基于WIN3D-M 的航空葉輪逆向造型技術(shù)研究

周信安，寧 棟，徐家忠，潘俊兵

（1.陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，陜西 西安 710300；2.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

為積極響應(yīng)國(guó)家“中國(guó)制造2025”的強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，培養(yǎng)技能人才的力度不斷加大，特別是復(fù)雜部件多軸加工技能人才的培養(yǎng)工作迫在眉睫。在制造行業(yè)中，大量的企業(yè)和高校尤其是高職院校都不斷加大投入力度，完善軟、硬件配套設(shè)施。然而，在進(jìn)行多軸設(shè)備的考察、選型、購(gòu)置和驗(yàn)收等方面，一些企業(yè)和高校存在經(jīng)驗(yàn)不足和方法不當(dāng)?shù)膯?wèn)題，具有一定的盲目性。逆向工程技術(shù)，又稱(chēng)反求工程技術(shù)，是指利用數(shù)字化掃描設(shè)備（如激光掃描儀等）得到物體的外形參數(shù)，再將該參數(shù)轉(zhuǎn)化成數(shù)字化模型的方法[1～3]。該方法適用于任何零件的建模，對(duì)于復(fù)雜零件的建模和創(chuàng)新設(shè)計(jì)具有重要意義[4，5]。研究逆向工程的新理論、新方法，對(duì)推動(dòng)工業(yè)化建設(shè)具有積極意義[6，7]。飛機(jī)葉輪作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪增壓器、壓縮機(jī)等現(xiàn)代機(jī)械動(dòng)力裝置的關(guān)鍵零部件，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度大的特點(diǎn)。因此該文以飛機(jī)葉輪為研究對(duì)象，通過(guò)逆向工程技術(shù)，對(duì)缺損的部件進(jìn)行修復(fù)，并建立參數(shù)化模型。

1 飛機(jī)葉輪樣件介紹

本文以航空飛機(jī)葉輪為研究對(duì)象，所用儀器及設(shè)備有Win3D 型三維掃描儀，點(diǎn)云參數(shù)化處理及曲面封裝軟件Geomagic Wrap，逆向建模軟件Geomagic Design X。模擬飛機(jī)葉輪在外界力作用下的變形情況，對(duì)飛機(jī)葉輪進(jìn)行了破壞，為飛機(jī)葉輪的修復(fù)研究提供模型，如圖1 所示。

圖1 飛機(jī)葉輪

2 Win3D-M 掃描系統(tǒng)

本文以Win3D-M 掃描儀作為數(shù)據(jù)采集工具來(lái)進(jìn)行飛機(jī)葉輪的數(shù)據(jù)采集。采用先進(jìn)的電外差光柵相移測(cè)量技術(shù)，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(diào)制。被調(diào)制后的條紋經(jīng)Win3DD 三維掃描系統(tǒng)相機(jī)采集到專(zhuān)用計(jì)算機(jī)，最后采用獨(dú)特的解調(diào)方法將攜帶工件深度信息的相位解調(diào)出來(lái)，得到工件的三維信息，即三維世界坐標(biāo)。對(duì)工件進(jìn)行面掃描的非接觸式三維光學(xué)掃描方式，可針對(duì)外觀(guān)復(fù)雜、自由曲面、柔軟易變形或易磨損的物體進(jìn)行表面數(shù)據(jù)獲取，超越傳統(tǒng)激光掃描儀的精度低、效率差及行程限制等缺陷，增強(qiáng)的計(jì)算方法可對(duì)深色物體進(jìn)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(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)采集及優(yōu)化軟件Win3DD/Geomagic Wrap，為三維數(shù)據(jù)的掃描和測(cè)量提供了強(qiáng)大的支持Win3DD 掃描系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 掃描儀掃描系統(tǒng)及輔件

3 飛機(jī)葉輪的點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

三維數(shù)據(jù)獲取的具體步驟[8，9]：①對(duì)工件進(jìn)行噴涂專(zhuān)用顯像劑；②對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整；③對(duì)Win3D 掃描系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定精度（0.020～0.040）；④將Win3D 掃描儀的附件二維轉(zhuǎn)盤(pán)（規(guī)格為?360×6mm）放置合適位置；⑤對(duì)二維轉(zhuǎn)盤(pán)和工件貼專(zhuān)用標(biāo)志點(diǎn)；⑥對(duì)工件進(jìn)行掃描；獲得數(shù)據(jù)。在工件表面均勻噴涂顯像劑等待風(fēng)干后，放置貼過(guò)標(biāo)志點(diǎn)的二維轉(zhuǎn)盤(pán)上（二維轉(zhuǎn)盤(pán)上的標(biāo)志點(diǎn)位置應(yīng)無(wú)規(guī)律貼放，避免由于標(biāo)志點(diǎn)對(duì)稱(chēng)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集的失敗等），如圖3 所示。將掃描儀頭調(diào)整到合適的位置，投影儀到二維轉(zhuǎn)盤(pán)的距離約為600mm（可用一張白紙測(cè)驗(yàn)：兩十字重合約為600mm）。使用Win3D-M系統(tǒng)在掃描的過(guò)程中應(yīng)注意掃描儀的視野內(nèi)必須有3～4 個(gè)用來(lái)確定位置的點(diǎn)。針對(duì)體積較大工件一表面掃不完整的可在保持標(biāo)志點(diǎn)掃描數(shù)量的前提下挪動(dòng)二維轉(zhuǎn)盤(pán)或用專(zhuān)用黑墊塊適當(dāng)墊起轉(zhuǎn)盤(pán)底部一角使掃描盲區(qū)減小同時(shí)也減小數(shù)據(jù)偏差。掃描過(guò)程中必須保持實(shí)物和二維轉(zhuǎn)盤(pán)之間的平穩(wěn)性。如果掃描過(guò)程中工件和二維轉(zhuǎn)盤(pán)之間的相對(duì)位置發(fā)生變化則會(huì)影響整個(gè)件的掃描精度甚至使掃描數(shù)據(jù)直接失敗。飛機(jī)葉輪的掃描數(shù)據(jù)采集工作現(xiàn)場(chǎng)如圖3 所示。

圖3 飛機(jī)葉輪的點(diǎn)云采集

完成點(diǎn)云采集后，首先需要封裝點(diǎn)云，將飛機(jī)葉輪點(diǎn)云轉(zhuǎn)為網(wǎng)格以點(diǎn)云對(duì)象轉(zhuǎn)成多邊形對(duì)象；第二步簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)，減少三角形的數(shù)目但不影響曲面細(xì)節(jié)或顏色。掃描時(shí)為了得到更精確完整的數(shù)據(jù)模型，需要對(duì)物體的不同方位進(jìn)行掃描采集，這就造成點(diǎn)云數(shù)據(jù)疊加。軟件中利用功能簡(jiǎn)化保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)必要精度的前提下，減少掃描采集時(shí)所得點(diǎn)云數(shù)據(jù)的數(shù)量。第三步破空修補(bǔ)，指定填充一個(gè)完整開(kāi)口。掃描過(guò)程中被掃描物體因形狀、光線(xiàn)、表面粉質(zhì)量等原因，使掃描后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)部分缺失，造成封裝后三角網(wǎng)格面有孔洞或大型釘狀物存在。利用Geomagic 軟件功能修補(bǔ)和填充，根據(jù)曲面曲率等參數(shù)對(duì)缺失或有缺陷的部分三角網(wǎng)格進(jìn)行修補(bǔ)、填充。后處理重劃網(wǎng)格、松弛、刪除釘狀物、減少噪聲。經(jīng)封裝后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)由于數(shù)據(jù)缺陷等原因會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格曲面粗糙，表面質(zhì)量不光順。利用軟件功能命令對(duì)工件點(diǎn)云數(shù)據(jù)三角網(wǎng)格面進(jìn)行光順、細(xì)化三角形和釘狀物的處理。

4 建立飛機(jī)葉輪的參數(shù)化模型

將三維掃描儀采集的飛機(jī)葉輪模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)，運(yùn)用Geomagic Wrap 對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)化處理，封裝成飛機(jī)葉輪的片體參數(shù)化模型，并保存為*.stl格式；將該*.stl 片體模型導(dǎo)入Geomagic Design X軟件進(jìn)行實(shí)體化參數(shù)建模（圖4）。

圖4 飛機(jī)葉輪的逆向模型

5 結(jié)語(yǔ)

以三維掃描和曲面重構(gòu)技術(shù)為支撐的產(chǎn)品逆向工程技術(shù)在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛，尤其是對(duì)于以自由曲面為特征的零部件的設(shè)計(jì)，針對(duì)飛機(jī)葉輪復(fù)雜曲面重構(gòu)效率低和精度光順度低等問(wèn)題，論文采用逆向工程的多種曲面重構(gòu)技術(shù)，通過(guò)多種測(cè)量技術(shù)采集多組點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用除噪、平滑等技術(shù)進(jìn)行點(diǎn)云預(yù)處理，將多組點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下，采用多種重構(gòu)技術(shù)相結(jié)合的方法達(dá)到快速曲面重構(gòu)的目的。結(jié)果表明該方法能夠方便快捷地達(dá)到復(fù)雜曲面重構(gòu)的精度和光順度要求，具有較好的實(shí)用性。運(yùn)用了逆向和正向相結(jié)合的混合設(shè)計(jì)方法完成了飛機(jī)葉輪的曲面逆向重構(gòu)與曲面造型再創(chuàng)新設(shè)計(jì)。該方法可用于大專(zhuān)院校相關(guān)專(zhuān)業(yè)教學(xué)，提高學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，培養(yǎng)對(duì)大國(guó)制造的熱情。