快速原型技術(shù)(Rapid Prototyping，簡(jiǎn)稱(chēng)RP),就是借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，用曲面反求的方法采集得到有關(guān)零件的幾何形狀，一次性建立數(shù)字化掃描模型，達(dá)到快速、準(zhǔn)確的制造信息零件的現(xiàn)代化方法。RP技術(shù)是當(dāng)今世界上發(fā)展最快的制造技術(shù)，是近20年來(lái)制造技術(shù)領(lǐng)域的一次比較大的突破，是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域的重要前沿課題之一。RP技術(shù)的特點(diǎn)是由CAD模型直接驅(qū)動(dòng)快速制造任意復(fù)雜的幾何形狀，基于這種方法，我們實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了槳油機(jī)進(jìn)排氣道模具設(shè)計(jì)和加工。

　　發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣道形狀是影響發(fā)動(dòng)機(jī)功率、扭矩、油耗、加速性能、排放、振動(dòng)及噪聲等性能指標(biāo)的重要因素之一。但其幾何形狀極不規(guī)則，難以用二維幾何圖形及數(shù)學(xué)解析式準(zhǔn)確表達(dá)。目前，國(guó)內(nèi)引進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)很難獲得進(jìn)排氣道的原始三維數(shù)據(jù)，通常是在二維圖上表達(dá)幾個(gè)截面，再提供一個(gè)或幾個(gè)樣品，難以直接根據(jù)產(chǎn)品功能和用途正向進(jìn)行氣道三維造型和模具設(shè)汁制造。傳統(tǒng)的方法常需制造樣板經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)與修改，導(dǎo)致了產(chǎn)品精度低、模具尺寸形狀重復(fù)性差、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，最終導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能不能達(dá)到要求。為此我們?cè)跉飧啄钚┡艢獾烂咴O(shè)計(jì)中引人快速原型技術(shù)，使進(jìn)排氣道模具設(shè)訓(xùn)和加工實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。

　　我們主要是通過(guò)實(shí)物反求(RE)獲得表面數(shù)據(jù)，然后在CATIA環(huán)境下實(shí)現(xiàn)逆向?qū)嶓w造型，將處理好的模型保存為通用文件格式，在Pro/E中進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，最后調(diào)人數(shù)控加工軟件MasteiCAM中進(jìn)行NC加工，由MasterCAM后置處理模塊生成NC代碼，下面以柴油機(jī)排氣道為例說(shuō)明其加工和設(shè)計(jì)過(guò)程。

　　1排氣道模型的表面數(shù)字化

　　采用無(wú)接觸激光儀掃描排氣道表面曲面，可對(duì)排氣道的不同位置區(qū)域進(jìn)行掃描，把測(cè)量結(jié)果直接變換到目標(biāo)坐標(biāo)系，基于測(cè)量系統(tǒng)提供參考點(diǎn)進(jìn)行拼接。測(cè)量系統(tǒng)本身自帶軟件可以對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理，如:進(jìn)行去噪和均化、冗余數(shù)據(jù)的壓縮和歸并、殘缺教據(jù)的平滑填補(bǔ)等處理，以剔除無(wú)用有害數(shù)據(jù).保留并優(yōu)化有效數(shù)據(jù)，減小測(cè)量誤差對(duì)三維建模精度影響，測(cè)得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)格式輸出。經(jīng)整理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖1所示。

　　2三維模型重構(gòu)

　　曲面重構(gòu)的關(guān)鍵就是根據(jù)大規(guī)模散亂測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，重新構(gòu)造具有復(fù)雜曲面外形產(chǎn)品的三維計(jì)算機(jī)模型。從工程觀點(diǎn)評(píng)價(jià)曲面重構(gòu)的重要指標(biāo)是模型的精確性、光順性、幾何不變性及對(duì)大規(guī)模散亂數(shù)據(jù)的重構(gòu)能力。排氣道的曲面重構(gòu)及實(shí)體化造型是在CATIA環(huán)境下完成的，其曲面重構(gòu)過(guò)程:(1)特征面識(shí)別。將點(diǎn)云劃分出若干個(gè)特征區(qū)域，用不同的顏色加以表示;(2)點(diǎn)云分塊。根據(jù)自動(dòng)識(shí)別的特征區(qū)域，將數(shù)據(jù)點(diǎn)云分成若干小塊，以便分別處理;(3)分塊重構(gòu)特征面。對(duì)點(diǎn)云分塊分別進(jìn)行重構(gòu)，得到許多獨(dú)立的三維曲面組合起來(lái)，通過(guò)倒角、縫合等操作使其光滑連接;這里要解決的主要問(wèn)題是曲線(xiàn)的創(chuàng)建和診斷修改.只有滿(mǎn)足曲線(xiàn)光順，曲面才能光順，曲面與點(diǎn)云的吻合精度也主要靠曲線(xiàn)中關(guān)鍵特征線(xiàn)的提取和創(chuàng)建精度來(lái)保證。(4)曲面誤差分析。對(duì)已完成的曲面，進(jìn)行曲面誤差分析，以在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)控制擬合曲面與點(diǎn)云之間的誤差(0.lmm),最后完成由曲面向?qū)嶓w造型的轉(zhuǎn)化。

　　3 排氣道的模具設(shè)計(jì)

　　3.1建立模具體積塊

　　將排氣道在CATIA中另存為通用文件，然后將導(dǎo)人在通用文件Pro/E中打開(kāi)，利用Pro/E數(shù)控模塊中CATING(鑄造模具設(shè)計(jì))子模塊進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，使工件坐標(biāo)系和模具坐標(biāo)系一致，生成參考模型，用手動(dòng)方式建立工件體積塊，"按尺寸收縮"方式去設(shè)置收縮率。設(shè)計(jì)加工鑄模澆注系統(tǒng)時(shí)，要使?jié)沧⑼ǖ滥軌蚩刂平饘僖撼涮铊T模型腔的速度及充滿(mǎn)鑄模型腔所需的時(shí)間，使金屬液平穩(wěn)地進(jìn)人鑄模型腔，阻止熔渣和其他夾雜物進(jìn)人鑄模型腔等。

　　3.2 排氣道的分型面設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)分模具分型面的用處主要是用來(lái)分割工件，從而生成用戶(hù)希望得到得體積塊，分型面選擇的合理與否，對(duì)造型工藝、鑄件質(zhì)量、工裝設(shè)備的設(shè)計(jì)與制作有著重要影響。分型面的選擇要在保證鑄件質(zhì)量的前提下，盡量簡(jiǎn)化鑄造工藝過(guò)程，以節(jié)省人力物力。在選擇分型面時(shí)要考慮以下原則:分型面的選擇應(yīng)保證模型能順利從鑄型中取出，這是確定分型面最基本的要求。因此，分型面應(yīng)選在鑄件的最大截面處。應(yīng)盡量使鑄件的全部或大部置于同一砂箱，以保證鑄件的尺寸精度。為便于造型、下芯、合箱及檢驗(yàn)鑄件壁厚，應(yīng)盡量使型腔及主要型芯位于下箱。Pro/E模具設(shè)計(jì)模塊提供了多種建立分型面的方法.根據(jù)上述分型面的設(shè)計(jì)工藝要求結(jié)合氣道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，產(chǎn)生的分型面如圖2所示。

　　3.3 拆模

　　利用上述已經(jīng)建立的分型面將工件割開(kāi)，形成模型腔體積塊，在圖形區(qū)中，型腔元件包含著鑄模，使用戶(hù)無(wú)法看到模具未閉合的狀態(tài)，可將各個(gè)模具元件以爆炸圖的形式顯示。即為開(kāi)模。選擇菜單管理中的“模具進(jìn)料孔”中的“分解”命令，然后選擇"打開(kāi)下一個(gè)"選項(xiàng)，可以觀看分解過(guò)程。有了這些模具的三維數(shù)字模型，我們就可以利用MasterCAM系統(tǒng)編制相應(yīng)的加工NC代碼，然后用先進(jìn)快速的數(shù)控機(jī)床直接加工成型，有效地提高了加工質(zhì)量，縮短了加工周期(圖3)。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　本項(xiàng)目嘗試?yán)昧硕喾N軟件協(xié)同工作:點(diǎn)云處理、曲面造型、模具設(shè)計(jì)、數(shù)控加工分別使用不同的軟件，利用各個(gè)軟件所具備的優(yōu)點(diǎn)，取得了較理想的效果。實(shí)踐證明，運(yùn)用RP技術(shù)和逆向工程相結(jié)合的設(shè)計(jì)制造方法，在沒(méi)有產(chǎn)品圖紙的情況下，可以進(jìn)行進(jìn)排氣道模具的數(shù)字化設(shè)計(jì)，并對(duì)之進(jìn)行分析和優(yōu)化，進(jìn)而在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行加工，大大提高了模具精度，縮短了開(kāi)發(fā)周期，從而快速響應(yīng)市場(chǎng)，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。