潛水泵葉片逆向工程解決方法研究

尤 寶 羅 亮 姚長江 李春合

(洛陽雙瑞特種裝備有限公司)

潛水泵葉片逆向工程解決方法研究

尤 寶 羅 亮 姚長江 李春合

(洛陽雙瑞特種裝備有限公司)

通過對潛水泵導流殼和葉輪葉片的結(jié)構(gòu)分析，論證了傳統(tǒng)測量方法的可行性后，結(jié)合現(xiàn)有的三坐標儀，創(chuàng)新性地提出了葉片的逆向工程測量方案與測量數(shù)據(jù)的后處理方案，實現(xiàn)了在現(xiàn)有檢測設備基礎上的快速測量與基于PRO/E軟件的數(shù)據(jù)處理，成功完成了本次潛水泵葉片的測繪與建模。

潛水泵 葉片 曲面 逆向工程 PRO/E

在日常的生產(chǎn)生活中，會碰到很多性能優(yōu)異的泵產(chǎn)品，而泵設計的重點集中體現(xiàn)在泵葉片的水力設計，如何獲得準確的葉片模型，一直是優(yōu)異泵產(chǎn)品逆向工程中的難題。目前國外水泵設計方法與理論較國內(nèi)更加完善與精確，所以通過研究國外高效泵來快速提升國內(nèi)泵的效率，也是國內(nèi)泵設計與發(fā)展的一個捷徑[1]。筆者通過對潛水泵的結(jié)構(gòu)分析，論證了傳統(tǒng)逆向工程測繪的可行性，并基于現(xiàn)有便攜式三坐標儀制定了葉片的測量方法和測量數(shù)據(jù)的處理方法，最終得到葉片的三維模型。

1 測繪方法的確定

本次測量的潛水泵葉輪、導流殼葉片的扭曲度均較大，如圖1所示。其中葉輪為閉式葉輪，外徑只有238mm，7片均布于葉輪前后蓋板的流道中；導流殼直徑為335mm，7個葉片分布在軸向方向只有250mm的流道內(nèi)，導致葉片所處空間狹小。在空間結(jié)構(gòu)上，葉輪葉片之間流道進出口空間大，葉片中間型腔小，形成了空間扭曲的“面對面的喇叭口”；而導流殼相反，形成了空間扭曲的“背對背的喇叭口”狀，這給葉片的后續(xù)測量帶來了很大難度。

圖1 潛水泵葉輪與導流殼

1.1 傳統(tǒng)逆向工程方法

泵行業(yè)經(jīng)過多年的發(fā)展，目前也已形成幾種曲面葉片的測繪方法，如石蠟法造型、石膏法造型及鉛條法造型等。其主要原理為：用造型材料塞入葉輪周圍型腔中擠壓形成葉片形狀(工作面與背面分別造型)，然后取出葉片造型，經(jīng)修整好后，再將它按照實際空間位置擺好，利用自制專用夾具與測量工具進行測繪。

傳統(tǒng)逆向測量方法存在的問題包括模型的取出和葉片空間位置的還原。

傳統(tǒng)的造型方法使用造型材料貼于葉片曲面表面，等自然風干或烘干后取出。選擇的造型材料、脫模劑和葉片所處的空間位置直接決定了模型能否成功而完好地取出，并且葉片表面不發(fā)生變形，真實反映葉片的實際曲面型線。

完好取出葉片模型以后，要完成對葉片空間位置的還原。這就需要準確測量葉片的實際空間進出口夾角、葉片的包角和在軸面的定位尺寸，最后將葉片放在用車床車好的后蓋板木胎模具上進行定位。由于依靠傳統(tǒng)測量工具很難準確測量上述3個定位尺寸，因此葉片的實際空間位置還原幾乎無法做到，該環(huán)節(jié)也是引入葉片測繪誤差最大的環(huán)節(jié)。

鑒于以上傳統(tǒng)逆向工程測量方法存在的問題，結(jié)合目前潛水泵的特點，所完成的葉片模型不是不能完整取出，就是不能形成一個完整的整體，造型基本無法完成，同時考慮到造型過程中所帶來的誤差，從根本上無法完成泵葉片的準確測繪工作。為了更好、更快、更準確地完成本次測繪工作，需要打破傳統(tǒng)方法另辟蹊徑，借助先進設備來完成此項工作。

1.2 先進逆向工程方法

與傳統(tǒng)的測繪方法相比，依托先進設備來進行工業(yè)曲面的逆向造型法在近年已得到了快速發(fā)展。通過測量前儀器自身空間坐標系的確定，使測量數(shù)據(jù)準確反映被測物的空間位置，避免了傳統(tǒng)測量方法中模型的空間位置擺放問題，同時測量數(shù)據(jù)準確度高，效率也能得到很大提高。

目前國內(nèi)常見的逆向測繪方法主要有兩種：接觸式數(shù)據(jù)測繪方法與非接觸式數(shù)據(jù)測量方法。非接觸式數(shù)據(jù)測量顧名思義為不接觸所測物體表面，就完成數(shù)據(jù)的采集與提取，主要原理是依靠光學反射來進行測繪工作，目前常用的設備有激光測量儀、工業(yè)CT等光學測量儀；接觸式測量儀需要用測量探頭對測量物表面進行擠壓，將擠壓信號傳輸回處理系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的采集，典型代表設備為三坐標儀。

由于本次測量葉片所處空間狹小，葉片大部分曲面光線無法照射到，所以非接觸式測量法無法實施，而對于接觸式測量方法而言，只要三坐標儀測量桿足夠細、足夠長，就可以探到葉片所處內(nèi)部空間，完成葉片表面數(shù)據(jù)的采集工作。通過對現(xiàn)有逆向工程測量設備的調(diào)研和對比分析，同時便于提升未來逆向工程的測量與處理能力，合理使用現(xiàn)有設備資源，最終確定使用手持式三坐標儀來完成本次測繪工作。本次使用的三坐標儀是一臺小型手持式三坐標儀，最小探頭直徑為3mm，探頭桿長250mm，桿直徑18mm，測量范圍為軸向1.2m、徑向0.6m?？梢酝瓿蓪Ρ砻娴闹瘘c捕捉，最高測量速度可達8m/min，測量精度最小約0.5μm。完全可以滿足測量精度的要求，通過實際現(xiàn)場模擬，可準確完成葉片四分之三的測量工作，后續(xù)四分之一工作可由軟件來處理完成。

手持式三坐標儀對周圍測量環(huán)境與操作者的要求較高，首先，要準確給出測量頭的掃描軌跡；其次，要求三坐標操作人員能夠準確地將探頭擠壓到需要測量的軌跡上；再次，根據(jù)測量軌跡的長短，要做到每隔1mm均勻取值，同時要求操作者能夠準確識別特殊點并完成特殊點的獲取。

由于現(xiàn)有三坐標操作人員從未從事過空間扭曲葉片的測繪工作，平時只是對個別公差尺寸進行檢測，而本次潛水泵葉片的測繪工作量大，僅葉片一個工作面測量數(shù)據(jù)點就多達一百個以上，長時間手持測量臂，勞動強度大，測量的誤差也逐步增大，通過實際試驗測量發(fā)現(xiàn)部分尺寸最大誤差達4～5mm；同時，葉片空間位置復雜，需要從葉片進出口兩邊進行測量取值，需要不斷調(diào)整葉輪與導流殼的擺放位置，因此，測量工作需要三坐標操作者在測前不斷反復地進行試驗與模擬測量。

結(jié)合潛水泵的實際尺寸，利用國產(chǎn)潛水泵葉輪與導流殼成品進行劃線分析模擬，同時三坐標操作人員完成了潛水泵測量工作前的練習，通過前期測量模擬獲得一定的操作經(jīng)驗與分析能力。最終只用一天就完成了數(shù)據(jù)的測量提取。

1.3 測量數(shù)據(jù)的后處理

測量數(shù)據(jù)的處理是逆向工程中的核心工作。手持式三坐標儀的測量數(shù)據(jù)有以下特點：

a. 測量數(shù)據(jù)多。為獲得更多有用的測量點，三坐標儀在測量過程中需要盡可能多地獲取被測表面數(shù)據(jù)點，以完成準確測量點的篩選，完成曲面的造型。在潛水泵葉片的測繪過程中，僅一個葉片的測量點就多達三百多個，加上前后蓋板曲線的測繪點，總的測量數(shù)據(jù)點多達750個。

b. 誤差大。由于采用手持式三坐標儀進行測量，操作者的手稍有抖動，測量的誤差范圍就達4～5mm，并且隨著測量工作的持續(xù)，勞動強度的增大，后續(xù)測量點的誤差也逐漸增大。

c. 測量數(shù)據(jù)殘缺多。對于閉式葉輪葉片與導流殼葉片，三坐標測量獲取數(shù)據(jù)殘缺不全，由于潛水泵測量空間較小，形成的三維模型殘缺較多。

測量數(shù)據(jù)后續(xù)處理難點：

a. 測量數(shù)據(jù)點的甄別。對于總數(shù)多達七百多個的空間數(shù)據(jù)點，轉(zhuǎn)化為獨立數(shù)據(jù)數(shù)量可達兩千多個，如何甄別有效測量點、去除干擾噪聲點，是數(shù)據(jù)處理過程中的難點。傳統(tǒng)的處理方法是對測量數(shù)據(jù)進行一一對比分析，弊端是工作量較大，用時較長。

b. 曲線的光順處理。

c. 曲面的修補與光順處理。

d. 模型與葉輪、導流殼水力學模型之間的轉(zhuǎn)化。

測量數(shù)據(jù)點形成的模型與測量實物模型之間的誤差，需要結(jié)合潛水泵設計理論來完成水力設計的對比和誤差消除。

2 數(shù)據(jù)后處理方案的確定

通過對測量數(shù)據(jù)的對比分析，結(jié)合后續(xù)處理存在的難點。針對大量散亂的數(shù)據(jù)點，如何實現(xiàn)高精確性與高智能化，節(jié)約時間和勞動力，完成數(shù)據(jù)的后續(xù)處理，形成滿足理論設計意義上的三維模型，是后續(xù)數(shù)據(jù)處理方案的重點。借鑒國內(nèi)目前文物逆向修復工程對測量數(shù)據(jù)的后處理方法，結(jié)合測量數(shù)據(jù)的特點、泵葉片實際特點和泵的水力理論設計，創(chuàng)新性地提出基于PRO/E三維設計軟件的三坐標后續(xù)處理方案，具體歸納有以下幾個環(huán)節(jié)：實現(xiàn)測量點與處理軟件的無縫對接；測量數(shù)據(jù)中特征點的有效甄別并提取；有效數(shù)據(jù)點的掃描曲線重構(gòu)；重構(gòu)掃描曲線特征提取；基于掃描曲線特征完成樣條曲線的創(chuàng)建；樣條曲線的光順處理；葉片模型的創(chuàng)建；葉片模型表面的光順處理；空間坐標轉(zhuǎn)換與特征點提取后形成葉片二維木模圖；對二維木模圖進行水力學優(yōu)化設計；基于水力學優(yōu)化設計后的三維模型重建；最后3步反復循環(huán)，直到葉片模型表面光滑、過渡光順，水力學二維木模圖的型線光滑，各條型線之間過渡光滑。

具體方案實施過程如圖2所示。

圖2 泵葉片逆向工程具體實施過程

3 數(shù)據(jù)處理難點解決方法

3.1 測量數(shù)據(jù)點的有效甄別

該方案利用PRO/E軟件作為處理平臺，首先要完成對三坐標測量儀測量結(jié)果的無縫對接，避免對接過程中數(shù)據(jù)點的丟失。通過對點精度的要求，設定誤差值范圍，完成點的一次過濾(圖3)。創(chuàng)建曲線過程中對曲線進行曲率范圍值的設定，實際曲線連接過程中，軟件自動識別點與點的連接，從而完成散亂點云中關鍵點的提取。

圖3 原始數(shù)據(jù)的過濾界面

3.2 曲線的光滑調(diào)整

獨立樣條曲線的優(yōu)化過程如圖4所示。有效測量點識別完成后，首先在設定曲率范圍內(nèi)掃描曲線重建，但重建的掃描曲線是不能直接進行三維葉片模型創(chuàng)建的，需要在創(chuàng)建模型前完成每條單獨曲線的局部光滑修正，局部修正需要修正基準，所以基于掃描進行特征提取，基于特征獲得創(chuàng)建三維模型所使用的樣條曲線，并以掃描曲線特征為基準進行空間局部樣條曲線的調(diào)整，最終保證三維模型的每一條獨立樣條曲線光滑。需要注意的是每一條相鄰樣條曲線的調(diào)整，均需要結(jié)合水力設計木模圖來進行。

圖4 獨立樣條曲線的優(yōu)化過程

3.3 曲面修補與光順處理

測量數(shù)據(jù)點的缺失，后續(xù)處理曲面的局部破損嚴重，是逆向工程中常見問題，也是曲面處理難點。通過將處理過的獨立樣條曲線進行空間坐標系轉(zhuǎn)換，導入同一空間坐標系，借助于相鄰獨立曲線的過渡曲率，完成殘缺樣條曲線的修補工作。增加樣條曲線的調(diào)整點，設置調(diào)整網(wǎng)格，來增加局部曲面的調(diào)整，結(jié)合葉片木模圖，來進行曲面的光滑處理[2]，如圖5所示。

圖5 經(jīng)過修補與優(yōu)化后的導流殼葉片

3.4 三維模型與葉輪、導流殼水力學模型之間的轉(zhuǎn)化

創(chuàng)建的葉片三維模型，只是以測量數(shù)據(jù)為基礎、借助三維軟件平臺完成的，對于處理過程中的誤差很難做出合理的評判，目前只能以葉片水力學設計理論為評判依據(jù)，并借助于水力學設計對二維曲線進行優(yōu)化設計。如何將三維模型與二維水力學設計相結(jié)合，來優(yōu)化水力模型是逆向工程中遇到的最后一個難題。借助于二維葉片木模的水力學設計基礎，利用三維設計軟件空間坐標轉(zhuǎn)化的方便性，通過兩次空間坐標轉(zhuǎn)化和CAD相結(jié)合，最終完成三維模型與二維葉片木模的轉(zhuǎn)換和優(yōu)化。

4 結(jié)束語

潛水泵閉式扭曲葉片的測繪是一項復雜的逆向工程，為提高測量準確性，通過從測量源頭引進先進測量設備來保證測量數(shù)據(jù)的準確性與可靠性，在數(shù)據(jù)處理過程中借助科學的處理方法來減少產(chǎn)生誤差的環(huán)節(jié)，同時采用泵理論設計與測量數(shù)據(jù)處理相結(jié)合，最終成功完成了對潛水泵葉片的水力學設計。

[1] 薛敦松.石油化工廠設備檢修手冊 泵[M].北京：中國石化出版社，2007：51～53.

[2] 關醒凡.現(xiàn)代泵理論與設計[M].北京：中國宇航出版社，2011：339～347.

尤寶(1986-)，工程師，從事離心泵新產(chǎn)品的設計開發(fā)工作，youbao725@126.com。

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0254-6094(2017)03-0357-05

2016-06-29，

2016-12-13)