自从用于UConn FSAE汽车录入的铃木GSX-R600 CAD模型完成以来，Bolton Works已经制造了10种不同的发动机模型车型，并且已被全球50多个FSAE团队使用。

系统 / 应用                  ZEISS COMET & ZEISS CONTURA

FIELD                          Automotive

客户                            Bolton Works

任务

大学生方程式赛车大赛的大学本科生和研究生挑战队设计和制造了一款小型方程式赛车。经过8至12个月的工作后，这些车辆一旦完成，将在一系列静态和动态活动中进行评判，包括技术检查、成本、展示和工程设计、单独性能试验以及高性能赛道耐力。汽车内部的空间限制需要有一款精确的发动机外部几何形状CAD模型。发动机制造商不会提供设计数据，因此3D扫描仪用于创建CAD文件。

对于康涅狄格大学的大学生方程式赛车（FSAE）团队参加FSAE密歇根大赛，Bolton Works（东哈特福德，康涅狄格州）提供了先进的逆向工程，在SolidWorks中制作铃木GSX-R600发动机的3D CAD模型。CAD模型用于检查干扰并便于发动机的设计修改。使用3D扫描设备制作CAD文件在FSAE学生群体中并不新鲜，但是3D扫描的改进简化了这一过程。

解决方案和产品

为了向UConn提供全面的3D模型，Bolton Works确定需要使用工业级、高分辨率的ZEISS COMET扫描仪，配备使用高端光学器件和传感器，以确保细节和准确性。CAD模型关键尺寸的准确性应该采用ZEISS CONTURA CMM加以验证。发动机模型应该包括所有工厂螺栓连接的发动机配件，并且该模型应该被细分为25个单独组件，这样它们可以根据需要由SolidWorks中UConn设计的组件替换。应提供完整气缸盖流动路径的内部几何形状。

Bolton Works的ZEISS COMET使用条纹图案的结构光投影扫描铃木发动机，用于康涅狄格大学的FSAE汽车录入。大学生方程式赛车大赛的大学本科生和研究生挑战队设计和制造了一款小型方程式赛车。

ZEISS COMET工业级高分辨率扫描仪具有高端光学器件和传感器，可确保细节和准确性。

铃木GSX-R600发动机包括四个承重组件：压铸铝下曲轴箱，包括上变速箱；带有一体式上曲轴箱的铸铝缸体；铸铝气缸盖；以及脱模下传动箱。用螺栓固定在这4个部件上的是离合器、定子、凸轮轴、通风口、曲轴箱和链轮的盖子，以及外部水泵组件、起动马达、机油滤清器、机油冷却器、进水外壳和几个传感器。25个部件具有发动机外部的表面，所有部件都经过扫描和建模，成为SolidWorks组件的一部分。

有各种测量三维形状的技术。一种方法是“结构化光投影”。由于白光或蓝光可用作投影条纹图案的光源，这些扫描仪也称为“白光”或“蓝光”扫描仪。

其工作原理是通过投影到表面上并由摄像机在不同视角下观察的图案来识别物体点。摄像机对表面的测量是基于三角测量的。因为光源和照相机之间的角度和距离是固定的，光线的方向已知，所以可以计算光线照射的表面深度。

用于这个项目的ZEISS COMET扫描仪是一个结构光扫描系统，应用范围从小型精密部件到大型工具、模具和车辆。ZEISS COMET产生密集的点云数据，允许检查（计量）和逆向工程。该扫描仪具有75 x 75 x 50至900 x 600 x 600mm的可调测量体积，精度高达±0.005mm。每个视图或“扫描”可测量多达约1100万个X - Y - Z点。对于大型物体或具有复杂表面几何形状的物体，有必要采取几个测量位置来确保记录所有表面。除计算机内存外，每个对象可以记录的视图或“补丁”的数量没有限制。扫描后，补丁被全局对齐以形成一个3D点云。

扫描前，排空发动机并进行彻底清洁，因为扫描仪的分辨率可以让灰尘颗粒、划痕和其他不希望的残留物会出现在扫描数据中。拆卸大部分内部部件（曲轴、活塞、变速器等）后，重新组装外部可见部件。为了扫描，引擎放置在高精度转盘上，跟踪转盘的位置，以实现不同扫描片的自动对齐。对于完整的组件，创建了153个补丁，结果扫描数据集为4GB。通过去除重叠点并将剩余点与三角形连接，该扫描数据集的大小比以前减小了。

这个三角化文件，称为STL文件，是扫描几何尺寸为1.5GB（3000万个三角形）的多面表示。由于螺栓连接配件的部分在扫描过程中会在发动机上投下阴影，因此扫描期间不捕捉大面积区域。例如，水泵的背面对于扫描仪是不可见的，因此会在数据中留下一个间隙。为了确保完整性，发动机被拆卸，每个部件都被单独扫描。创建STL文件，然后与装配文件匹配（最佳匹配），以确保在3D空间中的正确定位。接着将单个STL文件从3D系统带入Geomagic Design X软件，以填补扫描过程中仍然遗漏的间隙区域。间隙填充过程必不可少，因为我们希望最终得到完全闭合的几何形状，以便创建用于SolidWorks的实体。

SolidWorks–以全新的设计框架和进气歧管来扫描发动机

在当时，STL文件导入SolidWorks不是一个可行的选项，所以Nurbs曲面是在SolidWorks之外创建的，然后作为parasolids导入。要创建Nurbs曲面，Geomagic会在STL文件顶部自动生成一个样条网络来逼近几何图形。从该样条网络中创建Nurbs曲面。这种方法非常有效，可以将文件大小减少到更易于管理的级别。作为最后一步，将表面补片“缝合”在一起以形成闭合的实体CAD模型。

客户所能获得的结果/益处

该实体是在Nurbs曲面中构建的，代表了发动机的现状，包括扫描时发动机表面可能存在的任何缺陷。因此，除非采取进一步措施，否则加工误差、磨损区域、凹痕和划痕等都将成为模型的一部分。因为目标是能够使用CAD模型作为参考，所以框架、进气歧管和排气歧管的连接点需要无缺陷。因此，它们需要单独建模。例如，在螺栓孔存在的地方，将在扫描件上安装圆柱体。SolidWorks可以识别圆柱体，并将其用作可以轻松构建其他几何体的参考。

所有模型都从Geomagic软件导出为中性parasolid格式，SolidWorks可以读取该格式。由于所有模型都已经处于正确的位置，因此它们可以在SolidWorks中作为组件加载。完整的GSX-R600发动机SolidWorks装配文件的总大小约为500MB，在SolidWorks中加载时需要约1.5GB内存。虽然文件的大小对于使用中的任何计算机工作站来说都不是问题，但是可以抑制组件中的任何部件集中在气缸盖上。为了验证连接点的尺寸是否正确，实体模型也用于对ZEISS CONTURA CMM进行编程，并在第二台仍在组装的发动机上重新测量这些点。然后在SolidWorks中更新实体模型，以根据需要反映这些CMM值。

在FSAE社团了解Bolton Works的功能后不久，就有人要求提供其他详细的发动机制造和型号。迄今为止已对十种不同的发动机类型进行了建模，每种类型的细节都在不断增加。

利用Bolton Works的数据进行发动机部件的Uconn设计

SolidWorks组件是通过扫描 Kawasaki ES650 创建的

SolidWorks组件是通过扫描 KTM 390 发动机创建的

优势/说明

● CAD模型用于检查干扰并便于发动机的设计修改。

● 使用3D扫描设备制作CAD文件在FSAE学生群体中并不新鲜，但是3D扫描的改进简化了这一过程。