汽車發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片的逆向造型與分析

占長清， 劉 蘇

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016）

逆向工程[1-2]是針對消化吸收先進(jìn)技術(shù)的一系列分析方法和應(yīng)用技術(shù)的組合。它是以產(chǎn)品或設(shè)備的實物、軟件或影像作為研究對象，應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計理論方法、生產(chǎn)工程學(xué)、材料學(xué)和有關(guān)專業(yè)知識進(jìn)行系統(tǒng)深入地分析和研究，探索掌握其關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)而開發(fā)出同類的先進(jìn)產(chǎn)品。目前，大多數(shù)關(guān)于逆向工程技術(shù)的研究主要集中在實物的逆向重構(gòu)上，即重建產(chǎn)品實物的CAD 模型和最終產(chǎn)品的制造方面。

本研究對象為一汽車發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇，這種風(fēng)扇用在型號為NJ7180ZR 名爵等汽車上。因為葉片等實體表面一般由復(fù)雜的自由曲線、曲面構(gòu)成，通用的CAD 平臺，僅提供通用的幾種造型功能，對有復(fù)雜結(jié)構(gòu)，自由型曲線、曲面等葉片來說，造型相對困難和麻煩，而且造型時間長，可修改性也差。若采用逆向工程技術(shù)測量出符合要求的葉片并反求出數(shù)字模型，在重復(fù)制造葉片時就可以運(yùn)用這一數(shù)字模型生成加工程序，可大大提高生產(chǎn)效率，降低制造成本。本論文對此發(fā)動機(jī)風(fēng)扇進(jìn)行了反求設(shè)計與分析。

1 光學(xué)式表面數(shù)字化

逆向工程中物體表面三維數(shù)據(jù)的獲取方法可分為接觸式和非接觸式兩大類[1]。

本研究運(yùn)用了ATOS 測量系統(tǒng)對風(fēng)扇進(jìn)行數(shù)字化。它是基于相位光柵投影的結(jié)構(gòu)光法的光學(xué)式測量方法，它的工作原理是采用可見光，將特定的光柵條紋投影到測量工件表面，借助2 個高解析度的CCD 數(shù)碼相機(jī)，采用光柵干涉條紋進(jìn)行拍照，利用光學(xué)拍照定位技術(shù)和光柵測量原理，在較短的時間內(nèi)獲得復(fù)雜工件表面的完整點云。

ATOS 的點云數(shù)據(jù)拼合采用了獨創(chuàng)的參考點技術(shù)，即將兩次采集到的點云數(shù)據(jù)通過共有的3個及以上的參考點進(jìn)行拼合。在測量前，需要在風(fēng)扇葉片表面定義點云數(shù)據(jù)拼合的參考點，以便于計算機(jī)對多幅照片點云的精確拼合。為了使多幅掃描的點云合并到統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)，在掃描時要求每一幅照片都至少要看到不在同一直線上的3 點，且后一幅照片必須要看到前一幅照片的至少3 個參考點。

掃描完畢后形成的點云數(shù)據(jù)利用儀器自帶的系統(tǒng)處理，提取工件表面的特征，進(jìn)行拼合、對齊、三角網(wǎng)格化、錯誤消除、消除碎片、光順、過濾等計算，生成三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)。工件掃描完畢后， stl 格式文件以小平面特征導(dǎo)入Pro/ENGINEER 2.0 軟件。

2 三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)預(yù)處理

風(fēng)扇在結(jié)構(gòu)上呈輪輻狀，并且6 個葉片在空間呈均勻分布，選取一個葉片作為研究對象。

小平面模型中有著孔洞而且三角片數(shù)目很大。在進(jìn)行曲面重建之前應(yīng)進(jìn)行孔洞的修補(bǔ)和三角網(wǎng)格的簡化等預(yù)處理。

本研究中葉片的孔洞是由于葉片復(fù)雜性導(dǎo)致測量盲區(qū)而產(chǎn)生的，ATOS 在邊界處理方面不太好，因此形成的孔洞在葉片邊界處。

對于葉片三角網(wǎng)格模型中的孔洞, 采用基于曲率的Fill hole 功能進(jìn)行修補(bǔ)。因為葉片孔洞比較大，修復(fù)時采用了分段填充的方法。為使填充的區(qū)域平滑，在填充之前對孔洞邊界進(jìn)行預(yù)處理。孔洞預(yù)處理的原則是根據(jù)原始模型幾何形狀，能使孔洞的特征多邊形的頂點法矢方向一致，向量夾角不大。使孔洞成為簡單孔洞[3]。否則有時填充不了，或者翹曲非常嚴(yán)重。孔洞邊界處理時用添加、刪除小三角片等操作，同時結(jié)合分割邊操作消除狹長三角形。這樣填充的效果比較好。

通過分樣簡化三角網(wǎng)格，孔洞修復(fù)，整理，精整，和松弛迭代等一系列數(shù)據(jù)預(yù)處理后的葉片如圖1 所示。

圖1 預(yù)處理后的葉片三角網(wǎng)格模型

3 基于過渡曲面特征提取方法的曲面重構(gòu)

重新造型時，如果使用截面線放樣造型曲面。按照葉片設(shè)計的要求，實體建模時要保證前、后緣是嚴(yán)格的圓弧，并需要保證葉身型線與過渡圓弧線光滑相切，即保證在兩者的連接點處一階導(dǎo)矢（G1）連續(xù)。所以，首先要找到兩者間精確的連接點－切點。找切點再進(jìn)行曲線拼接很麻煩，又因為葉片是變厚的自由曲面，把它作為一個整體擬合，容易形成翹曲，如圖2所示。

本文提出根據(jù)葉片邊界曲率的突變性，劃分區(qū)域，進(jìn)行特征線提取。用多項式曲面擬合后，在曲面之間添加從屬相切約束條件，達(dá)到曲面連接處的相切。

目前，識別特征點的方法很多，如夾角法、曲率法等。夾角法是根據(jù)三角網(wǎng)格模型中一條邊的相鄰三角片法矢夾角是否大于某一值的準(zhǔn)則來判斷該頂點是否為特征點。通常的曲率法是通過擬合頂點周圍的區(qū)域，計算該頂點在擬合曲面的最大曲率值，根據(jù)判斷該曲率值是否大于某一值來決定是否為特征點。

圖2 截面線放樣造型

本文使用通過曲率分析提取特征點的方法。對于本研究中的葉片，在邊界處是曲率突變處，因此邊界處是特征提取的地方，論文提出把過渡曲面特征提取方法[4]用于研究中，對葉片進(jìn)行特征提取。

這樣把在過渡曲面的三角網(wǎng)格提取出來，取一部分反映分界的點擬合成Spline 曲線，根據(jù)曲線曲率分布是否平緩均勻?qū)η€進(jìn)行調(diào)整，只有滿足曲線光順, 曲面才能光順, 曲面與三角網(wǎng)格的吻合精度也主要靠曲線中關(guān)鍵特征線的提取和創(chuàng)建精度來保證的。這樣得到了特征線，對區(qū)域進(jìn)行了劃分，如圖3 所示。

圖3 特征線提取

根據(jù)曲面的光順和精度要求來修改曲面的類型。曲面的3 種主流類型為Spline，Bspline 和Bézier。Spline 曲面是缺省的曲面類型，它只能控制段數(shù)量。此類型增加點的數(shù)量可以獲得更好的擬合和投影效果，并更好地匹配位置約束和相切約束，所以對于圓角，選擇這種類型比較好。Bézier 曲面只能控制擬合程度，提高擬合程度可增加擬合效果。此曲面類型不適合受限曲面，這種曲面類型可以獲得最佳的曲面質(zhì)量，因此對于光滑大曲面使用此類型。Bspline 曲面可以同時控制擬合程度和段數(shù)量。指定的擬合程度越低、段數(shù)量越多，曲面就更類似于Spline 曲面。指定的擬合程度越高，段數(shù)量越少，曲面就更類似于 Bézier 曲面。

在重新造型時，葉身使用了Bézier 曲面類型，在邊界圓角處，使用Spline 曲面類型造型。曲面重建的葉片CAD 模型如圖4 所示。

圖4 葉片曲面CAD 模型

4 精度與光順性校檢

重構(gòu)出的曲面要檢測它的光順性和精度。光順性，可以用高斯曲率來衡量，對于精度可以用對小平面偏差來確定。

如圖5、圖6 所示，葉背與葉盆的曲率分布變化平緩，沒有突凸或突凹，符合實物葉片曲率變化的規(guī)律，看出曲面還是比較光順的。

設(shè)定曲面的最大偏差為0.05mm。如圖7、圖8 所示，在三角網(wǎng)格模型的葉背和葉盆上分別均勻的取6 個小平面頂點。隱藏網(wǎng)格模型，進(jìn)行偏差分析。得到葉背型面的最小偏差為0.0016mm，最大偏差為0.0253mm，葉盆型面的最小偏差為0.0001mm，最大偏差為 0.0046mm。偏差在0.05mm 以內(nèi)，得到的風(fēng)扇葉片是滿足精度要求的。

圖5 葉背型面高斯曲率分析

圖6 葉盆型面高斯曲率分析

圖7 葉背型面偏差分析

圖8 葉盆型面偏差分析

5 CAD 模型建立

建立基準(zhǔn)平面和中心線。利用三角網(wǎng)格和中心線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作得到內(nèi)外圈的旋轉(zhuǎn)實體。葉片實體化，對葉片做選擇性粘貼和陣列得到完整的風(fēng)扇實體。如圖9 所示。

圖9 重構(gòu)的風(fēng)扇CAD 模型

6 結(jié) 論

本文在逆向工程設(shè)計思想的指導(dǎo)下，對汽車發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片三維實體建模中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。在Pro/E 三維造型平臺上完成了風(fēng)扇三維實體造型和葉身光順度以及精度的檢測。實踐表明, 采用反求工程技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜外型零件反求設(shè)計，是一種切實可行的方法, 它提高了設(shè)計的質(zhì)量與精度, 大大減少了設(shè)計時間。

[1] 王 霄. 逆向工程及其應(yīng)用[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004. 1-6.

[2] 金 濤, 童水光, 等. 逆向工程技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2003. 1-4.

[3] 李 根, 陳志楊, 張三元, 等. 網(wǎng)格曲面中復(fù)雜孔洞的自動修補(bǔ)算法[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報, 2007, 41(3): 407-411.

[4] 呂 震, 柯映林, 孫 慶, 等. 反求工程中過渡曲面特征提取算法研究[J]. 計算機(jī)集成制造系統(tǒng)——CIMS, 2003, 9(2): 154-157.