1、四川理工學院畢業設計（論文） 機械零件反求設計(B)學 生：李 忠 鵬學 號：04071010110專 業：機械設計制造及其自動化班 級：機械設計2004級2班指導教師：陳 敏 四川理工學院機電工程系二OO八年六月四 川 理 工 學 院畢業設計（論文）任務書設計（論文）題目： 機械零件反求設計（B） 系： 機電工程系 專業： 機械設計 班級： 機械設計 學號： 04071010110 學生： 李忠鵬 指導教師： 陳 敏 接受任務時間 2008.02.25 教研室主任 （簽名）系主任 （簽名）1畢業設計（論文）的主要內容及基本要求（1）基本設計參數：指定機械零件（2）主要內容及基本要求 對指定的

2、零件的曲面進行三維掃描，對測量數據進行點線擬合與曲面重構，用Imageware和UG完成CAD模型構造。完成零件圖繪制，完成論文或說明書的撰寫。2指定查閱的主要參考文獻及說明逆向工程技術及其應用 王霄，劉會霞，梁佳洪等編著. 化學工業出版社Imageware逆向造型技術基礎 單巖，謝斌飛編著. 清華大學出版社精通UG NX 4.0 杜立彬，石勇，郭旭偉，零點工作室. 電子工業出版社以及反求設計有關文獻資料3進度安排設計（論文）各階段名稱起 止 日 期1查閱資料，學習反求設計有關的基本知識2008.02.25-2008.03.102進行零件的三維掃描，CAD三維建模2008.03.11-2008

3、.04.053進行零件圖設計2008.04.06-2008.05.054完成論文或說明書的撰寫2008.05.06-2008.05.205設計圖紙與說明書的校對2008.05.21-2008.05.30摘 要傳統的產品實現通常是從概念設計到圖樣，再制造出產品，是一個“從無到有”的過程，但由于在原始設計階段，需要大量的時間和人力、物力。所以不利于在市場上競爭。在這種情況下，逆向工程孕育而生。簡單的說，它是一個“從有到無”的過程，根據以有產品反向推出產品的設計數據。氣缸蓋是柴油機結構設計中難度較大的重要零件之一。這次設計主要通過用3D CaMega光學三維掃描系統測量得到氣缸蓋三維點云數據，并對點

4、云進行處理。然后應用Imageware軟件對得到的點云數據進行曲線擬合，得到主要輪廓的三維曲線，并按主要特征加以分割。通過逆向造型軟件UG NX 4.0根據按主要特征分割的曲線進行模型重構。設計論文中闡述了氣缸蓋的工作條件、材料、設計要求、結構形式和布置；介紹了三維掃描系統的分類、測量原理、兩種不同測量方式的優缺點和測量的一般步驟；對Imageware軟件進行簡單的介紹和如何運用它對氣缸蓋點云數據進行點云對齊、輪廓點云的提取、曲線擬合和分割；根據這些數據，運用UG NX 4.0完成對實體的造型，以及對UG NX 4.0的簡單介紹和如何完成實體模型重構。最后通過重建的模型得到氣缸蓋的零件圖紙等技

5、術文件。關鍵詞：氣缸蓋；逆向工程；測量；Imageware；UG NX 4.0ABSTRACTTraditional products is usually from conceptual design to design and then create products, is a "from scratch" in the process, but because the original design stage, needs a lot of time and manpower and material resources. It is not conducive

6、to competition in the market. In this case, reverse-engineering breeding lives. Said simply that it is one “from has to not having” the process, according to by has the product to promote the product reverse the design feature. Diesel engine cylinder head is more difficult structural design of one o

7、f the important parts.The design used primarily by 3 D CaMega three-dimensional optical scanning system cylinder head measured 3-D point cloud data, and point cloud processing. Imageware software application and then get on the point cloud data fitting, are the main outline of the three-dimensional

8、curves, and major features to be separated. Through reverse modeling software UG NX 4.0 based on the main features of the split curve model Reconstruction. Papers in the design of the cylinder head on the working conditions, materials, design, structure and layout; Introduced the three-dimensional s

9、canning system of classification, measuring principle, two different measurement methods and measuring the advantages and disadvantages of the general steps; Imageware simple software for the introduction and use of its cylinder head point cloud data point cloud alignment, the outline of the extract

10、ion point cloud, curve fitting and segmentation; Based on these data, the use of UG NX 4.0 on the completion of the entity modeling, and the UG NX 4.0 on a simple model of entities and how to complete reconstruction. Finally, the redevelopment of the cylinder head model, drawings, and other parts of

11、 the technical documents.Keywords: Cylinder head; Reverse engineering; Measurement; Imageware; UG NX 4.0目 錄 摘 要ABSTRACT.第1章 緒論1第2章 氣缸蓋.22.1 氣缸蓋的工作條件和設計要求2氣缸蓋的工作條件2對氣缸蓋的設計要求32.2 氣缸的材料32.3 氣缸蓋的結構型式42.4 氣缸蓋的結構選型與布置5氣缸蓋火力面的布置5氣道的布置，形狀，尺寸6氣缸蓋螺栓的布置7氣缸蓋主要尺寸的確定72.5 氣缸蓋熱負荷和冷卻水流的組織8第3章 逆向工程概論 .103.1 逆向工程的定義10

12、3.2 逆向工程的工作流程113.3 逆向工程的應用領域123.4 逆向工程的局限性13第4章 逆向工程測量系統.154.1 概述154.2 接觸式測量15三坐標測量機的原理16三坐標測量機的組成16接觸式測量的優、缺點164.3 非接觸式測量17非接觸式測量的分類及原理17非接觸式的優、缺點19第5章 3D CaMega光學三維掃描系統.215.1 單機的外觀及主要構件215.2 3D CaMega光學三維掃描系統的軟件模塊及其功能225.3 氣缸蓋的測量過程24第6章 Imageware逆向造型軟件.286.1 Imageware簡介286.2 氣缸蓋點云數據處理29 點云數據的對齊29

13、氣缸蓋點云數據對齊31 輪廓點云的提取33 曲線擬合34第7章 UG模型重構.377.1 UG建模工作環境377.2 氣缸蓋實體造型.38氣道的造型.38燃燒室的實體造型39水腔的造型40.417.3零件圖的繪制 .43第8章 總 結.44參考文獻.45致 謝.46第1章 緒論 隨著工業技術的進步以及經濟的發展，在消費者高質量的要求下，功能上的需求已不再是贏得市場的惟一要求。產品不僅要具有先進的功能，還要有流暢、造型富有個性的產品外觀，以吸引消費者的注意。而流暢、造型富有個性的產品外觀要求必然會使得產品外觀由復雜的自由曲面組成。但是，在設計和制造過程中，傳統的產品開發模式基于產品或構件的功能和

14、外形，由設計師在計算機輔助設計（Computer Aided Design, CAD）軟件中構造，即正向工程很難用嚴密、統一的數學語言來描述這些自由曲面。為適應現代先進制造技術的發展，需要將實物樣件或手工模型轉化為CAD數據，以便利用快速成形系統（Rapid Prototyping, RP）、計算機輔助制造（Computer Aided Manufacture, CAM）系統、產品數據管理（Product Data Management, PDM）等先進技術對其進行處理和管理，并進行進一步修改和再設計優化。此時，就需要一個、一體化的解決方案：樣品->數據->產品。逆向工程就專門為制

15、造業提供了一個全新、高效的重構手段，實現從實際物體到幾何模型的直接轉換。作為產品設計制造的一種手段，在20世紀90年代初，逆向工程技術開始引起各國工業界和學術界的高度重視。從此以后，有關逆向工程技術的研究與應用就一直受到政府、企業和個人的關注，特別是隨著現代計算機技術及測量技術的發展，利用CAD/CAM技術、先進制造技術來實現產品實物的逆向工程，已成為CAD/CAM領域的一個研究熱點，并成為逆向工程技術應用的主要內容。在本次設計中，主要是針對單缸柴油機的氣缸蓋進行反求設計，對其氣道，燃燒室以及水腔復雜曲面的參數是無法通過直接測量得到的，要完成對氣缸蓋的造型，就必須得到這些復雜曲面的參數。通過直

16、接的方式是不能得到這些數據的，所以在本次設計中，我們運用了三維彩色數字化系統3D CaMega單機系統CS系列，對汽缸蓋分層掃描，通過對其進行瞬間拍攝，得到被測物被銑表面的三維點云數據。采用CloudForm三維數據處理軟件利用物體表面的紋理數據，對點云數據進行處理，然后運用Imageware軟件對其進行點線擬和，完成空間曲線的構建，通過逆向造型設計軟件UG完成模型的重構，實現對氣缸蓋的造型，從而體現反求設計的整個過程。第2章 氣缸蓋2.1 氣缸蓋的工作條件和設計要求氣缸蓋的工作條件 氣缸蓋是組成燃燒室主要部件之一，它與氣缸套、活塞部件共同組成燃燒空間。船用柴油機氣缸蓋結構形式繁多。隨著換氣方

17、式的不同，氣缸蓋的結構形式也各異，其中四沖程柴油機汽缸蓋的結構更為復雜，問題也多。在氣缸蓋上通常布置有進排氣閥、噴油嘴、示功閥、啟動閥、安全閥以及進排氣閥的驅動機構等。這些因素使得氣缸蓋成為柴油機中結構最為復雜的零件之一。所以，氣缸蓋的結構設計直接關系到柴油機的可靠性及維修方便的程度。氣缸蓋的工作條件也是極其嚴酷的。如圖2-1所示氣缸蓋的結構。圖2-1 氣缸蓋的結構氣缸蓋的底面，即所謂的火力面則直接受到高溫高壓燃汽的沖刷和腐蝕，使得底面承受很大的機械負荷和熱負荷。低面在爆發壓力的作用下產生很大的機械應力，由于進氣道與排氣道和燃燒室之間的溫度極不一致，在這樣的結構中由各部分的溫差也引起很大的熱應

18、力。柴油機的燃燒壓力很高，因而對氣缸蓋的剛度、強度、密封性的要求也更高。只有在較大的缸蓋螺栓預緊力的作用下，才能保證氣缸蓋得到很好的密封性。螺栓預緊力使氣缸蓋承受壓縮應力，并與燃氣壓力共同使氣缸蓋受到彎曲作用。氣缸蓋底面上的溫度分布也是極不均勻的。由于低面溫度不均而引起的氣缸蓋低面膨脹，又受到缸蓋低面螺栓的約束，因此在低面上產生了相當大的壓縮應力。同時在火力面上受到加熱而水腔側面受到冷卻，由于其自由變形也受到與頂面連接的氣道，氣閥管道的限制而產生附加彎曲熱應力。再加上進排氣道的熱應力也極不一致，使低面在進排氣道之間的閥座孔口“鼻梁區”的應力最為嚴重。從而造成氣缸蓋低面熱疲勞裂紋。這些帶有強烈沖

19、擊性的熱負荷會使缸蓋產生變形，在個別嚴重的情況下，會造成閥座的劇烈磨損，氣閥導套咬死，裂紋擴展而造成漏水，漏氣等，致使發動機不能正常工作。 對氣缸蓋的設計要求從上面所分析的氣缸蓋的作用和工作條件出發，設計氣缸蓋時應滿足下列要求：1、 根據混合氣形成和燃燒方式，布置較合適的燃燒室型式；進排氣閥和噴油器等的位置；2、 應具有足夠的強度和剛度，以便在承受機械負荷和熱負荷時產生較小的變形并能可靠的工作；3、 結構形狀盡可能地簡單，布置上力求對稱。厚薄盡量均勻，并具有一定的順讓性以減少鑄造內應力和運行時的熱應力；4、 組織有效的冷卻水流程，盡可能保證高溫部位得到良好的冷卻，促使氣缸蓋的溫度分布均勻些，從

20、而避免閥孔口之間形成熱裂紋；5、 進排氣道的布置要得到盡可能小的氣體流動阻力；6、 總體的布置上必須考慮維修的方便和制造的工藝性等。2.2 氣缸的材料氣缸蓋本體結構復雜，工作條件惡劣，選擇合適的材料是設計的主要環節之一。從熱強度考慮，要求材料的導熱系數大、高溫持久強度和蠕變強度高，彈性系數和線膨脹系數小；從機械強度考慮要求材料的疲勞強度高；從剛度考慮要求材料彈性系數大；從制造工藝考慮要選擇流動性好、易焊接、機械加工工藝性好的材料。有些要求是相互矛盾的，必須根據柴油機的設計要求來選擇教合適的材料。目前，柴油機最常用的材料有鑄鐵、鑄鋼、及鑄鋁等。（一） 鑄鐵優點：價格低廉、澆鑄性能好、適合于澆鑄相

21、當復雜的汽缸蓋。灰鑄鐵是澆鑄氣缸蓋最常用的材料。一般能在300350以下長期地工作。超過溫度強度會急劇下降。它的缺點是導熱性差。但其澆鑄流動性好廢品率低成本低、加工性能好。所以氣缸直徑在400毫米以下時采用灰鑄鐵作為氣缸蓋材料較為普遍。合金鑄鐵也用的很普遍。即加入適量的金屬元素會細化晶粒提高材料的耐熱性。能在350400以下長期工作。因此，一般增壓柴油機氣缸蓋都要求加入合金元素。合金鑄鐵經熱處理后的金相組織，無定向的細小片狀石墨，基提為珠光體，允許殘留分散的510%的鐵素體。 球墨鑄鐵 在氣缸直徑大于約400毫米時，有些氣缸蓋采用球墨鑄鐵制成。在氣缸直徑較大時，盡管經過精心設計使其底板的最高溫

22、度不超過350，但其熱應力，特別是徑向應力和圓周應力都隨著汽缸直徑的增大而增大，經不住較大塑性變形的長期考驗。這時常常選用比灰鑄鐵性能好的球墨鑄鐵材料。目前常用的球墨鑄鐵的牌號為QT602，起抗拉強度為60公斤/c;延伸率為2%。金相組織一般要求球化率大于90%；基體為珠光體，鐵素體應小于10%。（二） 鑄鋼由于灰鑄鐵和球墨鑄鐵的塑性較差，對于大缸徑的氣缸蓋仍然經不住長期的重疊疲勞的考驗。少數大缸徑中速機采用鑄鋼；低速大型柴油機幾乎都采用鑄鋼。鑄鋼允許最高溫度可超過400。它的塑性好，最大的缺點是鋼水的流動性差，鑄造較困難，易產生鑄造缺陷，一般允許焊補。（三） 鑄鋁鑄鋁在溫度低于250時具有較

23、高的強度。它的導熱性好，可使底面溫度降低。且它的熔點低，鑄造；流動性能好，很適合鑄造形狀復雜的零件，重量也輕。但是，鑄鋁的致命缺點是強度低、剛性差、塑性變形大、膨脹系數大、成本高。所以只有個別受嚴格重量限制或者有低磁性要求的高速柴油機才采用鑄鋁氣缸蓋。2.3氣缸蓋的結構型式柴油機的氣缸蓋大部分制成單體式氣缸蓋，即每缸一蓋。從解決氣缸蓋處的密封性來看，特別是在采用濕式氣缸套的條件下，選用單體氣缸蓋可以得到較高的可靠性。對于大缸徑發動機來說，單體式氣缸蓋有著較大的自由變形余地，熱應力的問題比較容易解決。單體氣缸蓋在制造維修方面均比較方便，鑄造質量易保證，能減少廢品率，相對地來講簡化了加工工藝；發生

24、故障時，只需拆檢有關的一只氣缸蓋。從產品變型來看，采用單體式氣缸蓋也有較大的適應性。目前，柴油機一般是用高速強化的方法,或者采用系列化變型產品,得到寬廣的功率范圍,因而采用單體式氣缸蓋結構也日益增加。當氣缸直徑較小時，要采用單體式氣缸蓋是有困難的。因為各部分的壁厚和泥芯截面尺寸受到造型和鑄造條件的限制而不能太小，這樣就不能在保證有適當的壁厚和泥芯尺寸的前提下，得到既有足夠尺寸的氣道面積有有較合適的氣缸中心距。這時通常采用整體式氣缸蓋，即一列缸一蓋，有四缸或六缸一蓋的。整體式氣缸蓋可以省去兩缸之間重復的水腔壁厚，進排氣道的引出和布置也較簡單化些。因而它的質量比單體式氣缸蓋輕些，同時外部輔助設備和

25、附件的布置也較為方便。如圖2-2所示，這個氣缸蓋它是鑄鐵鑄造成的單體式氣缸蓋，氣缸蓋上布置一個進氣閥和一個排氣閥。進排氣道分置于氣缸蓋的兩側，為了獲得氣體旋轉，將進氣道制成螺旋圖2-2 氣道剖面形狀，并制成從進氣口到閥座的面積逐漸減小，好使進氣流速逐步增加。進排氣閥閥孔均鑲有閥座圈，其目的是為了減小氣閥的磨損。提高氣缸蓋的壽命。氣缸蓋一端設置預燃室，預燃室的噴嘴開有噴孔，上部裝置噴油嘴。柴油機的平均有效壓力不斷地提高著，氣缸蓋的熱負荷亦不斷地增大。在研制的過程中，常常發生氣缸蓋熱裂的現象。對此進行了大量研究工作，在氣缸蓋結構上采用相應的措施。其中主要是加強對氣缸蓋底面的冷卻；提高氣缸蓋的剛度和

26、選用合適的材料等。為了降低進排氣流道中的壓力損失，通過在模型上作穩流試驗來確定氣閥的最佳結構和進排氣流道的最佳橫截面；有效的防止了空氣流入燃燒室時產生的紊流，減少了進排氣留道中增壓空氣和排氣壓力的損失。2.4氣缸蓋的結構選型與布置氣缸蓋的設計和結構選型，要根據柴油機總體設計的要求進行。在已經確定了沖程數、掃氣方式和燃燒方式，以及氣缸中心距，總體布置允許的最大尺寸等的基礎上，決定氣缸蓋上是否要布置進排氣閥。如果采用開式燃燒室則氣缸蓋底面一般為平面形狀；如用分隔式燃燒室則要布置預燃室。氣缸的中心距決定了氣缸蓋的縱向最大尺寸。進排氣管布置在氣缸蓋的一側還是兩側，就決定了氣缸蓋中的進排氣道的方向。柴油

27、機的主要性能指標，如發動機的轉數，平均有效壓力，最大爆發壓力和燃油消耗率等，確定了氣缸蓋的機械負荷和熱負荷的大小，柴油機的質量指標和使用壽命。根據這些已知條件開展氣缸蓋的設計工作。氣缸蓋火力面的布置氣缸蓋的設計應從火力面的布置開始，其中包括燃燒室的布置，各種流道的選擇和布置等。燃燒室在氣缸蓋底面上的形狀，可與燃燒室設計配合逐步形成，大多數火力面是平面或盆形面。配合氣閥機構的設計確定進排氣閥數目和型式。若為非增壓和低增壓的四沖程柴油機可設計成最簡單的一個進氣閥和一個排氣閥的二氣閥機構。通常氣閥與氣缸套壁之間的距離最小為，為氣缸直徑。數值太小時，將使進氣充量受到影響。二個氣閥喉口之間或氣閥口和噴油

28、器孔間的最小寬度應留有約。這樣就限制了氣閥喉口直徑，在二氣閥機構中，氣閥喉口直徑約為。在非增壓的柴油機中，為了提高充氣效率，選用進氣道的喉口直徑比排氣喉口大10%左右；增壓柴油機進排氣喉口通常選得一樣大小。若增壓度稍高時，則應考慮選用二個進氣閥和兩個排氣閥的四氣閥機構，這時氣閥喉口直徑約為。也有極個別的發動機，例如MD872型柴油機，采用三個進氣閥和三個排氣閥的六氣閥機構，這是最多的了，這時氣閥喉口直徑約為。二沖程直流掃氣發動機可選用單氣閥結構，這時氣閥喉口直徑約為，這種結構僅在低速柴油機中采用。也有采用三氣閥機構，約為。氣閥數目多，氣閥傳動機構的慣性小，氣閥通道的面積大，特別是氣閥的圓周長度

29、達，有利于排氣能量的利用；在采用脈沖增壓系統的柴油機中，對出排氣能量的利用更為有利，但是氣閥數目越多，氣缸蓋的設計越復雜。傳動機構零件也多，對柴油機工作的可靠性又不利的影響。根據氣閥數目和燃燒室形狀確定噴油器的布置。若采用預燃室時，把預燃室布置在氣缸中心的位置上，其上安裝噴油器。采用開式燃燒室時，三個氣閥以上的結構，一般都把噴油器布置在氣缸中心線上或稍偏移些。如是二個氣閥則可偏置，且和氣缸中心線偏離一個角度，這樣氣閥直徑可選得大些。如果是二沖程單氣閥結構，一般在氣缸蓋上需要布置兩個噴油器，也有個別大缸徑柴油機，為了保證燃油霧化和空氣的良好混合，在氣缸蓋上均勻地布置三個噴油器。在火力面上還需要布

30、置啟動空氣孔，安全閥孔等。氣道的布置，形狀，尺寸進排氣道的布置、尺寸和形狀對柴油機的充分效率，排氣能量的利用有相當大的影響。氣道在氣缸蓋中占有很大的空間，它的布置不但影響換氣的效果，而且也影響氣缸蓋金屬材料的分布和結構形狀的對稱性。在結構允許的條件下，氣道喉口直徑盡量取大些，但氣閥與氣缸套間的距離不能太小，否則加大喉口的效果反受影響。另外，喉口之間或喉口與噴油器孔之間的距離也不能太小，一般約為，為氣缸直徑。在確定進排氣道的形狀和截面變化時，應注意提高充分效率和降低排氣能力的損失，因此，從氣閥座附近的最小截面到進出口處的截面應該是逐漸和均勻的擴大到閥座截面積的倍。任何截面的突變，急速的過渡都應該

31、盡量避免。如圖2-3所示， 圖2-3 氣道的不同截面面積變化在火力面上首先確定閥座的直徑，然后確定最小喉口直徑，進排氣道一般均相應地取約為，這一小段可以將他們的內徑通過一小半徑的曲線相連接得到。對于普通氣道而言，其彎曲部分的內側半徑大約可選氣閥直徑的倍。目前，廣泛地采用氣缸蓋或氣缸蓋的模型進行氣道吹風試驗，來得到相對最佳的氣道形狀和尺寸。氣缸蓋螺栓的布置氣缸蓋螺栓是氣缸蓋與氣缸體之間的連接件，它的位置對于氣缸蓋和氣缸體的受力情況，氣缸蓋和氣缸套之間的密封可靠性以及氣缸套的變形量等都有直接影響。可以看出氣缸蓋螺栓的布置直接影響到發動機工作的可靠性與耐久性。因此，在布置氣缸蓋螺栓時應注意以下幾點：

32、1、螺栓的數目要足夠多。增加數目可以使氣缸蓋和氣缸套、機體之間均勻的壓緊，減小氣缸蓋的安裝應力、底面變形和氣閥座的變形，對氣閥的密封性有利。增加數目也相對的減小了他們之間的距離，使氣缸蓋對密封墊片的壓緊力更加均勻，減少了沖墊的可能性，使他們之間的密封性容易得到保證。但布置時要考慮到氣道流向、水腔的形狀以及氣缸中心距等。一般，中速機為個氣缸蓋螺栓；低速機為個。2、為了減少氣缸蓋在氣體壓力作用下產生彎曲應力和變形，螺栓的布置應近可能地離氣缸中心線近一些，一般約為倍的氣缸直徑，但是太近則往往會引起氣缸變形。3、應使每個；螺栓分擔盡可能相同的氣體爆發壓力。因此，對于單體式氣缸蓋，通常總是盡量均勻而對稱

33、的分布在氣缸蓋的周圍。氣缸蓋主要尺寸的確定氣缸蓋通常為一箱形結構，其內部構形十分的復雜。而它所承受的負荷既有機械的，又有熱力的，并且均隨時間周期變化著，因而它的受力是十分復雜的。對于這樣復雜的機件要用計算的方法確定其各部分的應力和尺寸，在目前條件下仍然是很困難的。所以，有關氣缸蓋主要尺寸的確定常常只能依靠經驗數據和以試驗研究為依據。氣缸蓋的高度與所選用的氣閥機構，氣道布置等因素有關。增加高度可以提高氣缸蓋的剛度，改善氣缸蓋與氣缸套之間的密封性，以及減少氣缸蓋螺栓的交變應力幅等。另一個關鍵尺寸是底面，既是火力面的厚度。而且機械負荷和熱負荷對底面厚度的要求是有矛盾的。氣缸蓋主要尺寸與氣缸直徑的比例

34、關系，表格1所示。表1 氣缸蓋主要尺寸與氣缸直徑的比例關系名 稱總高度中隔板至底面水側的距離底板厚度頂板厚度側壁厚度中隔板厚度氣道壁厚度無中 隔 板有中隔 板數值范圍0.91.00.120.150.050.0750.0350.050.080.0950.0550.0750.080.10510毫米（由鑄造規定）氣道與水腔的壁后有時由鑄造技術條件決定，局部地區剛度不足時，可以布置適當的加強筋，但是應該注意加強筋的位置不要防礙冷卻水的流動。水腔泥芯頭和清沙孔的位置應布置在造型、澆鑄和清沙均方便的地方，特別要注意高溫部分的清沙問題，因為清沙不良時將會引起散熱不好從而出現熱疲勞裂紋。2.5氣缸蓋熱負荷和冷

35、卻水流的組織氣缸蓋承受高溫和溫度不均勻所產生很高的熱負荷。實際上，除某些強化發動機外，由氣體壓力所引起的機械應力并不是十分危險的。這是因為鑄造條件限制了底面和其余各部分厚度不能太薄；還由于缸蓋內的諸如進排氣道壁、噴油器座、螺栓孔壁等都能加強氣缸蓋底面的承載能力。在適當的增加氣缸蓋的高度和壁厚就能增加氣缸蓋的缸度，減少機械應力和變形。所以目前氣缸蓋的高度有增加的趨勢。至于增加壁后則要與解決熱負荷的措施綜合考慮，這是因為隨著壁后的增加，溫差愈大，產生的熱應力也愈大。由于機械應力而導致氣缸蓋底板的裂紋還是不太可能的，然而，由于溫差所引起的熱應力，則往往大到足以使氣缸蓋開裂的程度。在底面上，進排氣道之

36、間以及氣道孔和噴油器座孔之間的間壁開裂，是氣缸蓋最常見的事故之一。目前，為了解決機械負荷與熱負荷的矛盾，在中高速的一部分柴油機中采用雙層底結構的氣缸蓋。這種結構的設計觀點是減薄底面板的厚度，以減少熱應力，并把底面設計成“薄壁強背”的結構，以此加強結構的剛度，使強背分擔一部分機械應力，使脈動的機械應力降低到足夠安全的范圍內。為了減少缸蓋的熱應力，除了適當的減薄底板的厚度外，組織良好的冷卻水流程是特別重要的措施，其目的是為了降低底面的溫度。特別是那些危險的區域，如進排氣道之間，氣道和噴油器之間等。同時，通過良好的冷卻使氣缸蓋各部的溫度分布盡可能均勻些，特別是底面燃氣側面的溫度分布盡可能均勻些。在組

37、織冷卻水流道時，應加快高溫區水的流速；應引導冷卻水首先流入高溫區域以加強其冷卻，然后再冷卻熱負荷較低的部分。在同樣的通流截面下，冷卻水的流速大，流量也多，在相同的時間內帶走的熱量就多，冷卻效果好；而且流速越快，越可以減薄附著在金屬表面的附面層，亦有利傳熱。在沒有雙層底結構的氣缸蓋也要采用轉孔等措施引導冷卻水的流動，在布置冷卻水流道時，不能出現死水區。氣缸蓋冷卻水進出口的布置。氣缸蓋冷卻水進出口的位置和結構，要與氣缸套或機體上的出水口相適應；其出水口原則上應安置在氣缸蓋的最高部位，以便把冷卻水中的蒸汽和氣泡排出去，防止造成氣缸蓋的局部過熱。由于氣缸蓋的結構復雜，以致在設計中不可能精確的確定冷卻水

38、的流動方向和速度。通常只能用類比的方法作出近于理想的布置，然后在實驗中進行檢查。常用的方法是測量各部分的溫度分布，流道中水的流速和流動方向等。第3章 逆向工程概論3.1逆向工程的定義“逆向工程”（Reverse Engineering, RE）,也稱反求工程、反向工程等，它起源于精密測量和質量檢驗，是設計下游向設計上游反饋信息的回路。傳統的產品實現通常是從概念設計到圖樣，再制造出產品，我們稱之為正向工程（或順向工程Sequential Engineering, SE），它的設計過程是一個從無到有的過程，設計人員首先構思產品的外形、性能和大致的技術參數等，然后利用CAD技術建立產品的三維數字化模

39、型，最終將這個模型轉入分析和制造流程，完成產品的整個設計制造過程。如圖3-1 產品的開發、制造流程所示：外觀、功能設計 構建三維數字化模型（CAD） 分析（CAE）快速成型 分析數據分析樣品 修 改 和 完 善 數控模具加工 （CAM） 批量生產 圖3-1 產品的開發、制造流程而產品的逆向工程是根據零件（或原型）生成圖樣，再制造產品。它與正向設計完全相反，簡單的說是一個“從有到無”的過程。也就是根據已經存在的產品或模型，用一定的測量設備對實物或模型進行測量，獲得三維輪廓點數據；再根據測量點數據通過三維幾何建模方法重新構建實物的CAD模型，反向推出產品的設計數據（包括設計圖紙或數字模型）。它是一

40、種以先進產品設備的實物、樣件、軟件（包括圖樣、程序、技術文件等）或影像（圖像、照片等）作為研究對象，應用現代設計方法學、生產工程學、材料學和有關專業知識進行系統分析和研究、探索掌握其關鍵技術，進而開發出同類的更為先進的產品的技術，是針對消化吸收先進技術采取的一系列分析方法和應用技術的結合。廣義的逆向工程是消化、吸收先進技術的一系列工作方法的技術組合，是一門跨學科、跨專業的、復雜的系統工程。它包括形狀（幾何）逆向、工藝逆向、材料逆向、影像逆向、實物逆向和軟件逆向等方面。目前，大多數關于逆向工程的研究主要集中在實物的逆向重構上，即產品實物的CAD模型重構和最終產品的制造方面，稱為“實物逆向工程”。

41、這是因為：一方面，作為研究對象，產品實物是面向消費市場最廣、最多的一類設計成果，也是最容易獲得的研究對象；另一方面，在產品開發和制造過程中，雖已廣泛使用了計算機幾何造型技術，但是仍有許多產品，由于種種原因，最初并不是由計算機輔助設計CAD模型描述的，設計和制造者面對的是實物樣件。為了適應先進制造技術的發展，需要通過一定途徑將實物模型轉化為CAD模型，以期利用計算機輔助制造、快速原型制造和快速模具（Rapid Prototyping Manufacture/Rapid Tooling, RPM/RT）、產品數據管理（Product Data Management, PDM）及計算機集成制造系統（

42、Computer Integrate Manufacture System, CIMS）等先進技術對其進行處理或管理。同時，隨著現代測試技術的發展，快速、精確地獲取實物的幾何信息已變成現實。目前，這種從實物樣件獲取產品數學模型并制造得到新產品的相關技術，已成為CAD/CAM系統中的一個研究及應用熱點，并發展成為一個相對獨立的領域。在這意義下，“實物逆向工程”（簡稱逆向工程）可定義為：逆向工程是將實物轉變為CAD模型相關的數字化技術、幾何模型重建技術和產品制造技術的總稱，是將已有產品或實物模型轉化為工程設計模型和概念模型，在此基礎上對已有產品進行解剖、深化和再創造的過程。3.2逆向工程的工作流程

43、 逆向工程的思想最初是來自從油泥模型到產品實物的設計過程。除此之外，目前基于實物的逆向工程應用最廣的還是進行產品復制和仿制，尤其是外觀設計產品，因為不涉及到復雜的動力學分析、材料、加工熱處理等技術難題，相對容易實現。目前，基于CAD/CAM系統的數字掃描技術為實物逆向工程提供了有力的支持，在進行數字掃描、完成實物的3D重建后，通過NC加工就能快速地制造出模具，最終注塑得到所需的產品。這個工程已經成為我國沿海地區許多家用電器、玩具、摩托車等產品企業的產品開發及生產模式，但這只是對國外產品的簡單復制和仿制，只是簡單的照抄和照搬，嚴格意義上來說，這不等于逆向工程。隨著計算機輔助幾何設計的理論和技術的

44、發展和應用以及CAD/CAM/CAE集成系統的開發和商業化，產品實物的逆向設計首先通過測量掃描以及各種先進的數據處理手段獲得產品實物信息，然后充分利用成熟的CAD/CAM技術，快速、準確的建立實體模型，在工程分析的基礎上，數控加工出產品模具，最后制成產品，實現從產品或模型設計產品的整個生產流程。具體流程如圖3-2所示，逆向工程系統主要由三部分組成：產品實物的幾何外形的數字化、CAD模型重建、產品或模具制造。組成系統的設備軟件主要包括：測量設備，數據處理（如進行格式轉換、噪聲濾除、平滑、對齊、歸并等），模型重建軟件（CAD/CAM），CAE軟件，CNC加工設備，快速成型機，產品制造設備等。總的來

45、說，逆向工程就是從模型、樣品到設計、造型的過程仿制、改制產品二維圖樣、技術文檔 PDM系統 仿制、改制產品CAD模型重構數據采集 制作系統CAM快速原型RP實物或模型 模具 產品樣件 新 產 品 圖3-2 逆向工程流程圖 3.3 逆向工程的應用領域在產品造型日益多元化的今天，逆向工程已成為產品開發中不可或缺的一環，其應用范圍包括以下幾方面。（1） 盡管計算機輔助設計技術發展迅速，各種商業軟件的功能日益強大，但目前還無法滿足一些復雜曲面零件的設計需求，還存在許多使用黏土或者泡沫模型代替CAD設計的情況，最終需要運用逆向工程將這些實物模型轉換為CAD模型。（2） 外形設計師傾向使用產品的比例模型，

46、以便于產品外形的美學評價，最終可通過運用逆向工程技術將這些比例模型用數學模型表達，通過比例運算得到美觀的真實尺寸的CAD模型。（3） 由于各相關學科發展水平的限制，對零件的功能和性能分析，還不能完全由CAE來完成，往往需要通過實驗來最終確定零件的形狀，如在模具制造中經常需要通過反復試沖和修改模具型面方可得到最終符合要求的模具。若將最終符合要求的模具測量并反求其CAD模型，在再次制造該模具時就可運用這一模型生成加工程序，就可大大減少修模量，提高模具生產效率，降低模具制造成本。（4） 目前在國內，由于CAD/CAM技術運用發展不平衡，普遍存在這樣的情況：在模具制造中，制造者得到的原始資料為實物零件

47、，這時為了能利用CAD/CAM技術來加工模具，必須首先將實物零件轉換為CAD模型，繼而在CAD模型基礎上設計模具。（5） 逆向工程也廣泛用于修復破損的文物、藝術品，或缺乏供應的損壞零件等以及磨損零件的還原。（6） 人體中的骨頭和關節等的復制、假肢制造。（7） 特種服裝、頭盔的制造要以使用者的身體為原始設計依據，此時，需首先建立人體的幾何模型。（8） 在RPM的應用中，逆向工程在最主要表現為：通過逆向工程，可以方便地對快速原型制造的原形產品進行快速、準確的測量，找出產品設計的不足，進行重新設計，經過反復多次迭代可使產品完善。3.4逆向工程的局限性 當然，逆向工程技術也有局限性因為逆向工程技術并不

48、是孤立的。逆向工程的實施是多領域、多學科的協調過程，逆向工程的整個實施過程包括了數據的采集/處理、CAD/CAM系統處理和融入產品數據管理系統的過程，需要各種技術人員高度地協同和融合。因此，逆向工程技術和測量技術、CAD/CAM軟件，以及從業人員的技術素質有著千絲萬縷的聯系。從理論角度分析，逆向工程技術能按照產品的測量數據建立與原有CAD/CAM系統完全兼容的數字模型，當然這也是逆向工程技術的最終目標。但憑借目前的設備和技術，尚無法滿足這種要求，逆向工程技術不可避免的存在其局限性。逆向工程最突出的問題是客觀模型和CAD模型之間的造型誤差。影響誤差的原因可分為以下4個主要因素。首先，從測量設備來

49、說，不管是接觸式的還是非接觸式的，測量設備都會有一定的誤差。測量所取得的點數據資料通常都無法得到良好的圓、直線或平面等幾何形狀。其次，CAD曲面重建會有誤差。雖然點數據資料并非光順平整，但是CAD曲面重建有著光順連續性的要求，這與點數據和曲面之間的誤差是相沖突的，要縮小誤差，則曲面的品質會較差；而曲面的光順連續性達到要求，又很難保證點數據和曲面之間的誤差。如何在它們之間取舍，需要工程技術人員的判斷和操作技巧。第三，在產品加工中會產生誤差，因為加工是從參數模型到實際模型的又一次近似。第四，從采集點數據到加工的過程中有不同的操作者參與，在整個產品的設計制造過程中會產生人為的主觀誤差。顯然，這些誤差

50、會積累并最終反應在產品上。逆向工程的局限性還有：（1） 如何從點數據資料進行分割曲面和規劃曲面，需要工程技術人員的判斷，無法參數化，或者以數值量化；（2） 曲面構建完成后，需要再對比確認，若點數據和曲面的誤差超過允許范圍，則需要微調曲面，所以時間較長；（3） 目前的CAD/CAM/CAE軟件仍然無法以參數化的方式構建CAD曲面，因此在修改、變動曲面時，相鄰的曲面也需要修改；以參數化的方式構建曲面是CAD/CAM/CAE設計軟件的發展趨勢之一。綜上所述我們可以看出逆向工程局限性主要在于：測量設備的精度、設計軟件的局限以及從業人員的技術素質。在測量設備和軟件等沒有革命性突破的同時，從業人員的技術素質在逆向工程中就顯得尤為重要。培養造就高水平的逆向工程技術人員已成為許多現代加工制造企業的當務之急。第4章 逆向工程測量系統4.1 概述零件的數字化是通過特定的測量設備和測量方法獲取零件表面離散點的幾何坐標數據，在這基礎上進行復雜曲面的建模、評價、改進和制造。因而，高效、高精度的實現樣件表面的數據采集，是逆向工程實現的基礎和關鍵技術之一。測量的目的是最真實的反映被測量物體有關特征的坐標信息，因此，對精度的追求是測量技