1 绪论
伴随着时代技术的发展，消费者对于产品的经济性和观赏性也越来越高。在产品外观和内在的设计上也伴随着计算机技术的发展而丰富起来，利用计算机完成数据的运算也极大的完善了产品设计上的计算困难。对于一些结构复杂的产品内部，外在结构的探索也逐渐趋于完善。在不断的探索过程中，也摸索除了一项全新的技术，对于产品的重构有了一个高效的手段，那就是逆向工程。这项工程结合多门学科利用强大的计算机运算功能，生成产品三维数据坐标，对产品进行重构。
近现代随着机械设计制造工艺的发展的高速，对于发动机的各项指标要求也也越来越高。消费者提高了对发动机的油耗、烟度、功率等各项工作指标的关注度和要求。因此对发动机的不断优化是设计者们不断努力的目标。发动机的各项指标的关键也在于其结构性，高精度，紧凑性，经济性。对于发动机内部结构的探索无疑是很大的问题，因为越高级的发动机其内部结构也是越复杂。特别是对于发动机进排气道的结构探索。发动机进排气道的设计也是发动机设计的一个重点环节。
但是，在发动机的传统设计过程中，与其他零件设备设计过程不同的是：发动机进气道的几何曲面特征较为复杂，普通测量无法做到，设计人员无法准确的给出进气道的具体参数，以及准确的工程图。以往的方法是设计人员采用设计草图以及设计的一些累计经验对发动机进排气道进行完善和修改，这种方式很局限，因为对于一些较为先进的发动机进排气道的结构通常结构改动较为巧妙。而且由于伴随着较大的不确定因素，不仅导致设计开发周期长，数据不太准确，而且所要的理想结果与通过上述方法所的设计产物有很大的差距。而对于解决方法正好于逆向工程相切合，采用这项工程就正好可以解决其内部结构复杂的问题。
二十世纪八十年代左右，欧美等一些发达国家的高校和工业领域已经开始涉足于逆向工程领域。早些时期，由于当时设备的不先进和整体技术发展不完善，导致所制作出的产品做工粗糙品质得不到保证。伴随着计算机技术，探头技术，激光技术，以及声学、磁学的日趋进步，通过于点云技术的结合。运用逆向工程软件对采集到的点云数据进行优化处理，然后将重构出的曲面通过三维软件（CATIA、UG、Solidworks、Pro/E等）进行实体造型，最后将构造出的曲面三维模型输出CFD图。而今此项技术也已经在内燃机进排气道设计运用较为成熟。
本次对于CB125摩托车发动机进排气道曲面重构设计在工程实际运用上，对于发动机的进排气道的结构上有很大的改善，知网论文查重从而对于发动机的各项指标有了很大的提升，所以具有实际工程意义。
2 发动机气道曲面重构过程理论分析
1.1发动机气道表面数据的测量
逆向工程数据的采集要通过特定的设备和方法结合计算机合理的运算从而获取产品表面和内部的离散点的三维几何坐标数据。能否顺利的建立实体模型的关键也就在于能否高效准确的采集到产品表面的三维几何坐标数据，以及产品数据优化修正处理。在数据测量上，根据测量方式何以分为两大类型：接触式和非接触式。
(1).接触式：知网论文查重根据力触发的原理可以把接触式测量法分为触发式数据采集和连续扫描采集两类。触发式测量法是利用触发探头接触产品表面，引起探针的变形来触发采样开关，通过感应开关的大小和反向感应再由传感器通过运算转换给计算机，从而显示出采集到的数据。通过这种方式反复的移动探头来完成对产品的数据收集。这也很明显可以看出这种方式的弊端，不仅测量速度很低，而且对于一些凹凸面曲面变化频繁的表面也很难测量，再就是整个探头的移动过程必须全面的覆盖整个产品表面，这样很容易产生误差，而且探头不能有损伤。而对于连续数据采集在技术就相对较为完善，因为这种方式采用的是模拟量开关采样探头，接触力较小，探针较灵活。这样就能保证采样数据的采样速度较快可以实现大规模的数据采集。
总的来说在逆向工程领域，接触式数字化测量设备以CMM为代表， 利用探头上的传感器与被测的工程表面接触来获取信息。CMM由于利用编程规划扫描路径，需要一次一次的重复获取被测形面上一点的（x，y，z），因此在数字化速度上比较低。接触式数据测量相对与非接触式相比，周围环境的影响对于这种方法较小不大受光照，温度等影响对于目标产品的边界位置和数据较为准确。但是由于探头接触的影响，很有可能会丢失某些探头无法测量部分的数据，而且接触式测量的数据测量还跟测量目标的材料有关。 因此，可以对一些内部结构简单，特征几何结构简单的被测目标面进行很好的测量以及采集数据。当被测表面满足以上条件时，CMM是一种非常高效可靠的三维数字化手段。但是也伴随者很明显的缺点：不能实现快速测量，目标产品的数据不全面，对环境有要求，价格较贵而且过程中需要人工干预。对于CMM来说，对测量结果还要进行补偿计算，包括探头损伤及探头半径补偿。
（2）非接触式 ：非接触式测量方式是利用声学，光学，磁学原理将物理量通过电脑运算转化为产品三维几何坐标数据。在非接触式测量方式运用中，运用较为成熟的是利用光学原理进行测量。本次测量发生就是基于光学原理运用了非接触式激光扫描法对发动机进排气到进行了曲面重构设计。利用光学测量分为：激光扫描法、激光三角形发、干涉测量法、结构光测距法、图像分析法。市场上运用较为成功的有断层扫面法，可以实现实物内部表面数字化。还有激光扫描法测量和逐层扫面测量等。在CT工业中我们有很多运用到逐层切削照相测量。工业CT虽然造价昂贵，成本相对逐层切削测量较高，而且测量准确度拥有较大偏差，但它可以在测量产品可以运用到对产品进行的保护上，因此可以对没有复件的产品进行扫描。逐层切削照相测量通过把目标产品分割成不同厚度进行对各个分割面进行测量。这样可以准确的得到各个断面的轮廓测量数据，这样使得测量精度相比于其他测量方式得到提高，虽然一定程度上看来成本交于工业CT下降了不少，但是由于损坏了测量产品，因此在选择时也应慎重考虑。在现今逆向工程的运用上，逐层切削照相测量和工业CT占了很大比重。
另一方面，激光测距法就是利用激光在传感器在测量产品表面的飞行的时间计算出被测产品表面的三维几何坐标数据。在先进的计算机辅助系统的帮助下，非接触式测量发在测量效率和精度都相当成功，激光测距法就能实现在很短时间内完成百万计的点云数据测量。
在此次设计中，由于发动机进排气道曲面对精度要求很高，所以选用了非接触式激光扫描法进行测量。  在运用非接触式激光扫描测量法进行测量时，要直到产品内部无法得到扫描为此，为了确保准确性必须采用复模技术，浇出气道阳模，即气道模型。进而用激光三坐标测量仪完成对阳模表面数据的测量。再者就是，激光测量方法在测量焦距和景深有限制，一次就可以得到完整的点云数据是不可实现的，因此多次测量是完成数据测量的唯一方法，然后运用软件对测量数据进行三维空间的修补与拼接。完成零件表面的点云数据的采集。
1.2 基于点云数据构建发动机进排气气道三维几何曲面
在数据构造过程中我们通常采取的是正向设计。以产品为原型，由点构线，由线构成面，最后由面构成实体。基于点云构建几何曲面的流程主要分为：点云数据处理，点云提取，特征线重构，曲线拟合，曲面重构，曲面质量分析和编辑优化。
1.2.1原始点云数据的处理
在利用激光扫描测量法数据中，由于环境和人为以及设备原因，在测得的数据中会存在一些杂点，噪声点，漏掉的点以及我们不需要的点。因此我们会对测得的数据进行修正和优化。常用的方法包括：数据精简，滤波去噪以及数据差插补等一系列方法。
1)滤波去噪
对于获取的三维几何坐标数据，我们在进行曲面重构等中后期处理和制作时，由于很多客观因素，例如被测产品的实体表面的波纹、粗糙度以及一些其它存在于其表面的物理缺陷等，另外，还有来自测量系统机器本身的不可忽略的影响，比如由于激光散射斑纹所造成的非线性误差、采样误差和系统分辨率等误差，以及人为操作因素等影响。在对目标产品表面的三维几何数据的采集过程中，使影响采集结果的噪声点混入采集数据中，这样会在进行曲线曲面重构时产生光顺性评估时产生较大误差，从而影响重构结果。 因此，要像获得满意的采集数据，就必须要对所得结果进行处理。
噪声在采集数据中明显的表现就是其中含有较多的杂项点以及噪音点，我们通常采用的方法有曲率法，距离值法以及弦高法这些比较常用去噪方法去噪。这些去噪方法具有一些相同的去噪思路，也就是在阀值给定的条件下，如果采样数据大于规定阀值就会被判定为异常点。但这几种去噪方法有所不同的地方是在于选择的阀值时，曲率法的度量阀值是相邻点之间的矢量夹角，而相邻点之间建立的连线的距离则是弦高法的判断阀值，距离法则是将相邻点之间直线或平面距离来作为度量阀值。
2)数据精简
对于点云数据的精简方法我们通常采用的方法是比值法，在确定一个值后将相邻点与之对比，差值小的保留下来，差值大的删除。另外还有一些别的方法，比如斜率法等可以用于数据的精简和筛选从而达到我们所预期的数据结果。
3)数据插补
在数据采集中由于激光反射原理所和被测产品本身所具有的复杂几何特征，导致在被测产品的复杂几何特征出出现数据丢失等。在后期数据处理中，不能缺少必要点云数据，因此我们要对未得到的数据进行处理。比如在测量过程中我们一定会使用到夹具或者支撑道具，这样就会导致我们无法获得夹具或支撑道具与目标样件所接触的部分的点云数据丢失。
数据插补就是根据缺失数据周围的三维坐标规律插补上缺失的三维坐标坐标信息，这样就可以让我们最大限度保证采集数据的准确性，从而使实体模型的信息更为全面可靠，方便我们进行后续处理与重做。 在进行数据插补时，可以采用以下两种发发进行：第一种就是将数据进行网格化，然后将空缺的孔洞进行多边形化，再将多边形细化成多个三角形网格，调整三角形网格化顶点位置进行插补；第二种是，利用插补的方法补缺遗失的点。 还有就是由于复杂表面会导致激光散射，这种情况会导致换点和缺失部分点，这就需要我们删除环点并且对缺失的点进行补齐。
1.2.2 曲面的划分与曲线的拟合
在逆向工程中，数据处理也是整个设计中很重要的一步，而后对数据的加工优化则更为重要。通过对点云制作（包括曲线曲面拟合）才能满足对产品逆向设计的条件。
（1）曲面的划分：在数据重构中我们需要分步进行，将曲面分块进行分析。曲面的划分直接会影响最终实体的形成，因此曲面分块是十分重要的。曲面划分的方式主要有自动划分和手工划分两种。在此我选用手工划分方式。
（2）曲线的拟合及修改：插值方法通常用于精确点的测量。逼近法则是表达了对数据点总体最优逼近的程度。一个是倾向于个体而另一个则是更注重整体。同时根据曲线插值和逼近的原理将其运用到曲面的插值和逼近。插值和逼近统称拟合。在反求设计过程中我们的理想化是得到的点都在合理的曲线上，由于数据点的数量会超过曲线次数，所以点很可能是逼近于曲线。这需要我们找到特征曲线，在点的特征下完成对拟合曲线的优化修正，来获得合理准确的形状。

1.2.3曲面重构
曲面重构是通过建立数学模型等一系列方法将采集到的点云数据进行优化处理后实体建模，将初步实体化的点云数据进行加工、形状优化修改、有限元分析、最后进行模具制造。其中曲面重构大致分为两种：一类是通过测量的点云数据经过提取直接进行曲面拟合；另一了类是由前面拟合得到的曲线进行曲面重构。
目前， Imageware软件提供的曲面拟合方法有：三边Bezier曲面法、多项式插值法、Nurbs曲面法。
（1）三边Bezier曲面法：这种构面方式要求工作面是基于曲面网格三角形上，曲面的三边结构在造型几何错乱的条件下会有非常良好的稳定性，并且该方法方便灵活，实用性强，可以对散乱点云数据进行曲面拟合。
（2）多项式插值法：多项式函数表达式形式简单，并且无穷次可微，所以足够光滑。当需要满足的插值条件增多时，多项式插值曲线的次数就会随着升高，曲线的摆动幅度也会随着变大。这将造成计算上的不稳定，局部修改能力差，造成平衡性缺失。所以在面对较复杂的空间曲线曲面上我们一般不用。
（3）Nurbs法：Nurbs法是建立在的B-spline和Bezier基础上的，它较好地实现了解析几何与自由曲线曲面的统一，在逆向设计中的曲面重构有着举足轻重的作用。Nurbs法对几何体的局部参数有很好的固定作用，减少误差变动， 在产品的空间几何三维数据进行旋转，透视等变换时，有非常好的稳定性，并且在使用时会有良好的配合方式对几何体的各个参数进行分析计算。
对于由拟合得到的曲线重构曲面，这种方法主要是利用样条曲线通过四边界面、扫掠（Sweep）、混合面（Blend）、直纹面、N边曲面等方法实现。
针对本次设计，我们选用Imageware三维逆向软件处理点云数据，经过软件交互， 提取出曲面，从而构造出曲面。一般情况下，选择放样法居多。
1.2.4重构曲面光顺性准则及分析
曲线光顺性准则
曲线光顺准则如下：
(1)二阶光滑性：1)曲线的二阶导矢连续，从而曲率连续；2)低次样条曲线一次（在节点处的曲率可能有一个跳越，此时要求曲率跃度节点处左右曲率差）之和要尽可能小；
(2)不存在多余拐点，即不允许出现下述情况：1)曲线本应出现N个拐点，而拟合时却多于N个拐点；2)不应该出现拐点的地方出现了拐点；
(3)曲率变化比较均匀；
(4)不存在多余的变挠点m挠点指挠率为零的点，通常与挠率变号点相关)，即不允许出现下述情况：1)曲线应出现N个变挠点，而拟合时却出现多于N个变挠点；2)不应该出现变挠点的地方却出现了变挠点；
(5)挠率变化比较均匀：1)挠率不连续栉点处左、右挠率差)跃度和足够小。2)挠率的变化比较均匀，无连续变号。
1.2.5曲面光顺性准则
曲面的光顺性的好坏是评判逆向工程重构设计的结果是否合格的标准，但是，对于光顺性准则没有准确一个标准去衡量，规则只是相对与产物是否满足该产品所需要的工作条件或者说是符合重构完成后的主观条件是否合格。
曲面光顺性准则的大致内容可以分为以下几点：
（1）曲面的各个参数线是否达到光滑。
（2）曲面的三角形网格线不应存在多余的拐点和变挠点；
（3）曲面的高斯曲率变化是否均匀；
（4）所构曲面与某一组等间隔并且与之平行的相交截面的线条是否光顺。
虽然曲面的光顺性评价非量化指标，但是目前已有许多种检查重构曲面光顺性的方法，在此可以大致分为三类：
（1）基于曲率的方法：眼下，成熟的商业化逆向工程软件都具有完整的曲面光顺性分析功能，同时一款软件会包含集中乃至更多的分析方法。常用的如截面曲率、切矢、法向矢量等。当软件对曲面光顺性进行分析师，大多采用的是对曲面进行光照渲染， 通过不同的着色来反应曲面的光顺程度，从而对曲面的质量进行评估。 其中大致可以包含以下几种方式：绘制曲率云图来反映曲率变化过程，对曲率线等进行分析制作以及曲曲面聚合处分析图。
（2）基于光照模型的方法：对于发动机进排气道的设计在其表面光滑性我们也尽量进行严格的要求，表面越光滑，在设计中也说明在光顺性上做得比较好，也说明我们对于数据的处理比较到位。因此，要对所制作出的几何体进行光照模拟，然后对渲染的光照着色进行分析对比从而得出其光顺性评估。评估方法大致包含含了这几种方式：反射线法，高光线法，等照度线法以及真实感图形法。
（3）等高线法：曲面S1与一组与之平行的平面S2的交线称为曲面S1的等高线。 通常是S2是平行于坐标平面的等距平面。我们可以通过分析S1的等高线疏密程度变化是否均匀或者等高线是否光顺来判断S1是否光顺。