泵體水力模具逆向工程技術研究

尤 寶，梁曉輝

（洛陽雙瑞特種裝備有限公司，洛陽 471000）

0 引言

隨著現(xiàn)代測量設備、計算機輔助幾何設計技術的發(fā)展以及人們對設計概念理解的深入，逆向工程技術作為快速設計與制造的主要支撐技術之一正在成為研究與應用的熱點[1]。逆向工程作為現(xiàn)代設計與制造的重要技術手段，能夠有效縮短從設計到制造的周期，是幫助設計者實現(xiàn)并行工程等現(xiàn)代新概念的一種強有力工具。目前逆向工程在航空、汽車、模具、玩具等工業(yè)領域得到廣泛作用，其主要應用在新產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)品改型設計、產(chǎn)品仿制、質量檢驗以及快速原型零件制造等領域[1]。

逆向工程是指對已有產(chǎn)品原型，消化吸收和挖掘蘊含其中的產(chǎn)品設計、制造和管理等各方面的一系列分析方法、手段和技術的綜合[2]泵是應用非常廣泛的通用機械，凡有液體流動之處，幾乎都有泵在工作。泵體作為離心泵壓水室的一部分，與葉輪一起構成了離心泵的過流部件，能夠實現(xiàn)將泵體中水的動能轉換為勢能。從水力方面看，螺旋形壓水室中的流動比較理想，適應性強，高效率范圍寬[3]，因此螺旋形蝸殼泵體在離心泵中被廣泛設計與應用，但由于螺旋形蝸殼泵體受形狀限制，流道不能機械加工，尺寸形狀與表面光潔度直接靠鑄造來保證。泵體鑄造使用鑄造模具進行泵體型芯與型腔成型，通過鋼液在型腔內(nèi)凝固冷卻后形成鑄造泵體。一般泵體鑄造模具分外模（圖1左）與芯盒，泵體外模主要在砂箱中形成泵體的外鑄造表面，芯盒主要通過砂型做出流道砂芯，然后通過定位組合模塊放置在砂箱內(nèi)形成泵體流道內(nèi)表面，如圖2所示。

圖1 泵體外模模具實物

圖2 泵體外模型腔與泵體芯盒砂芯

本文借助于單級離心泵鑄造模具開展逆向工程研究，采用工業(yè)三維激光掃描儀作為葉片模具數(shù)據(jù)提取設備，通過對分體單個模具點云的數(shù)據(jù)提取，獲得完整的葉片點云數(shù)據(jù)信息，然后經(jīng)過二次處理軟件實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)衰減與優(yōu)化處理，通過數(shù)據(jù)格式轉換，為逆向后處理軟件Imageware surface10.5提供足夠而完整的點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過逆向軟件的基準對齊與點云截面提取、點云噪聲點去除和擬合點云截面曲線，最后將擬合好曲線導入三維軟件PROE中進行泵體葉片三維模型創(chuàng)建，結合泵體其他模具測量數(shù)據(jù)，最終完成整個泵體逆向三維創(chuàng)建，采用本方法，為泵體模具的逆向產(chǎn)品三維構建提供了一種新的思路。

1 泵體水力設計方法簡介

為方便泵體模具逆向工程后期數(shù)據(jù)的處理，首先需要對泵體水力設計方法進行初步了解，泵體水力設計實際常用速度系數(shù)法，為方便泵體水力計算與繪圖，一般將螺旋形渦室取8個彼此成45°角端面，即用8個軸面切割渦室，求得各斷面的形狀和面積。設計時首先計算第Ⅷ斷面，其他斷面以第Ⅷ斷面為基礎進行確定，采用速度系數(shù)法可首先求的第Ⅷ斷面面積。通過速度系數(shù)法繪制的單級泵體水力圖如圖3所示，其中水力各斷面采用羅馬字母表示。泵體水力主要設計參數(shù)有：泵基圓直徑，泵隔舌半徑，以及互相呈45°夾角的I～VIII斷面尺寸，泵體IX、X斷面尺寸以及泵出口直徑等參數(shù)，通過這些參數(shù)即可表達泵體水力，同時也可采用三維設計軟件進行泵體水力三維模型創(chuàng)建，方便泵體建模、泵體水力分析以及強度分析等計算分析。

2 泵體模具數(shù)據(jù)獲取與預處理

泵體進行逆向工程，首先就要進行點云的數(shù)據(jù)的獲取，目前逆向工程中常用的數(shù)據(jù)測量方式有接觸式測量、非接觸式測量以及工業(yè)CT掃描測量，根據(jù)不同被測物體形狀與結構選擇合適的測量方式。根據(jù)泵體模具測量曲面為開放式結構，在滿足精度要求前提下，為提高測量效率與減低測量成本，方便后期工業(yè)化、規(guī)模化測繪，首選非接觸式測量方式。

圖3 泵體水力模型設計圖

非接觸式測量是近些年快速發(fā)展起來的一種測量技術，它主要利用光學的原理對掃描對象進行數(shù)據(jù)的采集獲取[4]。本文采用掃描設備型號為天遠OKIO-S-400光學三維掃描儀，如圖4左所示，采用天遠DigiMetric Pro攝影測量系統(tǒng)，如圖4右所示。

通過三維光學掃描儀測量數(shù)據(jù)為asc格式,本例中單個模具測量數(shù)據(jù)點約400萬，數(shù)據(jù)大小約500M，由于數(shù)據(jù)量多內(nèi)存占用較大，不便于后期圖形數(shù)據(jù)的處理，對電腦配置要求高，為此需要對測量原始點云數(shù)據(jù)進行處理，處理過程采用Geomagic Studio軟件，通過對點云數(shù)據(jù)的導入、點云著色、點云邊緣測量噪聲點處理、點云統(tǒng)一采樣以及采樣過程中使用衰減，將點云數(shù)量衰減到200萬左右，最后對點云進行數(shù)據(jù)計算封裝（三角化），逐一導出泵體芯盒與外模的四片點云數(shù)據(jù)，保存格式為STL，如圖5所示。

圖4 泵體芯盒模具三維掃描

3 泵體水力點云數(shù)據(jù)處理

泵體水力點云數(shù)據(jù)處理的關鍵在于點云數(shù)據(jù)的基準創(chuàng)建與整合、基于泵體水力設計與三維設計流程進行截面點云數(shù)據(jù)提取，對點云數(shù)據(jù)的曲線重構，將完成后的曲線導入三維設計軟件進行曲面的構建與實體化，結合該泵體其他組合模具尺寸測量結果，完成最終泵體的三維創(chuàng)建。

圖5 泵體模具STL點云數(shù)據(jù)

3.1 泵體點云數(shù)據(jù)基準創(chuàng)建

完整的泵體模具有泵體外模與芯盒模具組成，測量點云分為4部分，如圖5所示，如何將四片完整點云數(shù)據(jù)進行整合為完整泵體點云數(shù)據(jù)，需要對四片點云數(shù)據(jù)進行空間基準創(chuàng)建。根據(jù)泵體模具特點，以泵體模具測量中平面作為基準平面，本例中為XY平面，以基圓為中心坐標0點，垂直于基準平面XY軸為Z軸，以泵出口圓柱段中點與中心坐標原點連線作為Y軸，與Y軸垂直方向作為X軸，如圖6所示，最終與參考系坐標重合。單片點云數(shù)據(jù)創(chuàng)建完成后，對稱模具另一片點云數(shù)據(jù)的基準創(chuàng)建過程中，需要設置Z軸方向相反，最終將四片點云數(shù)據(jù)在空間坐標系中完成點云數(shù)據(jù)對齊。

圖6 泵體模具點云數(shù)據(jù)坐標系

由于4片點云數(shù)據(jù)處理流程相似，下面就以泵體芯盒單片點云數(shù)據(jù)為例，進行單片點云數(shù)據(jù)基準創(chuàng)建。單片點云數(shù)據(jù)處理流程：點云數(shù)據(jù)中平面提取與處理—點云中平面擬合XY平面—將擬合后的XY平面與點云數(shù)據(jù)作為群組與系統(tǒng)XY平面進行對齊—渦室中心圓柱點云數(shù)據(jù)提取與中心圓擬合—擬合圓與點云數(shù)據(jù)作為群組整體與系統(tǒng)創(chuàng)建XY平面圓進行圓心對齊—提取泵體出口圓柱段點云數(shù)據(jù)擬合出Y軸—擬合后的Y軸與點云數(shù)據(jù)作為群組與系統(tǒng)Y軸進行對齊—最后將輔助過程點云及線條刪除。

1）點云基準XY平面創(chuàng)建與系統(tǒng)平面對齊

根據(jù)點云數(shù)據(jù)提取泵體芯盒中平面點云數(shù)據(jù)，如圖7(b)所示，保留原有點云數(shù)據(jù)，對提取數(shù)據(jù)誤差較大區(qū)域進行誤差點刪除，由于選取的該平面上有凹凸不平點，建議不采用三點創(chuàng)建平面方式，一旦三點中的一點選擇凹凸不平點，所擬合平面放大后的誤差較大。建議此處采用點云擬合平面方法，具體采用Diagnose—誤差分析，彈出誤差分析結果圖，根據(jù)后期擬合要求設置誤差范圍±0.5mm，將超差點云數(shù)據(jù)逐一去除，直到所有點云均在誤差范圍內(nèi)，如圖7(c)所示，采用Create-創(chuàng)建基準平面，擬合后的平面如圖7(d)所示。

圖7 泵體芯盒模具基準平面創(chuàng)建

圖8 泵體中平面基準重合后點云

2）泵體點云Y軸創(chuàng)建與坐標原點對齊

針對點云數(shù)據(jù)Y軸的創(chuàng)建，根據(jù)圖6基準選擇，需要借助泵體基圓同心圓圓心與泵出口圓柱段來創(chuàng)建，首先創(chuàng)建泵體出口圓柱段圓柱中心線，首先提取泵體出口處靠近端面約20mm寬點云數(shù)據(jù)。如圖9(a)，保留原始點云數(shù)據(jù)，提取后的點云數(shù)據(jù)進行噪聲點去除，完成后對點云數(shù)據(jù)擬合圓柱，如圖9(b)，對擬合后的圓柱進行誤差分析，如圖9(c)，設定誤差為±0.5mm，反復刪除超差誤差點數(shù)據(jù)與圓柱擬合，直到滿足誤差范圍要求為止。連接圓柱兩端圓心點，如圖9(d)，將圓心連線投影到XY平面上，即設置Z軸坐標為0，刪除輔助點云，只保留原始點云與創(chuàng)建軸線。

圖9 泵體中平面基準重合后點云

取泵體基圓同心圓截面點云數(shù)據(jù)下端任意高度水平線截取點云，如圖10(a)，截取點云點云數(shù)據(jù)采用三點擬合圓，并將該擬合圓投影到XY平面內(nèi)，如圖10(b)，完成后將泵出口創(chuàng)建圓柱中心線與擬合圓圓心進行連線，如圖10(c)，完成點云數(shù)據(jù)Y軸的創(chuàng)建，將創(chuàng)建的Y軸與原始點云數(shù)據(jù)進行群組。在系統(tǒng)坐標系中創(chuàng)建Y軸方向直線，將創(chuàng)建后的系統(tǒng)Y軸與點云Y軸進行重合對齊。如圖11(a)。需要注意點云擬合連線與系統(tǒng)Y軸創(chuàng)建直線具有方向性。最后在XY系統(tǒng)平面上，以原點為圓心做任意半徑圓，將三點擬合后的基圓同心圓進行圓心對齊，最終將泵體單片芯盒點云數(shù)據(jù)與系統(tǒng)基準對齊，如圖11(b)。最后將基準對齊后的數(shù)據(jù)保存為STL格式輸出。

圖10 泵體中平面基準重合后點云

按照此方法，將其余三片點云數(shù)據(jù)按照以上系統(tǒng)基準創(chuàng)建方法完成基準對齊，注意相互對稱貼合的點云數(shù)據(jù)Z坐標方向相反。

3.2 泵體點云兩瓣貼合誤差分析檢測

圖11 泵體點云Y軸對齊與圓心對齊

泵體芯盒與外模各兩組點云基準創(chuàng)建完成后，需要對芯盒點云與外模點云貼合后各自進行誤差分析對比。以芯盒點云貼合后誤差分析為例，將兩組泵體芯盒點云數(shù)據(jù)同時導入軟件，如圖12(a)所示，以系統(tǒng)XY平面為基準，沿Z軸對稱取XY平面上下對稱平行兩基準面進行點云提取，基準面到XY平面間距取10mm，如圖12(b)所示，最后沿Z軸方向投影兩截面點云數(shù)據(jù)，其中對一個截面點云進行著色，在投影面上，如圖12(c)，對相近兩點云進行誤差測量，本例中測得最大誤差0.31mm，小于0.5mm，滿足逆向處理要求，同理做兩外模點云貼合后的誤差，如果誤差大于0.5mm，需要對較大誤差點云重新進行系統(tǒng)基準創(chuàng)建，查找造成誤差原因，反復對比，直到貼合后的測量誤差滿足最終逆向要求誤差。

圖12 泵體芯盒點云貼合后誤差分析

3.3 泵體關鍵截面點云參數(shù)提取

根據(jù)泵體水力設計方法，泵體水力設計主要涉及隔舌部位、泵體的水力模型的八個斷面尺寸、水力模型基圓以及泵體的出口段的三個斷面尺寸，下面就以泵體貼合后的芯盒模具點云為例進行以上關鍵部位尺寸的逆向求解。

1）泵體隔舌尺寸測量

提取泵體隔舌部位上下芯盒點云數(shù)據(jù)，單獨將該部位點云顯示進行分析，如圖13(a)所示，選取隔舌圓角點云比較完整區(qū)域，以XY平面對稱取兩平面進行點云提取，如圖13(b)所示，對提取的兩隔舌部位點云數(shù)據(jù)進行三點擬合圓，如圖13(c)所示，測量兩隔舌部位擬合圓半徑分別為2.97mm與3.17mm，由于過程存在誤差，設計值一般為整數(shù)，次處割舌半徑取整數(shù)值3mm。

圖13 泵體隔舌點云提取與隔舌圓擬合

2）泵體基圓尺寸測量

隔舌半徑確定后，根據(jù)泵體水力設計圖3所示，泵體基圓與隔舌圓在兩圓心連線上相切，取泵體芯盒點中的一組點云，擬合出隔舌圓并投影到XY平面上，與圖10方法一致，取基圓同心圓點云截面，通過三點擬合圓，將該圓投影到XY平面上，連接兩圓圓心，如圖14所示，測量兩圓圓心距，減去隔舌圓半徑就是基圓半徑，本例中兩圓心距78.5mm，隔舌圓半徑R為3，則基圓半徑為75.5mm。

圖14 泵體隔舌圓與擬合圓圓心連線

3）泵體各斷面點云數(shù)據(jù)提取與數(shù)據(jù)處理

對于泵體水力設計8個斷面的提取，如圖3所示，泵體水力第Ⅰ斷面為過Y軸垂直XY平面的平面，在軟件中選擇Extraction，選擇起始點X與Z值為0，Y值為任意值，設置斷面數(shù)為8，為便于后期三維建模，同時將過泵體隔舌圓心的斷面（一般稱為0斷面）也作出，最終斷面點云如圖15所示。

圖15 泵體水力沿基圓9截面點云數(shù)據(jù)

對于泵體水力出口處Ⅸ、Ⅹ斷面提取，采用將泵體出口處點云數(shù)據(jù)靠近XY平面單獨提取一個斷面，如圖16(b)所示，完成后根據(jù)彎曲點云斷面走向趨勢，對該段點云進行曲線擬合，需要注意的是泵體水力出口位置存在一段直線段，需要在曲線擬合過程需要不斷測量擬合曲線端點與周圍點云誤差，保證直線段與擬合曲線兩端點光滑過渡，如圖16(c)所示。完成后做垂直于擬合曲線垂直法線截面，為便于后期三維建模，截面數(shù)可取4～6個截面，如圖16(d)所示。

圖16 泵體水力出口截面創(chuàng)建

4）泵體各斷面點云數(shù)據(jù)曲線擬合

針對泵體水力提取的各斷面，根據(jù)圖3泵體水力設計斷面，首先對雜散點進行去除，尤其是兩片點云數(shù)據(jù)貼合面位置處，需要逐一去除，完成后采用軟件點云擬合曲線，完成各截面點云數(shù)據(jù)曲線擬合，需要指出的是，在泵體出口直線段點云擬合圓時，需要單獨進行三點擬合圓，完成后的擬合曲線保存為Vda格式，進行后期三維軟件處理。

圖17 泵體水力各截面擬合曲線

3.4 泵體水力模型與泵體三維模型創(chuàng)建

將導出的Vda格式的樣條曲線文件導入到Pro/E軟件中，如圖17所示，結合泵體隔舌圓半徑、基圓半徑及各個斷面曲線，采用變截面掃描泵體水力三維創(chuàng)建方法，完成的泵體水力模型如圖18所示。需要指出的是，在泵體水力三維模型創(chuàng)建過程中，在隔舌圓部位需要單獨采用曲面構建。對于泵體三維建模，需要借助于泵體外模點云數(shù)據(jù)四片點云合并后，如圖19(a)所示，進行各斷面的的提取，如圖19(b)所示，完成對各斷面的壁厚測量，提取泵體出口法蘭尺寸，對入口法蘭及泵體其他模具進行卡尺測量后，結合測量數(shù)據(jù)進行泵體三維模型逆向創(chuàng)建，最終泵體水力三維模型與泵體三維模型如圖20所示。

圖18 泵體水力各截面擬合曲線

圖19 泵體水力截面擬合曲線

4 結束語

圖20 泵體水力三維模型與泵體三維模型

本文通過對泵體模具結構特點進行分析，結合泵體水力設計知識，探討并通過實例驗證了采用光學三維掃描儀手段，獲取泵體外模與芯盒點云數(shù)據(jù)，給出了從點云數(shù)據(jù)采集、以surface10.5為主要點云數(shù)據(jù)處理平臺，進行了泵體模具測量點云逆向工程技術途徑研究，最后在Pro/E三維設計軟件中完成了泵體水力與泵體三維模型創(chuàng)建，為泵體逆向工程提供了一種新的思路。該方法在實際生產(chǎn)中已得到廣泛應用，有效提升了設計人員的經(jīng)驗與效率，其應用效果得到了設計人員的充分肯定。