G2006025马英军

分类号： TP391 学校代号：10150 UDC： 密级： 学 号：G2006025 工程硕士学位 船用低速柴油机排气阀阀杆与转翼的几何反求研究 Reverse Engineering Based Geometry Model For Exhaust Valve Bar And Vane wheel In Marine Diesel Engine 学生姓名： 马英军 校内导师及职称： 孙丽 副教授 企业导师及职称： 邱国臣 高工 工 程 领 域： 机械工程 研究方向： 反求工程 申请学位： 工程硕士 论文答辩日期： 2010年 06月 04日 学位授予单位： 大连交通大学 摘 要 随着现代市场竞争的日益激烈，如何缩短产品的研发时间、降低研究经费已成为现代企业研究的一个热点。在工业领域中，反求工程受到越来越多的重视，并且得到了广泛应用。反求工程是目前CAD/CAM领域内的研究热点之一，曲面重建是反求工程的关键技术。基于反求工程的曲面造型是近几年来发展起来的，是以吸收、消化和提高先进技术的一系列分析和应用技术的结合。为了缩短排气阀阀杆和转翼技术与世界先进技术的差距，我们利用三维坐标机采集数据，并应用软件对排气阀阀杆与转翼进行逆向建模，及对曲面的反求关键技术进行深入的研究和探讨。 通过分析各个零件的结构特征，选择坐标测量机轮廓扫描法和定位测量法相结合的数据采集规划；在数据处理环节上，运用直观检查法及Imageware软件去除噪声点的功能；采用弧偏差法对点云数据进行精简，按最近点排序方法生成截面线点云之间的拓扑关系。 本文重点研究了基于特征与约束的Pro/E模型重建方法，介绍了Pro/E软件的主要逆向模块Pro/SCANTOOLS,并以Pro/ENGINEER WILDFIRE3.0为平台，提出了利用Pro/SCANTOOLS进行曲面重构的方法。以数据点云为依据，结合正向设计进行逆向推理的方法还原特征与约束；通过特征的实体模型重建方法，利用布尔运算实现模型重建。 为了能对所建立的模型进行精度评价，研究了各种误差产生的原因及对反求模型的影响；提出了评价反求模型精度的指标和基于曲率的曲面品质分析方法，通过有效的误差控制使阀杆与转翼重建模型精度达到要求。 关键词：排气阀阀杆；转翼；数据处理；模型重建；反求工程 Abstract With increasing competition in the market, how to reduce the development time and cost of products has become a research hotspot in the modern enterprise. In the industrial field, Reverse Engineering is paid attention more and more, and has been used widely. Reverse Engineering is one of the most research hotspots in CAD/CAM fields, and one of the key technologies of which is surface reconstruction. Based on Reverse Engineering，Surface modeling is to absorb, digest and improve the range of analysis methods and application of technology results. In order to shorten the gap of the exhaust valve bar and vane wheel technology with the world's advanced technology, we collect data with coordinate measuring machine, and model the exhaust valve bar and vane wheel with application software, and conduct the in-depth study and exploration on the surface key technologies of Reverse Design. By analyzing the structural characteristics of the components, we choose the data collection planning program that is the method combination of contour scanning and location with coordinate measuring machine. Meanwhile, about data processing, we adopted visual inspection and the function of Imageware to remove noise points. In addition, to shorten the point cloud data use arc-deviation method, the nearest point sorted by section line generated topological relations between point clouds. The paper mainly studies the model reconstruction method on basis of the feature and restraint in Pro/E. Pro/ENGINEER Wildfire3.0 is taken as software platform. The major reverse model is constructed by Pro/SCATOOLS of Pro/E. Based on Data point clouds, restore the characteristics and constraints of the components adopted backward reasoning with forward design methods. And through the characteristics of solid model reconstruction, model reconstruction is achieved by Boolean operations. In order to established the accuracy evaluation of models, the paper research a variety of error causes and effects of anti-seeking models, and proposed model to evaluate the accuracy of reverse curvature of the surface targets and based on the quality of analytical methods, through effective error control to bar and of the reconstruction model accuracy meet the requirements. Key Words: Exhaust Valve Bar; Vane Wheel; Data Processing; Model Construction; Reverse Engineering 目 录 I摘 要 IIAbstract 1第一章 绪论 11.1 国内外排气阀技术研究和发展现状 31.2反求工程的研究背景 31.2.1反求工程的含义 51.2.2反求工程与技术引进 71.2.3反求工程的研究现状及发展趋势 91.3 课题的意义 9本章小结 10第二章 零件数据获取数字化技术研究 102.1 样件分析 112.2 数据获取方法概述 122.2.1接触式数据采集法 132.2.2非接触式数据采集方法 152.2.3 样件测量方法的选择 152.3反求工程的技术平台 152.3.1三坐标测量机简介 162.3.2本课题需要软件简介 172.3.3测量路径的规划 182.4样件数据采集 192.4.1数据采集规划的基本原则 202.4.2规则曲面和自由曲面数据采集 222.4.3排气阀杆及转翼样件的数据采集 22本章小结 23第三章 点云数据预处理 233.1删除散乱点云噪声数据 253.2多视数据的对齐 263.2.1多视数据的对齐方法 273.2.2基于三个基准点的数据对齐 293.3数据精简与排序 293.3.1点云数据精简 303.3.2数据排序 313.4不同坐标点云的归一化 313.5半径补偿 333.6点云数据分块 333.6.1 基于边的方法 343.6.2 基于面的方法 34本章小结 35第四章 基于Pro/E的特征模型重建 354.1 Pro/ENGINEER软件简介 364.2 点云数据的转换及导入 374.3 基于特征和约束的实体模型重建 374.3.1基于特征和约束的建模优点 374.3.2 特征的定义、分类与表达 414.3.3反求工程中约束的定义、分类与表达 424.4基于特征及约束的实体模型重建 444.4.1基于约束的轮廓重建 464.4.2基于特征的实体模型重建 49本章小结 50第五章 重建模型精度评价 505.1反求工程的误差分析 505.1.1误差类型分析 525.1.2零件曲面的误差分析 535.2 重构模型精度评价 535.2.1 精度评价指标 535.2.2 曲面品质分析方法 55本章小结 56结 论 58参考文献 60攻读硕士学位期间发表的学术论文 61致 谢 第一章 绪论 排气阀是船用低速柴油机配合机构中的重要部件，通过定时地打开或关闭排气阀，以保证汽缸里的废气的排除和新鲜空气的充入。在高增压柴油机上，排气阀的工作条件十分恶劣，气阀底面与高温燃烧产物直接接触，在气阀开启期间还承受着高温（900～1000°C）和具有腐蚀性气体的高速冲刷，在阀盘与阀杆过渡圆弧中段，温度也有600～700°C，除受到高温废气的冲刷与腐蚀外，气阀和阀座还受高压燃气突变的机械负荷作用，气阀在关闭时与阀座产生撞击和磨损，此外，气阀阀杆与导套相对运动产生磨损[1]。为此，气阀材料应该具有足够的高温强度和热硬性；具有较高的耐磨性与抗冲击性；具有良好的高温抗氧化性与导热性好，热膨胀系数小等特点[2]。气阀漏气和气阀间隙异常是最常见的两种故障，其后果是破坏燃烧室的密封性，改变气阀定时开关，影响气缸换气质量，导致燃烧恶化，排气温度上升和功率下降[3]。如果是在航运过程中发生了排气阀的损坏，那么所在阀的缸就会被迫停止，直到等待主机制造商、船厂、船东以及专利公司各部门相互协调，研究对策，或者进行维修，或者重新订购排气阀。这其中涉及到的各项对外费用是极其庞大的，而且还不包括船机保养和船舶泊位的支出费用。 1.1 国内外排气阀技术研究和发展现状 排气阀壳体采用铸铁材料，筋板支撑双层冷却结构。排气阀壳体的中心孔装有阀杆导套。扫气侧有流线型的排气孔，使排气更加顺畅。排气阀壳体用法兰和螺塞封闭，组成冷却水腔。排气阀采用液压开启，空气弹簧关闭的开启系统。排气阀杆与阀座的阀口焊有耐高温合金耐磨层[4]。阀杆上烘装有六片导流转翼，工作燃烧后排出的废气吹动转翼，使阀杆产生旋转，这样更有利于阀杆、阀座相互间阀口的磨合。如果阀杆始终停留在一个位置上，则开启关闭时阀杆与阀座受热不均匀，势必会造成高温燃烧后的气体烧蚀阀口，使阀杆与阀座不能形成良好的吻合和锥面的环线接触，使阀口断线而漏气。工作的时间越长对阀杆、阀座的损伤越大，损伤烧蚀严重时必须更换阀杆和阀座[5]。对排气阀一般要求是：采用较好的材料；保证气阀良好的散热和均匀的冷却；结构上应满足强度、刚度要求，同时重量尽可能地轻，气流流阻小。 在柴油机的工作过程中，每完成一个工作循环都必须经历从排气过程，扫气过程到进气终止的整个气体更换过程，被称为换气过程[6]。换气过程进行得好坏是以废气排除干净与否和新鲜空气的消耗量为标志。同一机型、同一流量分组的排气阀及其主要零部件，均应具有互换性，根据各柴油机机型不同，比如MAN B&W柴油机就有5缸、6缸、7缸机型，甚至还有12缸的，其排气阀个数当然也是相当的。作为柴油机上的重要运动件之一，排气阀质量的好坏直接影响到柴油机的性能和使用寿命。因为船用柴油机的价格相对昂贵，而且阀杆是作为柴油机零件制造中的一级控制地位，所以各缸相应的排气阀质量要求也是非常高，往往都是需要专利公司授权并经过专利公司认证的产品才可以进行船用柴油机的制造与装配。 低速柴油机上的排气阀具有其特殊性，虽然阀杆本身形状并不很复杂，但其材料在热处理过程中涉及到的温控、元素添加量、元素添加时间以及后续调质阶段的掌握，现在仍然属于国外核心技术。以丹麦MAN B&W柴油机公司研制出了以耐用硬面堆焊合金为基础的新型柴油机排气阀为例，该排气阀采用了新颖的硬面焊接、旋转加热技术，来防止吹蚀引起的临界缺口和燃烧过程引起的阀座裂纹。排气阀部分零件是国产的，部分是进口的，其中以阀杆材料最为特殊，目前主要是从日本、韩国、丹麦等国进口。自从上个世纪60、70年代以来，世界上大多数企业都采用排气阀阀面堆焊合金，来提高排气阀的使用寿命。但无论是哪一种堆焊工艺，都难免存在各种不同程度的缺陷，如：气孔、疏松、夹渣、金相组织呈枝晶状分布、晶粒粗大、硬度不高等等。为解决这一难题，上海远通船舶设备配件有限公司从2003年开始，对排气阀合金面进行全面研究，采取了多种堆焊工艺，对各种牌号焊材，经过上百次的反复比较试验，创造一种“柴油机排气阀真空熔焊与硬化处理新工艺”历时三年，终于有了重大突破。 根据沪东重机提供的MAN B&W公司针对低速柴油机排气阀最新技术文件，各项指标已达到MAN B&W公司认可。低速机气阀采用此工艺生产的低速机排气阀，使用寿命超过NiMoNiC80材料气阀，正常使用寿命超过5万小时。目前已交沪东重机小批量投入生产使用。 上海远通公司创造的真空熔焊与硬化处理新工艺，在不改变任何材料的前提下，排气阀阀面合金层的硬度达到60.6 HRC，金相组织达12级以上。其性能优异，呈现六大优点：1）气阀母材不变，可根据需要采用各种马氏体与奥氏体耐热不锈钢。2）堆焊合金材料不限，可采用镍基、钴基、铁基等。3）消除原堆焊工艺长期存在的气孔疏松、夹渣等。4）改变了合金层金相组织，由长条树枝晶组织的共晶碳化物，改变为网状均匀分布的共晶碳化物；晶粒度达12级，可大幅度提高焊层合金硬度。5）硬度可根据使用需要，可从HRC50--60之间随意调整，可控制在 HRC以内。6）新工艺制造的气阀成本与NiMoNiC80A材料气阀相比，在其1/3以下。上海机械工业材料质量中心检测结果表明，该项新工艺采用真空熔焊与高温硬化相结合，效果非常明显，在不改变任何材料的前提下，合金层的缺陷消除。 1.2反求工程的研究背景  反求工程(Reverse Engineering)作为一项新的先进制造技术被提出是在上世纪八十年代末至九十年代初。当时首先由美国汽车龙头—福特汽车公司倡导的汽车“2毫米工程”对传统的制造业提出了前所未有的挑战。它要求将质量控制从最终产品的检验和检测，提前到产品的开发设计阶段。这样一来可以大大减小开发风险，降低开发成本，加快产品成功开发的周期。于是在九十年代初，世界范围内掀起了所谓“先进制造技术及设备”的研究、开发热潮。 实际上，任何产品问世，包括创新、改进和仿制的，都蕴含着对已有科学、技术的继承和应用借鉴。因而反求思维在工程中的应用已源远流长，而提出这种术语并作为一门学问去研究，则是60年代初出现的。市场经济竞争机制已渗透到各个领域，如何发展科技和经济，世界各国都在研究对策。从共性特征可概括为4个方面对策： 1）大力提倡创造性。包括新的思维方式、新原理、新理论、新方案、新结构、新技术、新材料、新工艺、新仪器等等。对于发展一个国家的国民经济来说，创造性是永恒主题。 2）研究和应用新的设计理论、方法去改造和完善传统的方法，使能既快又好地设计出新型产品。 3）把计算机应用广泛地引入产品设计、开发的全过程(预测、决策、管理、设计制造、试验、销售服务等)中，以期达到这些过程的一体化、智能化和自动化。 4）研究和应用反求工程，使能在高的起点去创造新产品。数字化方法与技术实物零件的数字化是通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的坐标数据。只有获得了样件的表面三维信息，才能实现复杂曲面的建模、评价、改进、制造。    1.2.1反求工程的含义 在瞬息万变的产品市场中，能否快速地生产出合乎市场要求的产品就成为企业成败的关键。由于各种原因我们都会遇到只有一个实物样品或手工模型，没有图纸或CAD数据档案，没法得到准确的尺寸，这就为我们在后续的工作中采用先进的设计手段和先进的制造技术带来了很大的障碍，制造模具也就更为烦杂。但是反求工程技术很好的解决了这一问题。反求工程起源于精密测量和质量检验，它是设计上游向设计下游反馈信息的回路[7]。传统的产品实现通常是从概念设计到图样，再制造出产品，我们称之为正向工程（或顺向工程），而产品的逆向工程是根据零件（或原型）生成图样，再制造出产品。它是一种以先进产品设备的实物、样件、软件（包括图样、程序、技术文件等）或影像（图像、照片等）作为研究对象，应用现代设计方法学生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统分析和研究、探索掌握其关键技术，进而开发出同类的更为先进的产品技术，是针对消化吸收先进技术采取的一系列分析方法和应用技术的结合。产品的反求工程是从一个存在的零件或原型入手，首先对其进行数字化处理，获得实物数字化模型，然后构造CAD模型，再对其进行分析、修改、检验和制造。在制造领域，反求工程的过程是:首先测量一个已存在的零件或原型，得到它的测量数据，然后重构其CAD模型。这个CAD 模型描述了原始物体的几何特征和其他的一些特性，并且可以用于许多其他的用途，例如分析、修改、制造和测试等。传统的正向设计与反求工程主要差别在于，前者是从高级抽象概念到设计的明晰的物理执行过程；而后者是通过调整和修改特征参数形成物体模型的推理过程。图1.1是正向设计与反求工程设计流程的对比框图。 (a) 传统设计过程 b）反求设计过程 图1.1 传统设计过程和反求设计过程对比 The comparison between traditional designing and reverse designing 反求工程产品设计就是根据已经存在的产品模型，反向推出产品设计数据（包括设计图纸或数字模型）的过程，从这个意义上说，反求工程在工业设计中的应用已经很久了。早期的船舶工业中常用的船体放样设计就是反求工程的很好实例。产品反求工程的一般，如图1.2所示。随着计算机技术在制造领域的广泛应用，特别是数字化测量技术的迅猛发展，基于测量数据的产品造型技术成为反求工程技术关注的主要对象。因此，反求工程技术可以认为是将产品样件转化为三维模型的相关数字化技术和几何建模技术的总称。为了适应先进制造技术的发展，需要经过一定途径将实物样件专化为CAD模型，以期利用计算机辅助制造（Computer Aided Manufacture， CAM）快速原型制造和快速模具（Rapid Prototyping Manufacture/Rapid Tooling, RPM/RT）产品数据管理（Product Data Management, PDM）及计算机集成制造系统（Computer Integrate Manufacture System, CIMS）等先进技术对其进行处理或管理。目前，这种从实物样件获取产品数学模型并制造得到新产品的相关技术，已成为CAD/CAM系统中的一个研究及应用热点，并发展成为一个相对独立的领域。在这一意义下，反求工程可定义为：针对已有物体的参照设计，通过对实物的测量，构造物体的几何模型，进而用于产品的改进设计和制造。是将实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称[8]。反求工程系统作为消化吸收先进技术和缩短产品设计开发周期的重要支撑技术，专门为制造业提供了一个全新、高效的三维制造路线，并给出一个一体化的解决方案：从样品→数据→产品。从样品（实物，图片等）直接反求出CAD数据，然后用快速成型或CNC数控直接加工出产品（模具）。因此反求工程就是对已有“物化”产品的再设计，现已成为制造业关注的热点[9]。 图1.2反求工程的工作流程 Fig.1.2 Work flow of reverse engineering 1.2.2反求工程与技术引进 市场全球化使国家、企业面临的竞争日趋激烈，市场经济竞争机制已渗透到各个领域，随着科学技术的高度发展，科技成果的应用已成为推动生产力发展和社会进步的重要手段。如何更快、更好地发展科技和经济，世界各国都在研究对策，充分利用别国的科技成就加以消化吸收与创新，进而发展自己的技术已成为普遍的手段。反求工程技术为产品的改进设计提供了方便的工具，在已有产品基础上设计新产品，缩短开发周期，可以使企业适应小批量的生产要求，从而使企业在激烈的市场竞争中处于有利的地位。据有关统计资料表明，各国百分之七十以上的技术都是来自外国，其中利用反求技术获得的占40%，极大地提高了劳动生产率[10]。如果说正向设计的关键要解答“怎么做?”，即设计任务提出后，怎样实现和达到预定目标，那么反求的关键要解答“为什么要这样做?”，即已知目标后，要探索和掌握这种目标的设计者是如何一步一步实现的，反求别人脑袋里是怎样想、怎样做的，要摸清设计意图、所用技术、关键和设计理论与方法。从这个意义上说，正向设计是主动的创造，而反求是先被动后主动的创造，别有一番难度。故反求并非正设计的简单逆过程，因为一个先进成熟的产品，凝集着设计者的智慧和技术，要去吃透、消化，包含很多复杂内容。往往吃透别人的技术比自己创造还难，这是因为：(1)先进产品中总有“绝招”、“诀窍”和关键技术，我们并不掌握；(2)别人的思维不会告诉你，要想“钻进别人脑袋里去挖出来”，要花艰苦劳动。多年来我国测绘仿制的产品，大多数达不到原产品的水平，涉及原因、内容和技术是多方面的，正说明发展反求工程的研究和应用是多么重要。 反求设计是对已有的产品或技术进行分析研究，掌握其功能原理，零部件的设计参数、材料、结构、尺寸、关键技术等指标，再根据现代设计理论与方法，对原产品进行仿造设计，改进设计或创新设计。反求设计是一个国家发展科学技术及提高工艺水平的一个重要手段。日本在引进、消化、吸收方面做的尤为突出，其反求工程的应用对国家经济发展起到了重大的作用。反求设计一般分为三种情况: (1) 仿造设计 完全按照引进产品进行设计、制造的产品，这些产品与引进产品基本相同。 (2) 改进设计 在对原产品分析研究的基础上，进行局部的改造性设计，其性能与特征基本和原产品相同，但局部性能有所改善。 (3) 创新设计 以原产品为基础，充分运用创新的设计思维与创新技法，设计、制造出优于原产品的新产品，这是最好的一种反求设计。如日本的SONY公司从美国引进晶体管专利技术后，进行反求创新设计，研制出了我们现在使用的晶体管收音机，日本的汽车、摩托车也是如此。这样为日本成为世界经济强国奠定了基础。 从概念设计出发到最终形成CAD模型的传统设计是一个确定的明晰过程，而通过对现有零件原形数字化后再形成CAD模型的反求工程是一个推理，逼近的过程。反求工程一般可分为四个阶段[11]： (1)零件原形的数字化 根据测量对象的特点确定扫描方法以及扫描设备，通常采用CMM或激光扫描等测量装置来获取零件原形表面点的三维坐标值。 (2)从测量数据中提取零件原形的几何特征 按测量数据的几何属性对其进行分割，分割方法一般可分为两类，一类是基于边界分割法，一类是基于区域分割法。区域分割法将相似几何特征的点划为同一区域，具有明确的几何意义，是较为常用的分割方法。采用几何特征匹配与识别的方法来获取零件原形所具有的设计与加工特征。 (3)零件原形CAD模型的重建 将分割后的三维数据在CAD 系统中分别做表面模型的拟合，并通过各表面片的求交与拼接获取零件原形表面的CAD模型。 (4)重建CAD模型的检验与修正 由于测量得到的数据点往往存在一些数字误差，所以需要对曲面或曲线进行光顺处理，提高曲面质量。采用根据获得的CAD 模型重新测量和加工出样品的方法，来检验重建的CAD模型是否满足精度或其它试验性能指标的要求，对不满足要求者重复以上过程，直至达到零件的设计要求。  1.2.3反求工程的研究现状及发展趋势 在21世纪知识经济时代，企业产品的快速开发创新能力是决定其能否长期占领市场，在激烈的市场竞争中生存、发展的重要因素。由于反求工程设计方法通过抽取已有产品或设计方案的主要特征作为新产品设计的基础，可使得产品设计、加工、制造的总周期尽可能地缩短。当前利用反求工程在已有产品技术的基础上进行再设计，从而提高新产品的性能已经成为一条快捷设计理念。因此反求工程技术的应用对于加快我国科技进步，推动经济建设有着重要的意义。作为近几年发展起来的一种消化吸收原有产品技术、提高产品品质、实现产品创新的设计方法，在推行反求工程时，一定要明确反求工程决不是简单的复制，其着眼点更强调创新。 反求工程技术是20世纪80年代初分别由美国3M公司、日本名古屋工业研究所以及美国UVP公司提出并研制开发成功的[12]。从20世纪90年代初开始为各国工业界和学术界所重视。自深圳市鑫磊实业有限公司于90年代末首先在国内业界推出拥有部分自主知识产权的反求工程专用三维激光线扫描机，便开启了我国在反求工程技术领域的里程碑。在国内，上海交通大学、西安交通大学、华中理工大学、广东省机械研究所、天津大学等科研机构都对反求工程技术进行了研究。华中科技大学、天津大学、清华大学等众多高校近年来也加强了对反求工程测量设备的研发,现已实现产品化，并广泛应用于机械、汽车、家用电器、医疗、轻工等行业中。国内一些大企业如新飞、海尔、科龙等先后引进了快速成型设备。随着这一技术的不断发展和完善，其应用范围将会不断拓广。 目前，国外不同种类的RE测量设备已进入我国市场，如英国3D-Scanner公司的激光扫描测量仪、美国“Laser Design" Surveyor1200立体激光扫描系统、德国GOM公司的ATOS测量仪等。这些测量设备功能较完善，但价格相当昂贵。日本、美国等工业强国在反求工程方面的研究依然走在世界的前列，他们对反求工程技术的研究有许多值得我们借鉴的地方。国内外的一些专家学者对于反求工程及形位误差检测的理论与实际应用进行了深入细致地探讨，研究了测量过程中测点的自适应分布、测量路径的优化；提出了基于点的ICP算法，解决了反求工程中任意多视点云的拼合问题；提出了基于最小二乘法、牛顿迭代法和遗传算法等来解决检测问题中的采样测量点与设计模型的匹配问题[13]；运用微分几何的活动坐标以及邻近结构理论，导出测量点到理想轮廓的统一形式的距离函数，建立了复杂轮廓度误差最小条件评定的模型[14]；根据曲面实物模型的点云，重建其几何和拓扑信息，并再现特征，实现基于特征的曲面模型重建[15]；提出了基于面域理解的多面体三维重建，该算法适用于平面多面体，通过面域作为中介，容易实现与模型引导方法的融合，从而扩展到二次曲面体的重建[16]；提出了基于神经网络进行曲面重构[17]；针对有序离散点，提出了二次反算的曲面重构方法[18]；结合测量数据结构的异同，介绍了各种计算机建模技术，并且指出它们在工程中各自的适用范围[19]。面对国外先进的逆向反求产品（包括设备和软件系统），我国产品在功能和自动化程度上还有相当大的提升空间，在国家“创新，自主知识产权”等政策的支持下，考虑到我国制造业市场的强大需求，鉴于价格和性能的权衡，反求工程在国内是有较大的发展潜力和研究空间的。 实事求是地说，我们在相当长的时期里还不具备创新能力，在这个阶段更多的是学习和模仿，积累自己的经验，为今后的创新打下坚实的基础。因此，通过反求工程，在消化、吸收先进技术的基础上，建立和掌握自己的产品开发设计技术，进行产品的创新设计，即在COPY的基础上进行改进而创新，这是提升我国制造业的必由之路。反求工程通过重构产品零件的CAD模型，可对原型进行修改和再设计，这为产品的再设计以及创新设计提供了数字原型。因此，反求工程技术与 CAD/CAM 系统的结合对这些企业的应用有重要意义。一方面各个制造企业非常欢迎在企业推广反求工程技术，但另一方面又苦于缺乏必要的指导和合适的软件产品。这种情况严重制约了反求工程技术在制造行业的推广。与 CAD/CAM 系统在我国几十年的应用时间相比，反求工程技术为工程技术人员所了解只有十几年甚至几年的时间。时间虽短，但反求工程技术广泛的应用前景已经为大多数工程技术人员所关注，这对提高我国制造行业的整体技术含量，进而提高产品的市场竞争力具有重要的推动作用。  反求工程技术已经广泛应用到新产品的开发、旧零件的还原以及产品的检测中，它不仅消化和吸收实物原型，并且能修改再设计以制造出新的产品。但同时设计过程中系统集成化程度比较低，人工干预的比重大。将来有望形成集成化反求工程系统，以软件的智能化来代替人工干预的不足。应该看到，反求工程有其独特的共性技术和内容，还是一门新兴的交叉学科分支，正如高新技术层出不穷，解密技术亦要相应发展。在工程专业领域，需有设计、制造、试验、使用、维修、检测等方面知识；在现代设计法领域，应有系统设计、优化、有限元、价值工程、可靠性、工业设计、创新技法等知识；在计算机方面，需有硬件和软件的基本知识；等等。总之，现行产品中的各种复杂、高新技术，在反求工程中都会遇到如何消化吸收问题。随着计算机技术在制造领域的广泛应用，特别是数字化测量技术的迅猛发展，基于测量数据的产品造型技术成为反求工程技术关注的主要对像。 一个设计师创造性思维的活跃程度决定着产品的最终设计的好坏与成败。一般来说，当然希望设计师的思维越活跃、思维方式越独特越好，只有出众的设计思维才能获得优秀的设计方案。但对于产品设计来说，以往很多的优秀方案并不一定切实可行。其原因是多方面的，其中一个比较重要的可能就是因为产品设计方案的曲面过于丰富、造型过于复杂而无法用计算机建立三维CAD模型，并迫使设计师放弃最优方案。然而，随着反求工程技术的诞生，只要是好的设计方案，即使曲面再复杂，造型再丰富，都可以通过先做实物轮廓，然后用三维扫描仪扫描的方式来自动生成三维CAD模型。也就是说，反求工程技术在产品设计中应用可以完全消除设计师的后顾之忧，大大解放了产品设计师的自由度，拓展了设计师的思维。[20] 1.3 课题的意义 由于我国船舶柴油机与国外先进水平存在很大差距，要大力发展我国造船工业，实现世界第一造船大国的目标，我国船舶柴油机必须坚持走“引进—消化—吸收—创新”的国产化技术创新之路，加快船舶配套动力的发展。目前，我国船舶柴油机工业已经具备跨越式发展的基础，但我国船舶设备制造水平与国外还有相当差距，单纯引进设备零件而不注意引进技术，对我国机械行业的技术提升是相当不利的。因此，不仅要积极从国外引进先进的技术和装备，而且还要能够善于对引进的技术进行深人研究，探索引进产品中的关键技术并进行消化吸收和改进创新。而反求工程恰恰可以为此提供良好途径。基于排气阀在低速柴油机上的重要地位以及其所处的工作条件来看，其设计原理与制造工艺都非常复杂，加工精度和定位精度都很高，尤其是在材料的选择上，更是特殊。所以，本课题拟对目前在低速船用柴油机上应用的MAN B&W专利下的排气阀进行逆向研究，对其设计原理和相关部件的特性进行系统分析，通过消化吸收，突破关键技术，提高生产能力，开发研制具有自主知识产权的产品。 低速柴油机制造作为船舶制造的配套产业，在辽宁老工业基地的建设与发展中起到了至关重要的地位。如果此排气阀反求设计能够国产化，不但会给船舶行业带来巨大的经济效益，而且还会对辽宁的大多数支柱产业产生深远的社会效益。争取将其设计原理及关键技术应用于自主开发新产品中，其意义不仅仅在于不用再花大量资金去直接购买和引用国外产品及技术，而且通过反求研究其设计原理及技术参数，借鉴其优势来攻破我国自主研发新产品过程中的瓶颈及难点技术问题，使研制及生产技术水平得到迅速提高，提高效率，节约资金及缩短新产品研制周期。总之，反求技术为快速设计与制造提供了很好的技术支持，它已经成为制造业信息传递重要而简洁的途径之一。 本章小结 本章研究讨论了国内外低速船用柴油机排气阀制造技术的发展及研究现状；讨论了反求工程的含义，研究现状及发展趋势，把反求工程技术引入到了排气阀阀杆和转翼的国产化设计中，并针对国内外船用低速柴油机技术的发展趋势，论述了开展排气阀排气技术专题研究的重要性，提出了排气阀阀杆和转翼国产化的重要意义。 第二章 零件数据获取数字化技术研究 反求工程中，数据采集是关键的一步，只有获得测量数据，才能进行下一步的逆向工作，如复杂曲面的建模、误差分析、制造等等。因而，如何高效、高精度地对样件表面数据加以采集，一直是反求工程的主要研究内容之一。就测头结构原理来说，可分为接触式和非接触式两种。接触式采用测头与被测物体直接接触来获取数据信息，该方法稳定，但测量速度慢，容易划伤物体表面。非接触式是应用光学及激光的原理进行测量的，该方法采集速度快，精度高，获得的密集点云信息量大，可以最大限度的反映被测表面的真实形状。获取数据的质量好坏将直接影响后续模型重建能否顺利进行，以及最终设计结果的质量能否满足技术要求。由此可见，数据获取是反求工程的首要前提，是重构模型的重要保障。 2.1 样件分析 模型表面的数据测量是反求工程技术的重要组成部分，是整个反求工程的基础。测量的精度与速度，将制约着整个工程的质量[21]。理清每个零件的组成部分、特征以及它们之间的相互关系。全面理解和掌握零件的设计原理、设计方法以及功能和应用等，以达到根据特征的主次关系，遵循一定的顺序进行全面采集的目的。因此, 要对一个实物模型进行曲面反求，首先要获取模型曲面的三维数据信息，即模型表面的数字化，然后通过相应的曲面造型技术及软件对测量数据进行优化，最终获取反求曲面。最终才能实现自由曲面的重构与制造。图2.1为零件排气阀杆与转翼实物图。 图2.1 排气阀杆与转翼实图 Fig2.1 The outline sketch image of exhaust valve bar and vane wheel 2.2 数据获取方法概述 随着精密机械、电子技术和电子计算机的迅速发展，反求工程的实现手段正在由熟练的手工过程转变到以计算机软件和现代测量仪器为主的数字化自动测量过程。测量方法的好坏直接影响对被测实体描述的精确、完整程度，影响数字化实体几何信息的速度，进而影响重构的CAD曲面、实体模型的质量，最终影响整个反求工程的进度和质量，是整个工程的基础。所以，数字化测量方法的选择和研究对反求工程至关重要。数据测量，又称产品表面数字化，是指通过特定的测量设备和测量方法，将物体表面形状转换成离散的几何点坐标数据，在此基础上，就可以进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造[22]。在现阶段的测量技术中，获取零件表面三维信息的基本方法根据测量探头和表面是否接触分为接触式和非接触式两大类。接触式测量包括基于力变形原理的触发式和连续扫描式数据采集；非接触式测量根据测量原理的不同大致可分为光学测量、超声波测量、电磁测量等。其中光学测量方法在反求工程中最为常用较为成熟，光学测量方法包括激光三角测量法、激光测距法、光干涉法、结构光学法、图像分析法[23]。图2.2为表面数字化方法的分类。 图2.2 表面数字化方法 Fig.2.2 the digitalization methods of curved surface 2.2.1接触式数据采集法 接触式数据采集法包括使用基于力触发原理的触发式数据采集和连续扫描数据采集、磁场法、超声波法等。接触式测量中，应用最广泛的是三坐标测量机，其测量传感器的主要形式为各种不同直径和形状的探针(接触测头)，当探针沿被测物体表面运动时，被测表面的反作用力使探针发生形变，这种形变触发测量传感器将测出的信号反馈给测量控制系统，经计算机进行相关的处理得到所测点的二维坐标。 1）触发式数据采集法 当测头的探针接触到的表面时，由于探针尖受力变形触发采样中的开关，这样通过数据采集系统记下探针尖（测球中心点）的当时坐标，逐点移动就能采集到样件轮廓坐标数据。在触发式数据采集过程中，由于探针必须偏移一个固定数值才触发开关，而且一旦接触到样件的表面后，探针需要法向退出以免过量而折断，因此数据采集速度较低。 2）连续式数据采集法 连续式数据采集采用模拟量开关采样头，由于数据采集过程是连续进行的，速度比点接触触发式采样头快许多倍，采样精度也较高。此外，接触力较小，允许用小直径的探针去扫描具有细微部分或由较软材料制作的模型。由于采样速度快,连续式数据采集可以用来采集大规模的数据。 3）磁场法 该方法是将被测物体置于被磁场包围的工作台上，手持触针在物体表面上运动，通过触针上的传感器感知磁场的变化来检测触针位置，实现对样件表面的数字化，其优点是不需要像坐标测量机一类的设备，但不适宜于导磁的样件。 接触式测量方法的优点是不受被测物体表面的颜色和光照限制；可以对被测物体边界精确测量；测量精度较高。但这种测量方法的缺点也比较明显： (1)由于是以逐点方式测量，所以速度慢，效率低； (2)测头与被测物体表面存在接触力，因而该方法不能对软质材料和超薄物体进行测量； (3)接触测头是感应元件，测得的数据是测头的球心位置，所以需进行测头半径补偿；  (4)测量路径需人工干预，目前还无法实现全自动测量； (5)测量系统的支撑结构存在静态及动态误差，从而影响了测量的精度。 2.2.2非接触式数据采集方法 近年来,以光学测量法为代表的非接触式测量技术发展非常迅速,在3D激光扫描、相机自由拍摄、双目立体测量等技术的研究和测量装置的研制方面取得了重要成果。光学测量设备能快速采集大量数据,尤其适合于具有复杂型面零件的测量,非接触式数据采集方法论主要运用光学原理进行数据采样，它有激光三角形法、激光测距法(Laser Triangulation Methods)、结构光法（Structured Methods）以及图像分析法(Image Analysis Methods)等。 （1）激光三角测距法 激光三角形法的基本原理是利用具有规则几何形状的激光束（如点光源、线光源）沿样品表面连续扫描被测表面，根据被测表面形成的漫反射光点（光带）在物体上成像的偏移，按三角几何原理测出被测点的空间坐标[24]。激光三角形法是目前最成熟的，也是应用最广泛的一种方法[25]。它的优点是测量速度快。而且激光三角法所采用的位移传感器具有非接触、体积小、重量轻、安装方便等特点，可以作为扫描测头安装在三坐标测量机上。激光扫描不仅可以测量硬质工件，而且可以测量柔软样件。激光三角形法存在的主要问题是对被测表面的粗糙度、漫反射率和倾角过于敏感，存在“阴影效应”，限制了探头的使用范围；不能测量激光束照射不到的位置，对突变的台阶和深孔结构易于产生数据丢失；扫描得到数据量较大，需经过专门的反求数据处理软件建立曲面模型，而且曲面边缘和结合部分需人工修理。原理如图2.3所示 图2.3激光三角形法原理 Figure 2.3 the principle of Laser Triangulation Method （2）激光测距法 利用光束的飞行时间来测量被测点与参考平面的距离，主要有脉冲波、调幅连续波、调频连续波等工作方式。由于激光的单向性好，多采用激光为能量源，这种方法的精度也较高。原理如图2.4所示 图2.4 激光测距原理 Figure2.4 measurement principle of LSV （3）结构光法 将一定模式的光照射到被测样件的表面，然后拍摄得反射光的图像，通过对比不同模式之间的差别来获取样件表面的点蝗位置，典型的是“Shadow Moiré”干涉条纹法。它的特点是不需要坐标测量机等精密的设备，造价比较低，但精度较低，操作复杂。 （4）图像分析法 与结构光方法的区别在于它不采用投影模板，而是通过匹配确定物体同一点在两幅图像中的位置，由视差计算距离。由于匹配精度的影响，图像分析法对形状的描述主要是用形状上的特征点、边界线与特征描述物体的形状，故较难精确地描述复杂曲面的三维形状。 （5）工业计算机断层扫描成像法（Industrial Computer Tomography） 工业计算机断层扫描成像（简称ICT）是对产品实物经过ICT层析扫描后获得一系列断面图像切片和数据，这些切片延长数据提供了工件截面轮廓及其内部结构的完整信息，不仅可以进行工件形状、结构和功能分析，还可以提取产品工件内部截面，并由工件系列截面数据重建工件的三维几何模型。ICT的最大优点在于它能测量工件内部断面的信息，因而适用于任意的形状结构，但测量精度低。 非接触式中的激光三角形法由于同时拥有采样精度高和采集速度快的特点，因而在逆向工程中应用最为广泛；接触式连续扫描测量方法由于具有高精度、较高速度，同时价格较合适等诸多优点，其应用潜力也相当大。综合以上各种非接触式测量方法，采用非接触式测量主要优点有： 1 不必作探头半径补偿，因为激光光点位置就是工件表面的位置。 2 测量速度非常快，不必像接触触发探头那样逐点进行测量。 ③ 软工件、薄工件、不可接触的高精密工件可直接测量。 非接触测量的缺点主要有： 1 测量精度较差，因非接触式探头大多使用光敏位置探测器PSD（Position Sensitive Detector）来检测光点位置，目前的PSD的精度仍不够。 2 因非接触式探头大多是接收工件表面的反射光或散射光，易受工件表面的反射特性（Reflectivity）的影响，如颜色、斜率等。 3 PSD易受环境光线及杂散光影响，故噪声较高，噪声信号的处理比较困难。 ④ 非接触式测量只做工件轮廓坐标点的大量取样，对边线处理、凹孔处理以及不连续形状的处理较困难。 4 使用CCD做探测器时，成像镜头的焦距会影响测量精度，因工件的几何外形变化不大时成像会失焦，成像模糊。 5 工件表面的粗糙度会影响测量结果。 2.2.3 样件测量方法的选择 随着计算机技术、光学技术、传感器技术等的飞速发展，零件数据获取的方法越来越多，由于测量原理及手段的不同，各有优点和缺陷，一般采用三坐标测量仪、投影光栅法和激光三角形法等对实物原型的外部形状进行测量，对于物体内部轮廓的测量则常用逐层切削照相测量可完成复杂内部结构实物的测量。对于某一具体零件的测量，只有综合考虑测量要求、测量精度、效率、产品特点和成本等综合因素，选择最合适的数字化方法，才能更好地服务于产品开发，在满足产品质量要求和成本控制的前提下，实现产品的快速开发。 排气阀杆及转翼是特殊钢产品，表面就一个自由曲面，并且不能对零件进行破坏性测量。根据产品的测量要求及其产品特点、用途等综合考虑，对接触式测量和非接触式测量方法的优缺点进行综合分析，决定采用坐标测量机进行表面数据采集，并且借助于卡尺和外径千分尺等进行辅助测量。 2.3反求工程的技术平台 2.3.1三坐标测量机简介 三坐标测量机(CMM)是近30年发展起来的一种高效率的新型精密测量仪器，它广泛地应用于机械制造、电子、汽车和航天等工业中。它可以进行零件和部件的尺寸、形状及相互位置检测，例如箱体、导轨、蜗轮和叶片、缸体、凸轮、齿轮等空间型面的测量。由于它的通用性强，可实现空间点位的测量，可方便的测量出各种零件的三维轮廓尺寸和位置精度，可快速方便地进行数据处理与程序控制，能与柔性制造系统相连接，可纳入自动生产线中，三坐标测量机已成为一类大型测量仪器，拥有“测量中心”之称。随着软件技术的发展，三坐标测量机的发展已经向智能型测量机过渡。 三坐标测量机是基于三维坐标测量原理，将被测量物体放置于测量机的的测量空间进行测量，可获得被测物体上各个测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经过数学运算，求出被测物体的几何形状和尺寸位置。三坐标测量机用测头采集信号,测头是一种传感器，当测头上的测针沿样件表面逐点运动时，通过反作用力使测针发生变形，由传感器传到与之相连的计算机上，计算机逐点记录、显示空间三维点的坐标( X、Y、Z )，再通过一系列的数学运算，求得所需结果，其中得到的大量密集、散乱的测量数据称之为“点云”[26]。从理论上讲，可实现对空间任意处的点、线、面以及相互位置的测量，因为测量机一律将它们转化为点集的坐标测量。只要适改变测量软件，就可以采集不同点坐标，只要适当地变换数据处理软件，就可以按不同的评定准则计算出不同几何元素的各种参数，可以说几乎是万能的。图2.5为三坐标测量机。 图2.5 三坐标测量机 Fig.2.5 Coordinate measuring machine 随着现代数控技术的发展，采用数控技术的坐标测量机己广泛应用于反求系统。三坐标测量机的测量精度一般都很高，可达到0.5μm，并且与测量范围没有直接的联系，可直接测量工件的特定几何特征。但是，三坐标测量机的最主要的缺点在于需逐点测量，测量速度慢，效率低；接触力会造成工件及探头表面磨损，影响光滑度；测量工件内部时，形状尺寸会影响测量值；对凸凹变化大的复杂曲面的测量非常困难。利用三坐标测量机对模型表面进行测量时，首先要确定测量路径，通过对模型表面特征截面线进行测量来获得模型表面的数字信息。在模型表面曲率变化小的地方测量点可以少一些，在模型表面曲率变化大的地方要适当增加测量点的数量，适合于采用各种通用CAD软件来进行CAD数学模型的曲面反求,反求所获得的曲面与实际的零件模型之间的误差亦可达到所要求的精度范围。三坐标测量机的测量方法主要有连续扫描测量法和点位测量法。连续扫描测量指测量探头始终与模型表面接触，并沿模型表面慢慢移动，按模型表面方向、曲率的变化，适时调节运动速度，连续完成空间曲线、曲面的测量。点位测量是利用触发式探头，按被测曲线逐点采样，取得被测曲线的一系列点的坐标值。零件测量时应该按照一定的顺序进行测量，防止测量数据的遗漏。三坐标测量机扫描速度快、精确度适当，并且可以通过测量模型表面特征截面线，获得大量的点云数据，以利曲面重建。 2.3.2本课题需要软件简介 数据处理是反求工程的一个重要的技术环节，它决定了CAD模型重建过程是否能够方便、准确地进行。使用测量设备测取的三维几何坐标数据都是一些离散点的点云数据，其中存在着噪声点，所以还需要相应的软件来处理点云数据。点云数据的处理包括