軸流風機葉片反求與特征參數提取

唐 健，張惟斌，張 偉

(1.西華大學能源與動力工程學院，四川 成都 610039;2.西華大學流體及動力機械教育部重點實驗室，四川 成都 610039)

0 引言

軸流風機具有結構緊湊、壓頭高、流量大且反風性能優良等特點，被廣泛應用于礦山行業的安全通風和地鐵或者隧道施工相關領域的通風工程中。軸流風機葉片是保證軸流風機工作效率的核心部件，其幾何型面形狀復雜，具有扭曲和不規則形性，使得葉片的造型方法一直成為人們研究的熱點和難點。風機葉片傳統的開發一般過程包括空氣動力學及幾何設計、試驗模型設計、結構計算分析、模型制造、模型試驗驗證等多個環節，整個研發周期長，研發成本高，已經很難滿足激烈的市場競爭需要。實際運行中葉身極易損壞，其腐蝕斷裂后的三維模型不易獲得，毀傷評估困難。反求技術(Reverse Engineering)作為一種根據測量數據重構實物三維CAD模型的方法，已成為解決這些問題的主要手段。

目前風機葉片正向設計參數化建模方法主要是通過樣條曲線建立截面翼型曲線，用掃掠的截面線的方法建立三維實體模型，此外也有通過點、曲線組、曲線網格的方法建立葉片的三維模型。然而由于風機葉片是空間三維扭曲的雕塑曲面，其葉片截面參數提取有一定困難。于之靖、宋四同、王濤等人利用三次B樣條對航空發動機邊界點云擬合得到包絡線，再利用包絡線和點云重建了具有良好精度性和光順性的數字化三維模型［1］。Mohaghegh.K，Sadeghi.H，Abdullah.A等人采用的分割匹配SCFA(Segmentation and Constrained Fitting Algorithm)方法捕捉設計的關鍵點，通過7段圓弧擬合渦輪截面線，從而還原燃氣渦輪葉片的原始設計意圖，但對于準確地提取相關特征參數卻有一定的局限性［2］。本文在逆向工程的基礎上，利用快速曲面重構方法反求出某軸流風機的三維葉片實體模型，基于Matlab軟件采用三次樣條插值擬合葉片葉身型線，獲取葉型幾何參數，通過分析可知采用此方法重構的葉片模型很好的兼顧了模型重構精度和葉片光順性。

1 點云數據采集與處理

數據采集是逆向工程的第一個步驟，高效、高精度地獲取實物模型表面數據是反求工程實現的基礎和關鍵技術之一，數據采集的好壞將直接影響到重構模型的優劣。

1.1 點云數據采集

目前實物模型的數字化，實現測量的方法主要有接觸式和非接觸式兩種。傳統葉輪類零部件三維數據采集技術多采用接觸式測量法，通過三坐標測量機測量葉輪、葉片等復雜曲面其精度高，但測量之前需要進行復雜的測量路徑規劃，實物數字化周期長;工業CT掃描法可較方便的測量狹窄流道區域，能夠保證整個葉片幾何型面測量的完整性，但精度較低、測量速度慢，成本很高［3］。軸流風機葉片是全開放式的葉片，點云數據采集較半開式或閉式葉輪葉片方便，本文采用Creaform公司推出的一款自定位且便攜的三維激光掃描儀HandyScan 3D對該風機葉片進行測量，該激光掃描儀的詳細參數為:質量1.27 kg;尺寸172 mm×260 mm×216 mm;掃描速度18 000次/s;鏡深(掃描)300 mm;容量精確20 μm/m;精度0.05 mm;ISO(CCD的感光度)20+0.2/1000 L;激光安全等級Ⅱ(人眼安全)。

軸流風機葉片表面為非結構化、空間扭曲的自由曲面，為了保證最終構建的風機葉片模型能準確反映風機的空氣動力性能和提高測量效率。首先，對葉片進行清洗，確保采集的點云數據準確可靠;在葉片的進出口邊噴施著色劑增強模型表面漫反射，保證采集點云數據的完整性;其中葉片的正背面、底部貼適當數量直徑為5 mm黑白色圓形定位點，用以在不同角度下對葉片進行全數據采集;針對葉片的進氣邊和出氣邊厚度小，反光效果差的問題，在葉片的進、出口邊進行一定數量的磁鐵布置，進行添加標記點，使葉片進、出口邊與磁鐵標記點成為相關聯的定位數據點，以實現整體掃描。

掃描過程遵循“先整體、后局部”的原則［4］獲取整體結構大部分數據，再進行細節區域全方位、充分的采集。在葉片的進、出口邊由于該區域狹窄，且對葉片的氣動性能影響較大，因此在對此區域掃描時應停留較長的時間，以獲取較多較好的點云數據。

1.2 點云數據處理

實物模型經過測量獲得的數據是大量的離散數據。測量過程中的一些不利因素，使得獲得的測量數據的性態不是很理想，如存在一些噪聲點、空洞、數據匹配問題等。本文測量的風機現場工作場地為煉鋼廠，受溫度、粉塵以及輔助平面等影響在采集過程中不可避免產生噪聲點。由于輔助平面等非測量目標形成的噪聲點較明顯，采用人工交互手段直接刪除即可;對于一些在空間上孤立于掃描目標的噪聲點，則利用弦高差方法進行刪除;刪除后留下的一些葉片曲面空洞采用基于曲率的修補方式進行數據修補。

此外，由于不是所有測量數據都對模型重構起作用，反而大量數據會對計算機存儲和處理造成資源浪費問題。本文在對葉片點云數據進行刪除及修補后，采用高斯濾波法對葉片表面的點云數據進行了高斯濾波和光順處理，在保證重構精度前提下對光順后的點云數據進行了精簡得到符合重構要求的風機葉片點云數據，如圖1所示。

2 三維模型重構

目前，用于工程實際中的曲面重構方法主要有:基于“點—線—面”、“點—三角形網格—曲面片—曲面”、“點—多面體”的曲面重構［5］?；谌蔷W格的曲面重構是一種快速曲面重構方法，它可以直接通過點云數據形成三角化網格，直接進行曲面擬合。但是，該方法在一些特征細節處理方面效果并不好，三角形網格是根據相鄰點云數據形成的，形成的三角化網格過程無法保證過渡區域的準確特征。針對葉片零件的反求設計，基于“點—線—面”的傳統曲面重構方法所重構出的風機葉片能較好的反應葉片的特征。為了較好的保證反求出風機的葉片具有較好氣動性能，本文采用對葉片葉身截面線進行相關曲線的參數化編輯，以保證整體葉片的光順性。

圖1 點云數據處理后的風機葉片

2.1 點云分塊

對葉片點云數據進行曲面擬合時，往往很難實現曲面的整體擬合，尤其是在葉片曲率大、幾何特征不一致變化大的地方。因此這就需要對葉片點云進行分塊處理，為擬合曲面做準備，根據風機葉片自身的特點分為葉身和近輪轂2個部分。

2.2 葉片截面線獲取

葉片可由多個截面疊積而成，各個截面弦長基本相等，但各截面所處的角度位置不同，截面間是逐步扭動的，這一特征在某種程度反映了葉片的構造遵循氣體流動變化的情況，總體呈流線型，為了體現出完整的葉片扭轉趨勢，本文根據扭轉角度均分原則進行截距劃分。針對風機葉片的實際情況，采用切片法獲得葉片的各截面。通過切片法得到的葉片截面，由于靠近葉根和葉頂處的截面型線不好，所以需要對所獲取的截面線做進一步處理，葉根附近截面通過插值來重新得出葉型數據。

2.3 葉片截面線數據分段及擬合

2.3.1 葉片截面線數據分段

每一個截面曲線都代表著曲面的幾何形狀特征。點云分段是編輯曲線的基礎，只有準確了解曲線構成元素，才可以正確的進行整條曲線的約束施加及后續求解計算。因此，本文研究的風機葉片曲面復雜，在曲面重構時需對代表各個曲面曲線進行分段處理來更好的擬合風機葉片各截面線。

根據風機葉片自身特點，對風機葉片葉型截面分為曲線和圓弧分段，將葉身截面分為葉盆、葉背、前緣和后緣四個部分［6］，如圖2所示，利用它們之間的連續性及它們與點云之間的偏差這兩方面進行曲線擬合，并生成參數化的直線和圓弧。

圖2 葉片橫截面點云劃分

2.3.2 葉片截面線數據擬合及曲面生成

根據截面線點云分類，將葉片的葉盆、葉背、前緣和后緣4個部分，分別存儲為坐標數據文件，葉片截面坐標劃分參數如圖3所示。

圖3 葉片截面坐標參數劃分

利用Matlab軟件對該截面葉盆、葉背坐標數據進行擬合三次樣條差值擬合并繪制擬合曲線及擬合誤差分析，如圖4、5所示。從圖4、5中可以看出葉盆和葉背擬合函數在它的一階、二階導數連續，整條曲線具有很好的光滑性且誤差較小，能夠滿足設計要求。同理利用此方法對葉片前、后緣的點云數據進行圓弧擬合，其中前緣擬合圓弧半徑為4.367 1 mm，擬合的最大偏差為0.020 7 mm。后緣擬合圓弧半徑為1.941 2 mm，擬合的最大偏差為0.008 6 mm。前后緣擬合的圓弧偏差很小，能夠滿足要求。

通過以上三次樣條擬合的葉盆、葉背曲線及采用圓弧方式擬合的葉緣如何將它們連接到一起成了一個重要問題，如果連接不好難以保證重要截面特征線的精度要求，可能丟失原有設計特征，如平行，相切，垂直等特征約束關系。因此還需要對其進行相關的約束，二維草圖約束主要內容為一個平面上點、直線、圓弧、樣條曲線幾何位置關系，其約束類型可分為單個圖元自身約束，兩個元圖之間的約束，三個元圖的約束，根據葉片的特征采用兩個元圖約束。

圖4 葉盆、葉背曲線擬合

考慮兩個元圖約束，即直線與圓弧線相切、圓弧與圓弧相切［7］。在葉身截面曲線中，前后緣對應兩段圓弧與葉盆、葉背曲線的相切約束對葉片的氣動性能有著重要的影響，因此對其圓弧和曲線進行相切約束。

同理對其余截面線首先進行分段，分別采用三次樣條差值擬合葉盆、葉背曲線，用圓弧擬合前后緣，擬合后對各截面采用元圖約束進行約束，約束后截面線如圖6a所示，采用樣條曲線將各個截面線連接起來，構造出葉片的曲面網格，通過曲面網格構造出的葉片曲面平滑光順，如圖6b所示。

3 葉片特征參數提取

圖5 葉盆、葉背曲線擬合誤差分析

圖6 曲線擬合后的風機葉片及反求出的CAD模型

通過以上方法得到了葉型的設計參數包括:前緣半徑=4.32 mm，后緣半徑=1.94 mm，結構進口角=14.9，結構出口角 =72.5，葉型弦長 =178.42 mm，最大厚度 =15.00 mm，氣流轉折角 =92.6°。

4 結論

(1)針對具有復雜曲面的葉片類零件，提出了一種利用激光三維掃描儀采集葉片點云數據的方法。結合軸流風機葉片的結構特點，采用“先整體、后局部”的思路進行葉片數據采集，對于葉緣部分采集率偏低的問題，通過添加輔助平面的方法提高數據采集效率。

(2)根據激光掃描儀獲取的點云原始數據，提出了一種采用三次樣條差值方式擬合葉身型線、圓弧擬合前后緣的方法，準確提取出了軸流風機葉片葉身參數，還原了原始設計意圖和原始設計參數，并對葉身截面線進行約束關系處理，保證了葉片的氣動幾何設計要求。

(3)采用此方法對風機進行模型重構可對反求的風機葉片進行快速優化設計，這樣大大縮短了產品的研發周期，節約產品的研發成本。

［1］于之靖，宋四同，王浩，等.基于逆向工程的航空發動機葉片數字化建模［J］.機床與液壓，2011，39(17):122-125.

［2］ MOHAGHEGH K，SADEGHI M H，ABDULLAH A.Reverse engineering of turbine blades based on design intent［J］.International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2007，32(9):1009-1020.

［3］成思源，謝韶旺.Geomagic studio逆向工程技術及應用［M］.北京:清華大學出版社，2010.

［4］藺小軍，單晨偉，王增強，等.航空發動機葉片型面三坐標測量機測量技術［J］.計算機集成制造系統，2012，18(1):125-131.

［5］宋威，賴喜德，李廣府，等.基于激光掃描的軸流壓縮機葉片反求技術探討［J］.熱能動力工程，2013，28(5):455-460.

［6］何元新.基于PRO/E的軸流風機葉片建模技術研究［J］.風機技術，2013(5):59-61.

［7］徐浩，朱益紅，韓建景.一種新型小型風力發電機葉片建模方法研究［J］.電氣制造，2011(5):46-49.

［8］閆磊，崔研.基于UG與MATLAB的風機葉片建模方法研究［J］.機械工程與自動化，2012(2):32-34.