基于Imageware 的汽輪機(jī)末級(jí)葉片三維模型重構(gòu)＊

王小旭，張宗仁

（吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132013）

汽輪機(jī)末級(jí)葉片的排氣面積與汽輪機(jī)的效率息息相關(guān)，隨著節(jié)能降耗的迫切需要，提高汽輪機(jī)機(jī)械能轉(zhuǎn)化效率尤為重要[1]。由于汽輪機(jī)末級(jí)葉片在工況下汽輪機(jī)承受巨大的離心力和扭轉(zhuǎn)力，為此，對(duì)其設(shè)計(jì)提出了更高的要求[2]。傳統(tǒng)的葉片的三維造型以數(shù)學(xué)建模為藍(lán)本，其設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、效率低。為縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本，逆向工程技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其中復(fù)雜曲面的數(shù)據(jù)模型重建問(wèn)題一直是研究的重要方向。如何充分利用逆向工程技術(shù)設(shè)計(jì)周期短、響應(yīng)速度快、柔性強(qiáng)的特點(diǎn)，完成汽輪機(jī)末級(jí)葉片的逆向設(shè)計(jì)、縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期具有一定意義[3]。

1 基于Imageware的葉片型面點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

汽輪機(jī)末級(jí)葉片作為典型的流體機(jī)械產(chǎn)品，屬于結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜的零件，其葉片薄且扭曲度大，其設(shè)計(jì)和制造工藝比較復(fù)雜。葉片曲面建?；贗mageware 和Pro/E 軟件共同實(shí)現(xiàn)，集合了專業(yè)逆向軟件與綜合性CAD/CAM軟件各自的優(yōu)點(diǎn)，提高了建模速度和準(zhǔn)確性。

葉片點(diǎn)云數(shù)據(jù)由手持式自定位非接觸式三維激光掃描儀獲得，葉片的初始數(shù)據(jù)如圖1所示。原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)不可避免的存在噪音點(diǎn)，為了更好地保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的真實(shí)性，采用Geomagic studio軟件對(duì)掃描得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。將圖1所示的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Imageware軟件中進(jìn)行優(yōu)化處理，具體過(guò)程包括截取點(diǎn)云切片、去除噪音點(diǎn)、補(bǔ)間隙、點(diǎn)云光順[4]。

圖1 原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)

1.1 截取點(diǎn)云切片

汽輪機(jī)末級(jí)葉片的點(diǎn)云截取方法有兩種：橫向截取點(diǎn)云與縱向截取點(diǎn)云?？紤]到本葉片葉根部分為規(guī)則曲面，以及后續(xù)的造型，故選擇橫向截取點(diǎn)云。在Imageware環(huán)境下，通過(guò)交互式截取點(diǎn)云指令，如圖2所示是得到的末級(jí)葉片的點(diǎn)云數(shù)據(jù)組；圖3所示是某一截面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖2 處理前點(diǎn)云數(shù)據(jù)組

圖3 處理前某一截面點(diǎn)云數(shù)據(jù)

1.2 去除噪音點(diǎn)并補(bǔ)間隙

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，為了更好地采集到葉片數(shù)據(jù)，在葉片表面噴涂顯影劑，造成在葉片表面會(huì)有一些噪音點(diǎn)，需要在Imageware軟件中通過(guò)選擇點(diǎn)選或者圈選點(diǎn)來(lái)刪除噪音點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 圈選點(diǎn)

由于掃描數(shù)據(jù)是由單個(gè)點(diǎn)組成，截取切片時(shí)可能出現(xiàn)切片上點(diǎn)密度不等，同時(shí)刪除噪音點(diǎn)過(guò)程以及點(diǎn)云上點(diǎn)的缺失等不足，導(dǎo)致點(diǎn)云切片上出現(xiàn)點(diǎn)間距過(guò)大問(wèn)題，需要對(duì)點(diǎn)云切片進(jìn)行補(bǔ)間隙操作，而間隙修補(bǔ)后可能存在點(diǎn)密度過(guò)大，故此要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行采樣處理。采樣時(shí)，為保證點(diǎn)云光順性與精密性的統(tǒng)一，采用曲率采樣的方法。

1.3 光順截面點(diǎn)云

受原始零件表面粗糙度的影響，掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不夠光順，為提高逆向重構(gòu)模型的質(zhì)量，需進(jìn)一步對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行光順處理，同時(shí)為保證點(diǎn)云失真程度最小，采取局部光順處理方式。點(diǎn)云光順處理的方法很多，如中值光順、平均光順、高斯光順，高斯光順是在指定區(qū)域內(nèi)的高斯分布，為較好的保持葉片的型面形狀，減小與原有數(shù)據(jù)的誤差，運(yùn)用高斯光順?lè)ㄌ幚睃c(diǎn)云，其光順原理如圖5所示。圖6所示是光順后得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)組，圖7所示是某一截面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖5 高斯光順

圖6 處理后點(diǎn)云數(shù)據(jù)組

圖7 處理后截面點(diǎn)云數(shù)據(jù)

1.4 處理后偏差分析

對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行處理的過(guò)程中，不可避免的會(huì)造成處理后點(diǎn)云和原始點(diǎn)云出現(xiàn)偏差[5]，要對(duì)兩者進(jìn)行偏差分析，比較結(jié)果如圖8 所示。在結(jié)果中可以看到在內(nèi)部公差范圍內(nèi)的318 032個(gè)點(diǎn)中，99.381%的點(diǎn)符合公差要求。

圖8 點(diǎn)云偏差

2 三維模型重構(gòu)

為提高葉片三維模型的精度，在專業(yè)造型軟件Pro/E環(huán)境下進(jìn)行實(shí)體造型。將處理后點(diǎn)云導(dǎo)入Pro/E軟件中，利用基準(zhǔn)線工具把每一截面的點(diǎn)云都連成光滑的曲線形成末級(jí)葉片的基準(zhǔn)線，用邊界混合工具把各基準(zhǔn)線連成一個(gè)面，即可得到完整的葉片曲面。但是在實(shí)際的逆向造型過(guò)程中，會(huì)因?yàn)樗B接曲線光滑程度不夠等原因造成末級(jí)葉片表面不夠光滑的現(xiàn)象，需要對(duì)葉片表面質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)并進(jìn)行進(jìn)一步的修改。另外，葉片葉根形狀是規(guī)則的直叉形葉根，可以直接通過(guò)Pro/E建模得到，完整的葉片模型如圖9所示。

圖9 逆向造型的葉片

3 偏差檢驗(yàn)

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集、優(yōu)化處理、曲面擬合、模型重構(gòu)的過(guò)程中，難免會(huì)出現(xiàn)偏差從而導(dǎo)致重構(gòu)模型失真，所以逆向造型過(guò)程中必須要對(duì)照原始點(diǎn)云對(duì)重建模型進(jìn)行偏差分析，當(dāng)偏差過(guò)大或不符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，要及時(shí)做出修改。將重構(gòu)模型和原始點(diǎn)云在Geomagic Control環(huán)境下進(jìn)行最佳擬合對(duì)齊后進(jìn)行偏差分析，如表1所示為偏差分布情況表，圖10所示為面3D 色譜分析圖，圖11 所示為偏差比較結(jié)果注釋圖。

表1 偏差分布情況表

圖10 3D 色譜分析圖

圖11 比較結(jié)果注釋圖

圖中出現(xiàn)大面積正偏差區(qū)域，是由于使用顯影劑導(dǎo)致的整體葉片尺寸偏大所致，且噴涂顯影劑時(shí)底部葉片尺寸變化相對(duì)較大。

由于逆向設(shè)計(jì)過(guò)程中的偏差要求及標(biāo)準(zhǔn)尚未有眀卻規(guī)定，此處以修理后的偏差要求對(duì)重構(gòu)模型進(jìn)行偏差評(píng)定[6]，即偏差小于整體尺寸的0.5%視為Ⅰ級(jí)。葉片平均偏差為0.078 mm，最大負(fù)偏差為0.47 mm出現(xiàn)在葉根部位，此為原葉片安裝過(guò)程留下修配痕跡所致；最大正偏差為0.173，此為噴涂顯影劑在下方堆積凝固所致。經(jīng)偏差檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，逆向工程技術(shù)應(yīng)用于汽輪機(jī)末級(jí)葉片造型可以達(dá)到Ⅰ級(jí)工程設(shè)計(jì)精度要求。

為從實(shí)物上更為直觀的檢驗(yàn)?zāi)嫦蛑貥?gòu)模型是否正確，以重構(gòu)CAD模型為基礎(chǔ)使用快速成型機(jī)加工出螺旋槳實(shí)體模型如圖12所示。

圖12 螺旋槳實(shí)體模型

4 結(jié)論

文章以300 MW 汽輪機(jī)機(jī)組的直叉形變截面大扭曲葉片為例，運(yùn)用逆向造型技術(shù)進(jìn)行三維造型，對(duì)整體葉片進(jìn)行快速反求，實(shí)現(xiàn)整體葉片快速設(shè)計(jì)和制造。介紹了在Imageware 軟件平臺(tái)下，采用合理的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、三維曲面重構(gòu)，完成變截面大扭曲汽輪機(jī)末級(jí)葉片的逆向設(shè)計(jì)建模的具體方法，并通過(guò)三維模型與原始點(diǎn)云進(jìn)行偏差分析驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的可行性，在縮短汽輪機(jī)葉片開(kāi)發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)水平方面都有著一定的實(shí)際意義。