专利名称：一种发动机水套高精度快速测量方法
技术领域：
本发明属于逆向工程测量技术领域，涉及复杂结构零件不可见内腔结 构的逆向测量，尤其涉及一种汽车发动机水套高精度快速测量方法。
背景技术：
逆向测量工程是构建汽车发动机零件模型的重要手段，也是消化吸收 先进技术的重要途径，数据测量是其首要问题。在发动机中，冷却水套是影 响发动机性能的重要结构，直接决定了发动机的热效率，热负荷分布以及热 量利用，在发动机零件逆向工程中有着重要地位。但是，冷却水套不仅结构 和约束关系复杂，而且更是不可见的内部特征，其数据测量一直是逆向工程 领域的技术难点。因此，冷却水套数据测量成为发动机逆向工程的重要问题。目前，冷却水套数据测量主要采用基于数控铣床的层切图像方法，但 存在精度不高、后处理繁琐等问题。由于受包埋材料固化收縮、数控铣床重 复定位精度、图像采集系统光学畸变以及景深变化等因素的影响，导致数据失真，后处理过程复杂，严重影响了层切反求精度；同时，由于缺少精确的 基准，难以有效地实现水套模型与发动机缸盖或缸体整体模型坐标归一。这 极大地制约了fe切图像方法在水套逆向测量领域的应用，也成为提高对发动 机先进技术消化吸收能力的一大瓶颈。发明内容本发明的目的是提供一种汽车发动机水套高精度快速测量方法。 为了实现上述任务，本发明提供的技术解决方案如下-1)对测量的发动机缸盖或缸体零件的内部结构进行划分，分出发动机 缸盖或缸体零件分为水套以及水套之外的包括油道、气道、安装孔等的其它内部结构特征；对发动机缸盖或缸体零件的水套填充包埋材料，其包埋材料与发动机 缸盖或缸体零件灰度对比大；对于水套之外的油道、气道、安装孔等其它内 部结构特征采用与发动机缸盖或缸体零件灰度相近的包埋材料充；2) 制备校准标准柱，该校准标准柱与发动机缸盖或缸体零件的高度相 同且灰度相近，在校准标准柱的空腔内填充有与水套相同的包埋材料，备用；3) 在铣床工作台面上方安装一个测量装置，用于采集由铣刀逐层铣削 的发动机缸盖或缸体零件的断层图像，利用辅助支撑板，将填充了包埋材料 的发动机缸盖或缸体零件装夹于铣床工作台面上；4) 发动机缸盖或缸体零件装夹完成后，在发动机缸盖或缸体零件的对 角处，安装2个校准标准柱；5) 采用接触测量方式，测量校准标准柱内对应校准面之间的距离、校 准柱与零件发动机缸盖或缸体之间的距离以及校准标准柱的高度；6) 开动铣床，用铣刀自上而下同时铣削发动机缸盖或缸体零件及校准 标准柱，每铣削一层，由测量装置自动釆集发动机缸盖或缸体零件及校准标 准柱的铣削后的断层截面图像，直至发动机缸盖或缸体零件的水套整体切削 完成，则图像采集完毕；7) 以每层校准标准柱图像为基准，将铣削后的断层图像裁剪为位置相 同、大小相等的完整断层图像序列；8) 识别并提取发动机缸盖或缸体零件断层截面图像轮廓，重构出发动 机水套三维模型。本发明以层切图像扫描法为基础，对发动机缸盖或缸体零件的各内部 空腔填充不同灰度的包埋材料，并采用专用填充装置和工艺填充水套包埋材 料，增设零件夹紧辅助支撑板，同时设置2个填充了与水套相同灰度包埋材 料的校准标准柱，用于图像校准和模型定位，提高了固化包埋材料与零件的贴合程度，保证了零件装夹稳定，同时也为水套数据处理和模型重构提供了 精确基准，从而提高了水套逆向测量的几何形状精度和位置精度。
图1是发动机缸盖或缸体零件装夹方案的示意图；图2是发动机缸盖或缸体零件装夹方案示意图的局部放大图；图3是三种典型的夹紧辅助支撑板结构示意图；图4是三种典型的校准标准柱结构示意图；图5是水套包埋材料填充专用装置示意图；图6是断层截面轮廓包络而成的发动机缸盖、缸体水套点云数据； 图7是发动机缸盖、缸体水套三维CAD实体模型；图8是包含水套结构的发动机缸盖、缸体CAD实体模型；以下结合附图和发明人完成的实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
按照本发明的技术方案，按以下具体步骤实施1、对测量的发动机缸盖或缸体零件的内部结构进行划分，分出发动机 缸盖或缸体零件的水套以及水套之外的油道、气道、安装孔等的其它内部结构特征；对于水套采用水套填充专用装置填充包埋材料，其包埋材料与发动机缸盖或缸体零件灰度对比大；水套之外的油道、气道、安装孔等其它内部结构 特征采用与发动机缸盖或缸体零件灰度相近的包埋材料填充。发动机缸盖或缸体零件内部既有水套内腔空间，又有油道、气道、安装 孔等其他内部特征。由于要获取水套结构的数据，对水套及其他内腔填充不 同的包埋材料，以减少了断层图像的噪声数据，便于水套结构数据的提取。 其中，水套包埋材料与发动机缸盖或缸体零件灰度对比大，以环氧树脂、聚 酰胺树脂和细石墨粉为原料，制作发动机水套包埋材料；其他内腔的包埋材料与发动机缸盖或缸体零件的灰度相近，以环氧树脂、聚酰胺树脂和铝粉为 原料，制作水套之外内腔的包埋材料。对于发动机缸盖或缸体零件内部空腔的包埋材料填充，首先，采用专用 装置，实施发动机水套内腔包埋材料的填充；在此基础上，在室温环境下， 无需抽成真空，直接对发动机缸盖或缸体的水套以外的其他内部特征填充与 零件灰度相近的包埋材料。采用水套包埋材料填充专用装置实施水套包埋材 料填充，提高了固化包埋材料与零件的贴合程度，保证了反求的精度。上述的发动机缸盖或缸体零件的水套填充包埋材料由水套填充专用装 置实施填充，水套填充专用装置包括密封室14，密封室14内有矩形槽16， 矩形槽16内有盛满液态包埋材料15;密封室14上方有导管17，导管17 通过连接接头18与由金属平板20覆盖的发动机缸盖或缸体21的出水口 19 连通；密封室14下方有进气管13，进气管13通过接头24和空气压縮机23 连接。如图5所示。其实施过程为由进气管13向密封室14通入来自空气 压縮机23的压縮空气，在气体压力作用下，矩形槽16内的液态包埋材料 15经导管17、连接接头18和水套出水口 19被压入由金属平板20覆盖的发 动机缸盖或缸体21的水套空间22中；液态包埋材料充满水套空间22后， 保压直至包埋材料完全固化。该装置提高了水套包埋材料填充的质量，从而 保证了反求的精度。(2)制备校准标准柱，该校准标准柱与发动机缸盖或缸体零件的高度 相同且灰度相近，在校准标准柱的空腔内填充有与水套相同的包埋材料，备 用。制备校准标准柱，本发明校准标准柱的材料与发动机缸盖或缸体零件 灰度相近并且高度相同，其材料可以是铝合金等，其结构由底板3-1和在底 板3-1上围成的薄壁3-2两个部分组成，并由内部拉伸孔特征3-3形成中空 特征，用于填充包埋材料，如图2所示。在校准标准柱组成结构中，薄壁3-2是等壁厚的拉伸体结构，厚度在2mm 10mm范围内，需要保证结构强度 和刚度；内部孔特征3-3存在一对相互垂直的相邻校准标准面(E和F)，用 以图像的标记，要求内部孔特征截面边界长度为3mm 20mm，从而为图像裁 剪提供可靠的参考；底板结构3-l是平板结构，厚度在2mm 10mm范围内， 其截面尺寸比薄壁结构大5mm 20mm，保证为校准标准柱夹紧提供足够大小 和强度的支撑结构。底板结构3-1与拉伸孔特征3-3相互垂直，保证了裁剪 后截面图像实际大小和位置的一致；侧平面C与校准标准面F保持平行，为 校准标准柱定位提供基准面。校准标准柱3典型结构包括长方形拉伸孔结构(图4中的3a)、 1/4圆柱孔结构(图4中的3b)、直角三角形拉伸孔结构(图4中的3c)等，如图4所示。在室温环境下，无需抽成真空，直接对校准标准柱3填充水套包埋材 料。对校准标准柱3填充水套包埋材料，保证了校准标准面截面线的有效提 取，从而可用于图像校准等。(3)在铣床工作台面上方安装一个测量装置，用于采集由铣刀逐层铣 削的发动机缸盖或缸体零件的断层图像，利用辅助支撑板，将填充了包埋材 料的发动机缸盖或缸体零件装夹于铣床工作台面上；选择合适的层切扫描测量系统，如西安交通大学的S-Re300等，保证 其有足够的测量范围和精度。层切扫描测量系统有数控铣床、三角架机构、 测量系统和计算机控制系统等组成，测量装置5安装于铣床工作台面上方， 由三角架机构固定，用于采集由铣刀逐层铣削的发动机缸盖或缸体零件的断 层图像。为了实现发动机缸盖或缸体零件1有效夹紧，需要增设4个辅助支撑 板6，作为零件夹紧的支撑结构。发动机缸盖或缸体零件的夹紧辅助支撑板 为等厚平板结构，包括长方形平板(图3中的6a)、三角形平板(图3中的 6b)、半圆形平板(图3中的6c)等典型结构，厚度在2mm 8mm范围内。辅助支撑板6的尺寸和位置要保证零件的有效装夹，防止夹紧失效，以长方 形平板结构为例，其厚度为2ram 8mm，长度为10mm 30mm，宽度为10画 30mm。在零件装夹之前，夹紧辅助支撑板焊接固定在零件上，其分布要相对 分散和对称，从而保证夹紧的稳定， 一般地，零件两侧面各分布2个于底部 凸缘(1/3 1/5)处和(2/3 4/5)处，同时保证各辅助支撑板底面和发动 机缸盖或缸体零件下安装面在同一平面。在发动机缸盖或缸体零件装夹时，通过在发动机缸盖或缸体零件上纵 向和横向上安装的2个支撑钉9和支撑钉10，使发动机缸盖或缸体零件的 端面A支撑在2个支撑钉9上，端面B靠在支撑钉10上，保证端面A与铣 床纵向进给方面(Y方向)保持平行；利用压板8在辅助支撑板6上施加垂 直向下的夹紧力，实现零件的有效夹紧。上述发动机缸盖或缸体零件定位和夹紧方案如图1所示。(4) 发动机缸盖或缸体零件装夹完成后，在发动机缸盖或缸体零件的 对角处，安装2个校准标准柱；在发动机缸盖或缸体零件装夹之后，需要将2个校准标准柱3装夹于 铣床工作台2上。辅助支撑板6要在铣刀4的加工范围和测量装置5的测量 范围内。在装夹时，将2个等高的校准标准柱3分别放置于发动机缸盖或缸 体零件1的最小包络矩形区域对角线的延长线附近，与零件的距离保持在 5mm 30mm范围内，既预留足够的装夹空间，又保证布置的紧凑性；利用2 个支撑钉11支撑底板结构的侧平面C，保证侧平面C与铣床纵向进给方向 (Y方向)保持平行，从而保证校准标准面F与零件铣床纵向进给方向(Y 方向)保持平行，校准标准面E与零件铣床横向进给方向(X方向)保持平行； 最后，利用压板7在底板结构3-2上施加垂直向下的夹紧力，实现校准标准 柱的有效夹紧。(5) 采用接触测量方式，测量校准标准柱内对应校准面之间的距离、校准柱与零件发动机缸盖或缸体之间的距离以及校准标准柱的高度；选择合适的接触式测量设备，如FaroP12-7等，测量校准标准柱内对 应校准面之间的距离、校准柱与零件之间的距离以及校准标准柱的高度。(6) 开动铣床，用铣刀自上而下同时铣削发动机缸盖或缸体零件及校 准标准柱，每铣削一层，由测量装置自动采集发动机缸盖或缸体零件及校准 标准柱的铣削后的断层截面图像，直至发动机缸盖或缸体零件的水套整体切 削完成，则图像采集完毕；设置铣床工艺参数，主要包括切削层厚和切削层数量，其中切削层厚 范围为0.05mm 0.5mm，切削层数量根据发动机水套高度而定；以发动机缸 盖或缸体零件长度方向为刀轨方向，生成数控指令；启动断层截面图像采集 机构的各功能器件，如打幵采集光源、设置好数码相机的最佳拍摄参数等；开动铣床，将发动机缸盖或缸体零件及校准标准柱自上而下同时铣削。每铣削一层后，工作台沿横向进给方向(x方向)移动，使得发动机缸体或缸盖零件以及2个校准标准柱处于测量装置5的采集范围内，在由测量装置自动 采集发动机缸盖或缸体零件及校准标准柱的断层截面图像。在每层断层截面 图像采集完成后，工作台沿横向进给方向(X方向)移动至原来的位置，再 次铣削发动机缸体或缸盖零件以及2个校准标准柱。如此往复，直至发动机 缸盖或缸体零件的水套整体图像采集完毕，获取断层图像序列。(7) 以每层校准标准柱图像为基准，将断层图像裁剪为位置相同、大 小相等的完整断层图像序列。以校准标准面截面线为裁剪区域的边界线，利用Photoshop等图像处理 软件，将存在大小和位置差异的截面图像裁剪为位置相同、大小相等的完整 断层图像序列，从而消除了由于工作台重复定位误差等引起的截面轮廓错位 误差、数码相机镜头焦距变化等引起的截面轮廓尺寸误差等；同时，在保证 图片完整性的前提下，图像裁剪剔除了多余的场景区域，提高后续图像处理的效率。(8)识别并提取零件断层截面轮廓，重构出发动机水套三维模型； 利用Photoshop等图像处理软件，得到裁剪断层图像的像素。通过已获 取的校准标准面之间的距离，计算校准标准柱矩形区域面积，用矩形区域面 积除以像素点数量后开方，得到像素代表的实际尺寸。在此基础上，选用Mimics断层截面图像处理与三维重构软件，通过灰度化、二值化等处理手 段，识别与提取物体的断层截面轮廓闭，并形成包络体，重构出三维模型， 如图6所示。然后，利用Geomagic Studio、 CATIA等软件，通过曲面分块、 曲面拟合、曲面拼接、体化等操作，获得水套CAD实体模型，如图7所示。 通过已测量得到的校准标准面与对应的发动机缸盖或缸体零件基准平面 之间的距离、校准标准柱的高度、校准标准柱顶面与对应的发动机缸盖或缸 体零件基准平面之间的距离以及设定参数切削层厚和切削层数量等参数，可 进一步计算校准标准面与顶面的交点和发动机缸盖或缸体基准平面的相对 位置，计算校准标准面与校准标准柱切除部分底面的交点和发动机缸盖或缸 体基准平面的相对位置。以上述相对位置尺寸为依据，分别构建水套模型和 发动机缸盖或缸体模型的对准坐标系，通过布尔运算，切除发动机缸盖或缸 体模型的水套空间，生成包含水套结构的发动机缸盖或缸体CAD实体模型， 如图8所示。
权利要求
1、一种汽车发动机水套高精度快速测量方法，其特征在于，具体按下列步骤进行1)对测量的发动机缸盖或缸体零件的内部结构进行划分，分出发动机缸盖或缸体零件的水套以及水套之外的包括油道、气道、安装孔等的其它内部结构特征；对发动机缸盖或缸体零件的水套填充包埋材料，其包埋材料与发动机缸盖或缸体零件灰度对比大；对于水套之外的油道、气道、安装孔等其它内部结构特征采用与发动机缸盖或缸体零件灰度相近的包埋材料充；2)制备校准标准柱，该校准标准柱与发动机缸盖或缸体零件的高度相同且灰度相近，在校准标准柱的空腔内填充有与水套相同的包埋材料，备用；3)在铣床工作台面上方安装一个测量装置，用于采集由铣刀逐层铣削的发动机缸盖或缸体零件的断层图像，利用辅助支撑板，将填充了包埋材料的发动机缸盖或缸体零件装夹于铣床工作台面上；4)发动机缸盖或缸体零件装夹完成后，在发动机缸盖或缸体零件的对角处，安装2个校准标准柱；5)采用接触测量方式，测量校准标准柱内对应校准面之间的距离、校准柱与零件发动机缸盖或缸体之间的距离以及校准标准柱的高度；6)开动铣床，用铣刀自上而下同时铣削发动机缸盖或缸体零件及校准标准柱，每铣削一层，由测量装置自动采集发动机缸盖或缸体零件及校准标准柱的铣削后的断层截面图像，直至发动机缸盖或缸体零件的水套整体切削完成，则图像采集完毕；7)以每层校准标准柱图像为基准，将铣削后的断层图像裁剪为位置相同、大小相等的完整断层图像序列；8)识别并提取发动机缸盖或缸体零件断层截面图像轮廓，重构出发动机水套三维模型。
2、 如权利要求1所述的汽车发动机水套高精度快速测量方法，其特征 在于，所述的发动机缸盖或缸体零件的水套包埋材料由水套填充专用装置实 施填充，所述的水套填充专用装置包括密封室(14)，密封室(14)内有矩 形槽(16)，矩形槽(16)内有盛满液态包埋材料(15);密封室(14)上方 有导管(17)，导管(17)通过连接接头(18)与由金属平板(20)覆盖的 发动机缸盖或缸体零件(21)的出水口 (19)连通；密封室(14)下方有进 气管(13)，进气管(13)通过接头(24)和空气压縮机(23)连接。
3、 如权利要求1所述的汽车发动机水套高精度快速测量方法，其特征 在于，所述的发动机缸盖或缸体零件夹紧的方法是，首先，通过在发动机缸 盖或缸体零件上纵向和横向上安装的2个支撑钉(9)和支撑钉(10)，使发 动机缸盖或缸体零件的端面(A)支撑在2个支撑钉(9)上，发动机缸盖或 缸体零件的端面(B)靠在支撑钉(10)上，保证发动机缸盖或缸体零件端 面(A)与铣床纵向进给方向(Y)保持平行；然后，利用压板(8)在辅助 支撑板(6)上施加垂直向下的夹紧力，实现零件的有效夹紧。
4、 如权利要求3所述的汽车发动机水套高精度快速测量方法，其特征 在于，所述的发动机缸盖或缸体零件夹紧辅助支撑板(6)为等厚平板结构， 在零件装夹之前，将夹紧辅助支撑板(6)焊接固定在零件底部凸缘1/3 1/5处和2/3 4/5处，保证各夹紧辅助支撑板(6)的底面和发动机缸盖或缸体零件的下安装面在同一平面。
5、 如权利要求4所述的汽车发动机水套高精度快速测量方法，其特征 在于，所述的夹紧辅助支撑板(6)为长方形平板、三角形平板、半圆形平 板。
6、 如权利要求1所述的发动机水套高精度快速测量方法，其特征在于， 所述的校准标准柱(3)由底板(3-1)和底板(3-1)上围成的薄壁(3-2)组成，薄壁(3-2)的内部拉伸孔特征(3-3)所形成的空间用于填充包埋材 料；薄壁(3-2)是等壁厚的拉伸体结构，厚度为2mm 10mm;内部拉伸孔 特征(3-3)存在一对相互垂直的相邻校准标准面(E和F)，用以图像的标 记，要求内部拉伸孔特征(3-3)的截面边界长度在3mm 20醒范围内；底 板(3-1)是平板结构，与拉伸孔特征(3-3)相互垂直，底板(3-1)的侧 平面(C)与校准标准面(F)保持平行，要求底板厚度在2mm 10mm范围内。 7、如权利要求6所述的汽车发动机水套高精度快速测量方法，其特征 在于，所述薄壁(3-2)是长方形拉伸孔结构、1/4圆柱孔结构、直角三角 形拉伸孔结构。
全文摘要
本发明公开了一种汽车发动机水套高精度快速测量方法，该方法对测量的发动机缸盖或缸体零件的内部结构进行划分，对发动机缸盖或缸体零件的水套，填充与发动机缸盖或缸体零件灰度对比大的包埋材料；对于水套之外的油道、气道、安装孔等其它内部结构特征采用与发动机缸盖或缸体零件灰度相近的包埋材料充；将发动机缸盖或缸体零件装夹于铣床工作台；设置2个校准标准柱，用于图像精确校准。通过断层扫描测量系统，获取断层图像数据，以校准标准柱图像为基准，将其裁剪为位置相同、大小相等的断层图像序列。通过数据处理，重构出水套三维模型。该方法提升了断层扫描测量系统对汽车发动机水套等不可见内腔结构的反求能力。
文档编号G01B21/00GK101226053SQ20081001725
公开日2008年7月23日 申请日期2008年1月8日 优先权日2008年1月8日
发明者张浩锋, 李宝童, 军 洪, 磊 贾, 邱志惠, 阎海红 申请人:西安交通大学