整體式葉輪的逆向修復技術及教學研究

解 輝，雒鈺花，徐家忠，寧 棟

（1.陜西國防工業職業技術學院 智能制造學院，陜西 西安 710300；2.西安近代化學研究所，陜西 西安 710065）

現階段，我國在軍工領域取得了長足進步。隨著計算機技術的發展，機械設計方法也逐漸從傳統的正向設計方法逐漸轉向以逆向設計方法為主。逆向工程技術，又稱反求工程技術，是指利用數字化掃描設備（如激光掃描儀等）得到物體的外形參數，再將該參數轉化成數字化模型的方法[1，2]。該方法適用于任何零件的建模，對于復雜零件的建模和創新設計具有重要意義[3，4]，已被廣泛應用于航空、汽車、電器、摩托車等產品的優化與創新設計。研究逆向工程的新理論、新方法，對推動工業化建設具有積極意義[5，6]。葉輪作為航空發動機、渦輪增壓器、壓縮機等現代機械動力裝置的關鍵零部件，具有結構復雜、加工難度大的特點。因此該文以葉輪為研究對象，通過逆向工程技術，對缺損的部件進行修復，并建立參數化模型。

1 葉輪樣件介紹及逆向設計流程分析

本文以航空葉輪為研究對象，所用儀器及設備有Win3D 型三維掃描儀，點云參數化處理及曲面封裝軟件Geomagic Wrap，逆向建模軟件Geomagic Design X。模擬葉輪在外界力作用下的變形情況，對葉輪進行了破壞，為葉輪的修復研究提供模型，如圖1所示。

圖1 葉輪

逆向工程是將物體轉化為數字化模型的專業技術，是新型產品設計的重要手段，尤其對于不規則曲面的設計，具有重要意義。因此，近年來得到了快速發展。逆向設計的流程如圖2 所示。該方法結合了正、逆向設計的優勢，是一種新型建模手段，可有效解決異形結構零件建模困難的問題。

圖2 逆向設計的基本流程圖

2 Win3D-M 掃描系統

本文以Win3D-M 掃描儀作為數據采集工具來進行注射葉輪的數據采集。采用先進的電外差光柵相移測量技術，首先將光柵條紋投射到被掃描工件表面，光柵條紋的幅度和相位被調制。被調制后的條紋經Win3DD 三維掃描系統相機采集到專用計算機，最后采用獨特的解調方法將攜帶工件深度信息的相位解調出來，得到工件的三維信息，即三維世界坐標。對工件進行面掃描的非接觸式三維光學掃描方式，可針對外觀復雜、自由曲面、柔軟易變形或易磨損的物體進行表面數據獲取，超越傳統激光掃描儀的精度低、效率差及行程限制等缺陷，增強的計算方法可對深色物體進行掃描，避免顯影劑的噴涂與清洗工作。Win3D-M掃描儀隨附的專業數據采集及優化軟件Win3DD/Geomagic Wrap，為三維數據的掃描和測量提供了強大的支持Win3DD 掃描系統如圖3 所示。

3 注射葉輪的點云數據獲取

三維數據獲取的具體步驟[7]：①對工件進行噴涂專用顯像劑；②對設備進行調整；③對Win3D 掃描系統進行標定精度（0.020～0.040）；④將Win3D 掃描儀的附件二維轉盤（規格為?360×6mm）放置合適位置；⑤對二維轉盤和工件貼專用標志點；⑥對工件進行掃描；獲得數據。在工件表面均勻噴涂顯像劑等待風干后，放置貼過標志點的二維轉盤上（二維轉盤上的標志點位置應無規律貼放，避免由于標志點對稱而導致數據采集的失敗等），如圖3所示。將掃描儀頭調整到合適的位置，投影儀到二維轉盤的距離約為600mm（可用一張白紙測驗：兩十字重合約為600mm）。使用Win3D-M系統在掃描的過程中應注意掃描儀的視野內必須有3～4 用來確定位置的點。測量設備的單幅掃描時間＜3s，掃描空間誤差為0.03 mm 以下，以滿足工程要求，針對體積較大工件表面掃不完整的可在保持標志點掃描數量的前提下挪動二維轉盤或用專用黑墊塊適當墊起轉盤底部一角使掃描盲區減小同時也減小數據偏差。掃描過程中必須保持實物和二維轉盤之間的平穩性。如果掃描過程中工件和二維轉盤之間的相對位置發生變化則會影響整個件的掃描精度甚至使掃描數據直接失敗。注射葉輪的掃描數據采集工作現場如圖4 所示。

圖3 掃描儀掃描系統及輔件

圖4 葉輪的點云采集

4 三維數據的封裝、簡化、修補、后處理

由于受外界光線和被測物體表面質量的影響，用Win3D-M 掃描儀采集數據時經常會出現一些異常數據（如“二維轉盤表面雜點”、“掃描儀鏡頭灰塵點”等）。影響曲面重構的精確性。為保證后續曲面重構點云數據的精確性，我們需要將這些異常點除去，故在進行模型的逆向重構前需要先對掃描所得點云數據進行預處理。在去除異常數據過程中，以角度和弦高差作為判斷依據，在平滑光順過程中，采用平均值、高斯分布和中值濾波等方法。逆向工程研究的數據精簡方法主要針對濾波過后的點云數據。首先是封裝點云，將葉輪點云轉為網格以點云對象轉成多邊形對象；第二步簡化數據，減少三角形的數目但不影響曲面細節或顏色。掃描時為了得到更精確完整的數據模型，需要對物體的不同方位進行掃描采集，這就造成點云數據疊加。軟件中利用功能簡化保證點云數據必要精度的前提下，減少掃描采集時所得點云數據的數量。第三步破空修補，指定填充一個完整開口。掃描過程中被掃描物體因形狀、光線、表面粉質量等原因，使掃描后的點云數據部分缺失，造成封裝后三角網格面有孔洞或大型釘狀物存在。利用Geomagic 軟件功能修補和填充，根據曲面曲率等參數對缺失或有缺陷的部分三角網格進行修補、填充。后處理重劃網格、松弛、刪除釘狀物、減少噪聲。經封裝后的點云數據由于數據缺陷等原因會導致網格曲面粗糙，表面質量不光順。利用軟件功能命令對工件點云數據三角網格面進行光順、細化三角形和釘狀物的處理。三維點云數據到曲面擬合過程如圖5 所示。

圖5 葉輪點云

5 建立參數化模型

將三維掃描儀采集的葉輪模型點云數據，運用Geomagic Wrap 對點云數據進行參數化處理，封裝成葉輪的片體參數化模型，并保存為*.stl 格式；將該*.stl 片體模型導入Geomagic Design X 軟件進行實體化參數建模，如圖6 所示。

圖6 葉輪的逆向模型

逆向工程技術不僅縮短了葉輪產品測量與研發周期，同時簡化了復雜曲面產品CAD 模型的設計流程，有效解決了傳統測量與設計模式的缺陷不足。通過葉輪的逆向設計，建立了高精度的曲面模型，實現了葉輪全面的參數化三維模型構建，并通過質量分析對葉輪重建模型進行了誤差評估和檢測，更好地滿足了葉輪的產品改型和用戶定制化化需求，有利于葉輪的創新設計和后期的CAM加工。本文研究內容為葉輪的設計與制造模式提供了新的思路，同時也為相關工業產品的逆向設計提供了重要參考。

6 在教學中的應用與推廣

逆向技術設計的葉輪，通常需要3D 打印技術或五軸加工技術實現制造。從1+X 政策來看，逆向技術應用與機械制造中，設計出來自戰斗機的整體式葉輪零件，融入了國防教育，以軍工特色為背景，教師通過內容講解、環境影響，將軍工文化、傳統文化、社會責任感、民族自信心、精益求精等滲透到課堂教學中，潤物細無聲，使學生學到知識的同時，獲得相應的1+X 證書，提升學生素養。

7 結語

以三維掃描和曲面重構技術為支撐的產品逆向工程技術在新產品設計中應用廣泛，尤其是對于以自由曲面為特征的零部件的設計，針對葉輪復雜曲面重構效率低和精度光順度低等問題，論文采用逆向工程的多種曲面重構技術，通過多種測量技術采集多組點云數據，采用除噪、平滑等技術進行點云預處理，將多組點云數據統一到同一坐標系下，采用多種重構技術相結合的方法達到快速曲面重構的目的。結果表明，該方法能夠方便快捷地達到復雜曲面重構的精度和光順度要求，具有較好的實用性。運用了逆向和正向相結合的混合設計方法完成了葉輪的曲面逆向重構與曲面造型再創新設計。該方法可用于大專院校相關專業教學，將軍工文化、傳統文化、社會責任感、民族自信心、精益求精等滲透到課堂教學中，潤物細無聲，使學生學到知識的同時，獲得相應的1+X 證書，提升學生思政素養，培養對大國制造的興趣。