發電汽輪機葉片的高精度測量與逆向建模方法

史云玲,劉　剛,趙　燦,魏喜雯

(1.黑龍江工業學院 電氣與信息工程系，黑龍江 雞西158100；　2.哈爾濱工程大學 自動化學院，黑龍江 哈爾濱　150001；

3.黑龍江科技大學 現代加工制造中心，黑龍江 哈爾濱　150022)

發電汽輪機葉片的高精度測量與逆向建模方法

史云玲1，2,劉剛1,趙燦3,魏喜雯1

(1.黑龍江工業學院 電氣與信息工程系，黑龍江 雞西158100；2.哈爾濱工程大學 自動化學院，黑龍江 哈爾濱150001；

3.黑龍江科技大學 現代加工制造中心，黑龍江 哈爾濱150022)

摘要：提出了發電汽輪機葉片高精度測量與逆向建模的方法，進而解決了復雜自由曲面葉片難測量和難修復的問題。首先利用葉片測量專機對發電汽輪機葉片進行高精度測量，此種測量方式省去了噴粉和貼標識點等步驟，借助轉臺可以對葉片進行多角度旋轉，所以測量步驟相對簡單、便捷并且精度較高。然后用Catia軟件對測得數據進行逆向建模，為了提高葉片逆向建模精度，提出了葉片單線精度調節逆向建模法，最后利用檢測專用軟件Geomagic qualify進行精度對比分析，進一步驗證了此種測量和建模方法的精確度和可行性。

關鍵詞：發電汽輪機葉片；高精度測量；逆向建模

發電汽輪機葉片是發電設備中的靈魂部件，承擔著蒸汽能轉換為機械能的主要任務。葉片質量是整臺汽輪機能否高效率運轉的重要指標之一，葉片的形狀誤差直接影響著汽輪機能量轉換的效率。因此葉片的高精度測量檢測和逆向建模技術已成為科研人員們一直關注的首要問題。[1]發電汽輪機葉片由于其描述的參數眾多，從葉頂到葉根每個截面型線的弦長、扭角、翼型都不同，而葉片標準翼型有限，相對厚度通常為18%、21%、25%、30%、35%、40%，基于葉片型面扭曲、曲率復雜且后緣處非常薄等特點，[2]當其損壞時測量和修復難度就會加大，國內外大多數三維掃描測量儀均不能對其進行精確測量，即使有完整的葉片點云數據，也很難對其進行高精度建模，針對這些瓶頸性難題本文提出了一種新式的發電汽輪機葉片測量和建模的方法，本文首先利用黑龍江科技學院自行研發的葉片測量專機對葉片進行測量，此葉片測量專機主要是為了測量復雜自由曲面葉片而設計，所以能對一些復雜葉片進行完整測量，技術核心在于機器通過對轉臺進行精確標定后，再對葉片的信息進行完整提取。對提取后的點云數據，本文利用Catia軟件對其進行逆向建模，此種建模方法的精髓在于它每條線的精度都是事先調節和比對好的，這樣可以提高葉面擬合時的平滑度和精確度。此種方法在葉片建模中首次被提出，筆者給其起名為葉片單線精度調節逆向建模法。為了驗證此種方法的實用性和準確性，本文最后利用業界比較權威的檢測軟件Geomagic qualify，對測量專機提取出的點云數據逆向建模后的葉片模型與原始數據擬合后的點云模型進行對比和分析，進一步驗證此種測量和建模方法的精確性和實用性。

1發電汽輪機葉片三維點云數據提取

1.1 發電汽輪機葉片模型概述。

本文選用的發電汽輪機葉片是由哈爾濱汽輪機廠提供的，整個葉片的高度在0.5m左右(除去榫頭)，葉面曲率復雜多變，后緣最薄處小于1mm，最厚處不超過2mm，葉片的剖面圖如圖1所示。

圖1　葉片剖面圖Fig.1　Sectional view of the blade

1.2 葉片測量專機簡介。

本文使用的葉片測量專機是由一套光柵投射系統、兩臺高性能工業CCD攝像機、一臺計算機、一塊標定板和一套運動控制平臺五個部分所組成，整個設備外形如圖2所示。

1.3 測量步驟和結果。

三維掃描測量設備對光很敏感，所以在進行高精度測量前需要在被測物體上均勻地噴撒一層顯像劑，此發電汽輪機葉片為反光物體，所以在測量前需要對其進行噴粉。將噴粉后的葉片通過固定裝置固定在轉臺上，啟動計算機進入WIN3D測量系統，利用標定板對測量系統進行標定，此標定是為了實現兩個高性能工業CCD攝像機實際坐標系和世界坐標系的統一，標定成功后我們需要對此測量系統進行二次標定，此次標定是為了實現兩個高性能工業CCD攝像機與轉臺之間坐標系的統一，標定成功后，便可對發電汽輪機葉片進行測量。整個測量步驟的工作流程為：對葉片進行噴粉—啟動測量系統 —給系統進行標定—對轉臺進行標定—開始測量。

圖2　測量設備圖Fig.2　Measuring equipment figure

葉片測量專機對復雜自由曲面物體進行測量時不僅精度會提高而且還可以簡化測量步驟，利用普通三維掃描測量儀測量時需要在葉片上邊粘貼標志點并對葉片進行多角度移動，葉片測量專機運動控制平臺已經被標定，所以測量時只需要控制運動平臺的轉向便可以實現葉片的多角度無標識點粘貼測量，圖3中給出了測量后的點云數據用Catia擬合后的模型。實驗證明此種測量方式不僅可以快速提取出葉片表面三維信息還能保證葉片后緣薄壁處的完整性。

圖3　Catia軟件擬合后的三維點云模型圖Fig.3　3D point cloud model of Catia fitting

2用Catia軟件進行單線精度調節逆向建模

提取出點云數據后，可以利用Catia軟件對其進行逆向建模，Catia軟件的優勢在于，它可以在沒有原始數模的前提下，對測量出來的點云數據進行建模。從而逆推出原始物體的形態。并可以根據需求和產品性能再次對產品進行修復或者改造。本文在Catia軟件這一性能的基礎之上，提出了一種適合發電汽輪機葉片的高精度測量方法，即葉片單線精度調節逆向建模法。

正、逆向建模出來的同一物體猶如一對孿生姐妹，建模思想上雖然可以互相借鑒，但建模方式卻大不相同。進行逆向建模前需要從發電汽輪機葉片正向建模思想入手，首先提取出發電汽輪機葉片的截面線，并對截面線進行單線精度調節從而保證整個葉面的精度，再根據葉面曲率走向調節閉合點的位置，從而避免利用多截面曲線進行鋪面時葉型扭曲，具體建模步驟如下：

(1)擬合點云模型。將掃描好的點云數據通過Catia軟件中DSE模塊下的Import命令導入，然后利用Mesh Creation命令生成三維點云網格面。

(2)提取截面線。擬合為三角面片的葉片操數截面線可以利用DSE中的Planar Sections命令，通過平面與葉片操數相交線進行提取。

(3)3D曲線繪制。提取后的曲線是葉片操數上的曲線，并不是三維空間里的曲線，在提取完曲線后需要將其轉化為三維空間曲線，才可用于后續建模。曲線是曲面重構的關鍵所在,曲線的光順程度和與提取線距離值的大小,直接關系重構曲面的光順度和精度。傳統的曲線建立方式，如直接使用DSE模塊下的Curve from Scan命令進行曲線提取，或者用3D曲線繪制等構建出來的曲線不能滿足葉片截面線曲率多變且葉面精度高的要求。為解決這一難題，本文作者在經過大量建模實驗后，提出了一種適合發電汽輪機葉片的單線精度調節逆向建模法。此種方法的主要思想是先用3D曲線繪制出已提取截面線的線型，并對繪制曲線進行箭狀曲率分析和距離檢測，然后根據檢測精度大小對曲線上每個點相對提取線的距離進行調整，并將其控制在±0.05mm以內，如圖4所示，調節后曲線的質量和精度都有所提高，為葉片曲面重構提供了有利條件。

圖4　單線精度調節對比圖Fig.4　Single-line precision adjusting comparison chart

(4)構建曲面。利用GSD模塊里的多截面曲面命令對調節好的截面線進行鋪面，這里需要注意的是葉型變化明顯處截面線的閉合點應隨著葉型的走向進行調節，否則將會導致鋪面失敗或者葉型曲面扭曲，圖5為逆向建模后的葉片模型。

圖5　逆向建模后的葉片模型Fig.5　The reverse modeling blade model

3利用Geomagic Qualify軟件進行比對檢測

3.1軟件介紹。

Geomagic Qualify軟件是Geomagic公司出品的一款逆向校核軟件，此軟件不僅可以對產品的計算機輔助設計 (CAD) 模型和產品制造件之間的差異進行快速檢測，還有專門的葉片檢測分析模塊Geomagic Blade，可自動生成格式化報告，[3]現已被廣泛應用于測量和制造領域。介于以上優點本文將選擇此軟件進行比對檢測。

3.2模型匹配。

分別將葉片三維掃描擬合后的點云模型和利用Catia軟件建模好的葉片模型導入到Geomagic Qualify中進行測試比對。Geomagic Qualify軟件中的“最佳擬合對齊” 便可實現此功能。[4]葉片測量模型與建模模型的基準是在不同模式下實現的，所以在進行比對之前需要將兩個模型的基準進行統一。此處我們選擇三維掃描擬合后的點云模型作為參考模型，利用Catia軟件建模后的葉片模型為測試模型。兩個模型的坐標系對齊的理論基礎是全局優化模式下的最小二乘擬合算法。空間所有點的誤差和最小是該算法的基本思想。所以它以葉片模型的原始擬合數據為參考模型的坐標系，也可稱為比對的基準,按照一定的規則變換,不斷計算相應關系下逆向建模后的葉片模型相對原始數據模型的誤差，并將所有誤差求和,直至所有對應關系下的建模后葉片測量點誤差和都被計算出,便可得到最小的模型數據誤差和,進而確定該模式對應的坐標系關系，即實現了葉片測量模型與建模模型的最佳匹配。[5]

3.3建模葉片對比誤差分析結果。

運用軟件功能中的“3D比較”，實現三維掃描擬合后的點云模型和利用Catia軟件建模后的葉片模型比對，通過自動生成的顏色偏差圖實現三維數據的精確度統計分析。分析和比對結果如圖6所示。圖中綠色部分精度最高，誤差度幾乎為0，紅色和藍色區域誤差度最大接近于1mm，但從整體來看誤差平均控制在-0.384-0.428mm之間，即在0.5mm以下，實現了葉片的高精度測量和建模的要求。

4結論

本文針對發電汽輪機葉片曲面復雜多變且后遠處薄的特點，利用葉片測量專機完整地測出了葉片的輪廓信息，并首次提出了適合薄壁、多曲率葉片的Catia軟件單線精度調節逆向建模法。利用三維模型檢測專用軟件Geomagic qualify對擬合后的點云模型和建模好的葉片模型進行比對和分析，通過比對結果分析報告，進一步驗證了葉片單線精度調節逆向建模法的精確度和可行性性。本方法不僅適用于發電汽輪機葉片，對多種復雜自由曲面物體的建模都有一定的實用性，可以廣泛應用和推廣，本文對整個復雜自由曲面物體的測量和建模技術注入了新的思想，具有一定的推動作用。

圖6　Geomagic Qualify精度對比驗證圖Fig.6　Geomagic Qualify accuracy comparison chart

參考文獻

[1]文懷興，上燕燕，李新博. 發動機葉片的反求設計和檢測分析[J]．機械設計與制造，2014，7(26)：94-96.

[2]陳廣華.風力發電機組葉片振動無線檢測系統[J]．電子技術應用，2012，38(5)：80-83.

[3]陳裕芹.反求工程在發動機葉片檢測中的應用研究[D]．廣州：廣東工業大學，2011.

[4]于之靖，宋四同，王濤，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.

[5]成思源，吳問霆，楊雪榮.基于Geomagic Studio的快速曲面重建[J].現代制造工程，2011(1)： 8-12.

Class No.:TP274Document Mark：A

(責任編輯：宋瑞斌)

A Method for High Precision Measuring and Reverse Modeling of Power Generation Turbine Blade

Shi Yunling，Liu Gang ，Zhao Can，Wei Xiwen

1.Electrical and Information Engineering Department, Heilongjiang University of Technology,jixi, Heilongjiang 158100, China;2.School of Automation, Harbin Engineering University, Harbin, Heilongjiang 150001, China;3.Modern Manufacture Engineering Center, Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin, Heilongjiang 150022, China)

Abstract：This paper presents a precision measuring and reverse modeling method of power generation turbine blade, which can solve the problem of difficult measurement and repair of the complex free surface. The precision measurement of the power generation turbine blade is carried out by using the blade measuring machine, which saves the spray powder and stick the steps such as marking points, with the help of a turntable can be carried out on the blade rotation angles, so the measurement procedure is relatively simple, convenient and high-precision. Then using Catia software to reverse modeling of measured data, in order to improve the accuracy of blade reverse modeling, the author puts forward the method of the single blade precision adjustment reverse modeling, and use specialized software Geomagic qualify to compare and analyze the precision and further verify the feasibility and the accuracy of the measurement and modeling method.

Key words：power generation turbine blade；high precision measuring；reverse modeling

中圖分類號：TP274

文獻標識碼：A

文章編號：1672-6758(2016)02-0033-3

基金項目：國家科技重大專項項目(2020ZX04016-012)；博士后研究人員落戶黑龍江科研啟動資助項目(LBH-Q12019)。

作者簡介：史云玲，助教，黑龍江工業學院電氣與信息工程系；在讀博士，哈爾濱工程大學自動化學院。研究方向：控制科學與工程，電氣應用，逆向工程。