軸流風(fēng)機(jī)的逆向建模

黃 麗，屈 坤，袁國(guó)強(qiáng)

（武昌工學(xué)院，湖北 武漢 430000）

1 主要研究?jī)?nèi)容

文章的主要研究?jī)?nèi)容是了解復(fù)雜零件的逆向方法，重點(diǎn)學(xué)習(xí)逆向工程的數(shù)據(jù)測(cè)量以及后續(xù)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的修復(fù)工作。先從葉片的數(shù)據(jù)測(cè)量開(kāi)始，要能夠得到相對(duì)全面的葉片表面數(shù)據(jù)，然后對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)去除雜點(diǎn)、精簡(jiǎn)、降噪等一系列處理，為后面的建模提供一個(gè)完整的表面點(diǎn)云。文章研究的風(fēng)機(jī)葉片為圓筒式軸流風(fēng)機(jī)葉片，葉片的直徑為200mm，圓筒的直徑為90mm，圓筒的壁厚2mm，圓筒的高度40mm。

文章是使用光柵掃描技術(shù)得到了風(fēng)機(jī)葉片的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后基于Geomagic Studio軟件分析葉片的表面點(diǎn)云，并找到合理的建模方法。本設(shè)計(jì)以軸流風(fēng)機(jī)葉片為例子，利用三維掃描儀對(duì)復(fù)雜曲面進(jìn)行逆向測(cè)量，然后經(jīng)過(guò)點(diǎn)階段、多邊形階段等步驟的處理，得到了滿意的風(fēng)機(jī)葉片模型。最后通過(guò)誤差的分析對(duì)比，最終得到了葉片CAD模型符合本次設(shè)計(jì)的要求。

（1）測(cè)量設(shè)備分析。經(jīng)過(guò)對(duì)各種設(shè)備的分析對(duì)比，文章選用的是華科大研究開(kāi)發(fā)的三維掃描儀。本設(shè)備采用光柵掃描技術(shù)，標(biāo)志點(diǎn)全自動(dòng)拼接，擁有速度快、準(zhǔn)確度高、高解析度等優(yōu)勢(shì)。對(duì)風(fēng)機(jī)葉片等外表復(fù)雜的工件建模效果很好。

（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取是葉片逆向建模的第一步。收集葉片數(shù)據(jù)的質(zhì)量對(duì)最后建立葉片模型起著十分關(guān)鍵的作用，文章選擇的掃描儀采用光柵掃描，標(biāo)志點(diǎn)全自動(dòng)拼接。在使用前還需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定后才能夠通過(guò)標(biāo)識(shí)點(diǎn)將每次掃描獲取的數(shù)據(jù)建立起相互的位置關(guān)系，相對(duì)于手動(dòng)拼接而言，大大節(jié)省了拼接的時(shí)間。根據(jù)掃描儀的特點(diǎn)以及風(fēng)機(jī)葉片的特點(diǎn)，文章采用旋轉(zhuǎn)掃描的方式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。掃描前還需要給風(fēng)機(jī)葉片貼上標(biāo)志點(diǎn)，以便于掃描識(shí)別，由于掃描時(shí)不易捕捉到圖像，風(fēng)機(jī)葉片已經(jīng)被噴上顯象劑。每完成一次掃描需要將平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度進(jìn)行下一次掃描，當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)360°后風(fēng)機(jī)葉片正面的數(shù)據(jù)獲取就完成了，需要注意的是轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)風(fēng)機(jī)葉片在平臺(tái)上沒(méi)有發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，否則獲取數(shù)據(jù)會(huì)混亂。此時(shí)需要將葉片翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，進(jìn)行背面的數(shù)據(jù)掃描獲取，此時(shí)需要注意的是讓標(biāo)志點(diǎn)對(duì)著攝像頭以便點(diǎn)云數(shù)據(jù)的自動(dòng)拼接，操作方法與正面一樣。掃描后獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，系統(tǒng)已經(jīng)自行著色，圖形顯示的比較清晰。其中黑色部分相對(duì)較少，距離主體點(diǎn)云較遠(yuǎn)，為冗余點(diǎn)，后續(xù)處理需要去處，黃色部分為葉片數(shù)據(jù)缺失的部分，需要補(bǔ)齊，綠色部分為外表面，即本次掃描的有效點(diǎn)云。

（3）點(diǎn)階段處理。因?yàn)轱L(fēng)機(jī)葉片形狀比較復(fù)雜，在掃描獲取數(shù)據(jù)時(shí)難以避免死角的出現(xiàn)，這導(dǎo)致了數(shù)據(jù)有所缺失，需要對(duì)其進(jìn)行修復(fù)；數(shù)據(jù)中含有很多冗余點(diǎn)，需要對(duì)其精簡(jiǎn)；另外，因一次掃描不可能獲得完善的風(fēng)機(jī)葉片點(diǎn)云，只能從多個(gè)角度分別掃描才能獲得完善的點(diǎn)云，然后把這些點(diǎn)云拼接好就是一個(gè)整體的葉片點(diǎn)云了。本階段的步驟有下面3點(diǎn)：①?gòu)某跏嫉狞c(diǎn)云中分離出有用點(diǎn)，去除掉無(wú)用點(diǎn)；②不破壞外形的情況下精簡(jiǎn)點(diǎn)云；③封裝成多邊形對(duì)象。結(jié)果如圖1所示。

圖1 采樣后的葉片點(diǎn)云數(shù)據(jù)

對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的雜點(diǎn)等不必要的數(shù)據(jù)得到有效減少，這有利于模型后續(xù)的修復(fù)處理。最后是對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，選擇工具欄中的“點(diǎn)”→“合并”，彈出“合并點(diǎn)”對(duì)話框，在“設(shè)置”欄中的“局部噪音降低”設(shè)置為“中間”，選中“保持原始數(shù)據(jù)”、“刪除小組件”單選框，在“采樣”一欄中選中“最大三角形數(shù)”單選框，然后將最大三角形數(shù)設(shè)置為50萬(wàn)。點(diǎn)擊“確認(rèn)”后，形成了葉片封裝圖，如圖2所示。

圖2 封裝后的風(fēng)機(jī)葉片

（4）多邊形階段處理。多邊形網(wǎng)格化是將預(yù)處理過(guò)的點(diǎn)云集合用多邊形連接起來(lái)，構(gòu)成多邊形網(wǎng)格，也就是將原來(lái)的點(diǎn)轉(zhuǎn)換成面的形式反映出來(lái)，但是對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行多邊形網(wǎng)格化后會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格化的模型產(chǎn)生很多問(wèn)題，比如模型的合法性和正確性等等。因?yàn)辄c(diǎn)云數(shù)據(jù)的丟失、噪音點(diǎn)、頂點(diǎn)數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤、網(wǎng)格化運(yùn)算錯(cuò)誤等等原因，網(wǎng)格化后的模型有可能會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)格退化、自交、孤立、重疊、空洞等缺陷。這些缺陷會(huì)嚴(yán)重影響到后續(xù)對(duì)模型的處理。

因此多邊形階段需要修復(fù)以上所述原因所產(chǎn)生的錯(cuò)誤，通過(guò)松弛、去噪、擬合等方式將風(fēng)機(jī)葉片的模型進(jìn)一步優(yōu)化。經(jīng)過(guò)多次完善后，就擁有了相對(duì)完整的多邊形對(duì)象，主要操作如下：①修復(fù)細(xì)微錯(cuò)誤網(wǎng)格；②去處特征；③松弛網(wǎng)格；④填充孔洞。本次的修復(fù)效果較好。經(jīng)過(guò)多次的填充空洞，修復(fù)表面光順度等，最終得到的風(fēng)機(jī)葉片模型如圖3所示。

圖3 風(fēng)機(jī)葉片模型

2 葉片模型的誤差分析

運(yùn)用軟件中的誤差分析功能可以對(duì)比修復(fù)后模型的數(shù)據(jù)誤差，分別將葉片三維掃描擬合后的點(diǎn)云模型和用軟件修復(fù)完畢后的模型導(dǎo)入到程序中，以葉片測(cè)量模型為基準(zhǔn)進(jìn)行分析比對(duì)，通過(guò)自動(dòng)生成的顏色偏差圖實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)據(jù)的精確度統(tǒng)計(jì)分析。分析和對(duì)比結(jié)果如圖4所示：圖中大部分為綠色，也是精度最高的一部分，誤差幾乎為零，少量部分為黃色和藍(lán)色，最大誤差接近0.08mm，整體來(lái)看，誤差平均值是在-0.0019～+0.0028mm之間，標(biāo)準(zhǔn)偏差 0.0044mm，即在0.005mm以下，因此，本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)葉片的高精度測(cè)量和建模的目的。

圖4 精度對(duì)比偏差圖

逆向工程技術(shù)在很多行業(yè)都有了應(yīng)用，例如物品的復(fù)制和創(chuàng)新，便于吸收先進(jìn)的技術(shù)，降低產(chǎn)品的研發(fā)時(shí)間。風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)機(jī)的重要零部件，所以風(fēng)機(jī)葉片的三維模型是決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。文章實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)葉片的精密數(shù)字化測(cè)量，數(shù)據(jù)采集及處理，最后建模成功，為風(fēng)機(jī)葉片的制造起到了很大作用。

［1］柯映林.反向工程CAD建模理論、方法和系統(tǒng)［D］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］成思源，謝韶旺.Geomagic Studio逆向工程技術(shù)及應(yīng)用［D］.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

［3］成思源，楊雪榮.逆向建模技術(shù)及應(yīng)用［D］.北京：清華大學(xué)出版社，2016.