基于Geomagic Design X的航空活塞发动机机匣逆向建模

白宇翔

（中国民用航空飞行学院 飞机修理厂，四川 广汉 618307）

0 引言

航空活塞发动机机匣深度修理技术的研究需要基于精准的机匣数字模型，从而进行相关仿真、模具、工装工具设计等。本文将基于2016版Geomagic Design X软件，介绍某型航空活塞发动机机匣的逆向建模方法。

1 软件介绍

Geomagic是一家总部设在美国的软件及服务公司，主要提供工业领域的软件和服务，本文将使用该公司旗下两款软件进行逆向建模设计。Geomagic Studio主要用于对点云的采集、处理，以及格式转换；Geomagic Design X负责对处理好的点云进行三角面片化处理，通过领域划分、曲面拟合等方式，最终将创建的几何曲面进行缝合，形成与点云相一致的实体，同时可将逆向结果与点云数据进行对比，得出可视化的误差分析[1]。

2 逆向建模过程

2.1 点云采集及处理

在点云采集阶段使用Geomagic Studio（2013版），该软件具备较为全面的扫描仪采集端接口，可以兼容市面上常见的扫描仪品牌，本文使用海克斯康关节臂扫描仪对航空活塞发动机机匣进行扫描，因受摇臂范围限制，故在点云采集中涉及分区块扫描，在后期处理中需要使用对齐功能将不同区块拼接在一起形成整体，该功能要求拼接的各个部分间存在重叠部分（如图1），使用到“手动注册”功能，该功能通过按先后次序在两部分公共区域上锚定至少3个相同的特征部位，而实现点云的自动对齐。在获得完整的点云数据之后需要对点云进行进一步优化，主要是对扫描体之外的噪声点、孤点进行手动框选删除，同时可以使用软件自带“体外孤点”、“非连接项”功能自动选中体外杂点进行删除[2]。在处理过大的点云文件时，过于冗杂的数据会造成每一步处理软件都消耗大量时间进行计算，此时需要使用采样功能对点云进行精简，按一定点与点间的间距对点云进行重新采样，在重新采样精简过点云后，即可对该点云文件进行保存。在Geomagic Studio中，点云将默认以.wrp格式进行封装，而该格式在Geomagic Design X中无法识别，故通常将点云另存为.asc进行保存。

图1 点云的对齐

2.2 三角面片化处理

在Geomagic Design X菜单的插入功能中选中保存的.asc点云文件，即可导入之前处理好的点云文件。运行面片创建精灵，依照提示选择生成的三角面片的各质量参数，点选下一步，软件会基于点云自动生成相应质量的三角面片（如图2）。初次生成的三角面片会存在很多缺陷，可以通过多次运行多边形菜单下的修补精灵进行自动修补，除此之外还可以灵活使用孔填补、平滑、整体再造等功能使三角面片更加完整，过渡更加自然平滑，如果逆向对象的结构相对简单，三角面片构造质量越高，此后的逆向效率将大大提升。

图2 面片的创建

2.3 坐标对齐

三角面片生成后，通常因为扫描时坐标设置问题，此时扫描文件的摆放位置与系统坐标系默认的“前上右”面不能对应，为了后续操作统一，通常会进行坐标对齐操作，即将机匣扫描数据的相对坐标系与当前系统绝对坐标系统一，需要使用对齐菜单，通常采用在扫描数据上建立相应的特征，再依次与系统坐标系特征对应即可实现坐标对齐（如图3），以机匣贴合面为基准取面片上不同的3点构建了基准面，再以收油池面、附件机匣面为参考，最终建立3个互相垂直的参考面，然后进入对齐菜单选择手动对齐，在移动菜单中选中上述基准面即可形成以机匣为参考的相对坐标系，对象菜单选择系统坐标系以及对齐到原点，确定后机匣即可与系统默认的“前上右”3个方位一一对应，在后续操作中即可以默认的方向为基准进行草绘拉伸等逆向操作。

图3 手动对齐处理

2.4 逆向实体创建

Geomagic Design X中，实体生成的主要方式可分为两种[3]，一是通过草图旋转放样拉伸直接生成实体，二是通过构造曲面，最后将多个曲面剪切缝合形成一个密封体，从而生成实体。对于结构外形简单的实体通常采用第一种方式即可完成逆向，对于结构复杂的物体，如本文涉及的机匣，异形曲面多、结构复杂，需要使用到两种方式结合完成逆向，下面将分别介绍逆向中主要使用到的功能模块：

1）参考平面、线、点的构造。

参考几何图形栏囊括了平面、线、点的构造功能，建模过程中例如草绘拉伸、旋转等操作，皆需要创建参考基准来进行操作。创建方法包含了直接从三角面片选择区域进行拟合，直接选定多点进行生成等，如上一小节提到的基准面的创建，即是通过定义方法，选择三角面片上的3个点所形成的参考面。

2）2D草图。

软件可基于参考平面绘制平面草图，在逆向中更多使用到面片草图功能，该功能可以将所需位置的三角面片截面投影于自己设置的基准平面上，形成参考线（如图4），即为机匣贴合面轮廓的投影过程，在此后的操作中，仅需根据参考线进行草图绘制，即可创建出机匣贴合面的轮廓草图，此后可对该草图进行拉伸，形成实体，给布尔运算做准备，或者使用面填补功能直接将闭合的贴合面草图填补成曲面片，后期用于缝合。

图4 面片草图功能

3）3D草图。

3D草图功能分为基础3D草图及3D面片草图，后者在逆向中更常使用到（如图5），该功能可以直接使画笔吸附在三角面片上画出贴合于面片的空间样条曲线，从而放样出各类异形曲面。同时3D草图的菜单中具备轮廓线提取功能，对于三角面片处理完善的简单结构，可自动根据曲率提取轮廓线，构造面片网格并生成曲面，该功能可快速逆向出实体模型，但在模型过大、点云采集质量不高、三角面片化缺陷过多时无法使用，本文不再赘述。

图5 3D草图栏

4）实体与曲面创建菜单。

该菜单内各项功能与主流正向建模软件一致，可以通过上述各类草图进行拉伸、回转、放样与扫略（如图6），其中的基础实体与基础曲面功能需结合下文领域功能配合使用。

图6 实体与曲面创建栏

5）领域功能。

领域为逆向建模中最主要的功能（如图7），对于结构简单的逆向工程，在对三角面片处理得当的前提下，可以通过自动分割功能根据三角面片曲率直接自动划分领域，再根据领域创建相应曲面进行缝合，快速实现逆向建模。但在三角面片缺陷过多且无法修复时则需要使用手动划分领域，如本文所涉及情况。通过设置适当的画笔大小，在准备逆向的部位进行涂抹，点击插入即可构造出一块领域，通过面片拟合功能可以直接根据领取的形状生成与面片吻合的曲面，通过划分不同领域生成多个曲面，然后互相裁剪、拼接，即可完成各类逆向曲面的创建（如图8），划分了收油池内的3个领域，通过曲面拟合、裁切、三角面片自动倒角，即形成了所需部位的曲面。

图7 领域划分菜单

图8 领域拟合曲面演示

6）编辑栏。

编辑栏里囊括了对实体和曲面的基础操作（如图9），包括对实体模型的布尔运算、倒角，对曲面的剪切缝合等，该编辑栏内功能在上文所述曲面创建的各种步骤中均有提及，在曲面创建过程中，曲面的延长与剪切是贯穿始终的功能，其中的面填补功能可以在选择封闭边线后根据三角面片自动生成与周边曲面G1连续的曲面，方便快捷。各种功能间互相配合，最终通过缝合功能将所有曲面联结封闭，即可生成实体，实现逆向建模。

图9 编辑栏

本节对航空活塞发动机机匣逆向建模在Geomagic Design X中使用到的基本功能进行了详细的阐述，利用上述功能，从机匣面片局部入手，不断建立参考面，构造草图，划分领域，创建放样曲线，生成对应的曲面，剪切缝合，最后即可封闭为机匣实体。

3 逆向建模整体思路

在机匣的逆向建模中，要明确逆向工程并不能做到百分之一百的还原，偏差是必定存在的，上文介绍的各种逆向方法各有优劣，针对同一块三角面片使用不同方法所创建的曲面质量必然存在差异，此时我们需要对机匣整体有一个把控，明确哪些部分需要更高精度的逆向结果，从而针对性地采用相对应的逆向方式。

同时逆向工程也需要代入正向建模的思路，各部位间的位置度也应该按照设计意图进行逆向，上述坐标对齐就是基于该目的，在逆向建模中各参考面的建立都基于对齐之后的坐标系，平行与垂直关系才能得到保证。如曲轴安装孔，在逆向中可以选择在孔内三角面片上添加领域，直接拟合出半圆柱曲面，但此时圆柱的中心轴与附件机匣安装平面必定不是90°垂直状态，与设计意图偏离，曲轴安装孔的正确创建方式应该是以创建好的附件机匣安装面为基准建立参考面，使用面片草图功能将曲轴安装孔轮廓投影至该参考面，依据该投影用草绘做出曲轴安装孔轮廓半圆的草图，最后进行拉伸、形成曲面，这样形成的曲轴安装孔曲面既达到了形状精度要求，同时也满足了位置精度要求。

对于相对规则的结构部分更推荐采用直接拉伸旋转扫略生成实体，后期通过布尔运算与主体结构相连接的方式（如图10圈中部分），在逆向建模初期会选择忽略掉几个规则圆柱，首先搭建底部平面作为机匣的基底，在完成整个机匣大致外形的逆向后，再放样出图示的几个锥柱与主体布尔运算连接。在逆向中需要掌握化繁为简的意识，要能将复杂结构拆分为简单的小结构进行逆向，在此基础上灵活运用上述各类功能才能事半功倍。

图10 建模思路示例

4 逆向质量检测

实体建模完成后，可进入体偏差模块进行逆向质量的可视化分析（如图11），机匣数模上的色块对应了与点云的不同偏差距离，右侧的色带同样表示了相对应的偏差数值，色带上有可调节的绿区范围，本文设置的绿区范围是±0.2 mm，图示可见数模90%区域为绿色，在可接受偏差范围内，逆向结果可接受。

图11 机匣逆向建模成品及其偏差示意图

5 导出

完成上述工作后，Geomagic Design X提供了与主流三维建模软件对应的接口（如图12），可以直接与相对应软件进行数据传输，方便进行进一步操作，或者可以选中数模另存为.stp或.igs等通用格式，打包完成后，即完成了航空活塞发动机机匣的逆向建模工作。

图12 外部传输接口

6 结语

本文提供了基于Geomagic Design X的航空活塞发动机机匣逆向建模思路，对建模过程中软件的使用进行了讲解，对机匣的逆向建模结果进行了偏差分析，结果符合预期，证明逆向方法可行有效，本文所介绍方法同样适用于各类产品的逆向处理，给逆向建模提供了参考。