣整體有一個把控，明確哪些部分需要更高精度的逆向結果，從而針對性地采用相對應的逆向方式。

同時逆向工程也需要代入正向建模的思路，各部位間的位置度也應該按照設計意圖進行逆向，上述坐標對齊就是基于該目的，在逆向建模中各參考面的建立都基于對齊之后的坐標系，平行與垂直關系才能得到保證。如曲軸安裝孔，在逆向中可以選擇在孔內三角面片上添加領域，直接擬合出半圓柱曲面，但此時圓柱的中心軸與附件機匣安裝平面必定不是90°垂直狀態(tài)，與設計意圖偏離，曲軸安裝孔的正確創(chuàng)建方式應該是以創(chuàng)建好的附件機匣安裝面為基準建立參考面，使用面片草圖功能將曲軸安裝孔輪廓投影至該參考面，依據該投影用草繪做出曲軸安裝孔輪廓半圓的草圖，最后進行拉伸、形成曲面，這樣形成的曲軸安裝孔曲面既達到了形狀精度要求，同時也滿足了位置精度要求。

對于相對規(guī)則的結構部分更推薦采用直接拉伸旋轉掃略生成實體，后期通過布爾運算與主體結構相連接的方式（如圖10圈中部分），在逆向建模初期會選擇忽略掉幾個規(guī)則圓柱，首先搭建底部平面作為機匣的基底，在完成整個機匣大致外形的逆向后，再放樣出圖示的幾個錐柱與主體布爾運算連接。在逆向中需要掌握化繁為簡的意識，要能將復雜結構拆分為簡單的小結構進行逆向，在此基礎上靈活運用上述各類功能才能事半功倍。

圖10 建模思路示例

4 逆向質量檢測

實體建模完成后，可進入體偏差模塊進行逆向質量的可視化分析（如圖11），機匣數模上的色塊對應了與點云的不同偏差距離，右側的色帶同樣表示了相對應的偏差數值，色帶上有可調節(jié)的綠區(qū)范圍，本文設置的綠區(qū)范圍是±0.2 mm，圖示可見數模90%區(qū)域為綠色，在可接受偏差范圍內，逆向結果可接受。

圖11 機匣逆向建模成品及其偏差示意圖

5 導出

完成上述工作后，Geomagic Design X提供了與主流三維建模軟件對應的接口（如圖12），可以直接與相對應軟件進行數據傳輸，方便進行進一步操作，或者可以選中數模另存為.stp或.igs等通用格式，打包完成后，即完成了航空活塞發(fā)動機機匣的逆向建模工作。

圖12 外部傳輸接口

6 結語

本文提供了基于Geomagic Design X的航空活塞發(fā)動機機匣逆向建模思路，對建模過程中軟件的使用進行了講解，對機匣的逆向建模結果進行了偏差分析，結果符合預期，證明逆向方法可行有效，本文所介紹方法同樣適用于各類產品的逆向處理，給逆向建模提供了參考。