逆向設(shè)計(jì)技術(shù)在渦輪葉片建模中的應(yīng)用研究

中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 劉韶光 武 鵬 劉學(xué)杰 段 明

渦輪葉片是渦輪增壓器的關(guān)鍵部件之一，其外形曲面比較復(fù)雜，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能有重要的影響。葉片一般通過葉根的隼齒成組安裝在壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的輪轂上。在工作的過程中，如果某個(gè)葉片損傷，可對(duì)其單獨(dú)進(jìn)行置換，保證渦輪增壓器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。渦輪葉片中的葉身部位是由復(fù)雜的曲面組成的，其截面是變化的，沿輻射線方向在空間也是扭曲的，其設(shè)計(jì)圖紙描述十分復(fù)雜。

逆向工程是指從實(shí)物樣件獲取產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型、進(jìn)而開發(fā)出同類的先進(jìn)產(chǎn)品的技術(shù)[1]。渦輪葉片的逆向設(shè)計(jì)是指在缺乏圖紙、三維數(shù)模及相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，如果需要修復(fù)或者重新生產(chǎn)制造葉片時(shí)，可以通過激光掃描設(shè)備使葉片的表面數(shù)字化，應(yīng)用逆向設(shè)計(jì)技術(shù)處理獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最終設(shè)計(jì)出可以應(yīng)用于生產(chǎn)制造的三維數(shù)模。就目前的情況來看，逆向設(shè)計(jì)技術(shù)是快速實(shí)現(xiàn)渦輪葉片外形曲面數(shù)字化的主要途徑。

渦輪葉片逆向工程流程

渦輪葉片的逆向工程是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要涉及制造業(yè)的諸多領(lǐng)域。一般是指以現(xiàn)有的渦輪葉片為基礎(chǔ)，選擇合適的三維數(shù)字化測(cè)量設(shè)備（接觸式或非接觸式）使葉片的表面數(shù)字化，依靠逆向設(shè)計(jì)軟件（CATIA、Geomagic和Polyworks等）構(gòu)建葉片的外形曲面及CAD模型，根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行CFD計(jì)算優(yōu)化外形設(shè)計(jì)，并根據(jù)使用要求選擇合適的材料和加工工藝完成渦輪葉片的生產(chǎn)制造的過程。狹義的渦輪葉片逆向設(shè)計(jì)過程僅僅指構(gòu)建渦輪葉片外形曲面CAD模型的過程，如圖1所示。

測(cè)繪規(guī)劃屬于逆向工程的前期流程，規(guī)劃結(jié)果決定了測(cè)繪工作的效率，直接影響著點(diǎn)云的誤差。一般來說，主要是根據(jù)被測(cè)物體的外形尺寸、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度及逆向設(shè)計(jì)要求確定點(diǎn)云采取接觸式還是非接觸式，測(cè)繪設(shè)備是否需要在不同的站位對(duì)零件進(jìn)行測(cè)繪及激光掃描線的密度等工作。經(jīng)過分析確定采用非接觸式基于激光跟蹤儀和Polyworks測(cè)量軟件的T-scan對(duì)該葉片進(jìn)行掃描，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于葉片尺寸不大，可以通過翻轉(zhuǎn)葉片兩次將整個(gè)葉片的表面全部數(shù)字化，兩次采集的數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)多視拼合得到完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖1 渦輪葉片逆向工程的一般流程

在測(cè)繪的過程中由于測(cè)量者手持設(shè)備的姿態(tài)、零件本身的清潔度及環(huán)境條件等的影響，會(huì)采集到一些與點(diǎn)云整體偏離值較大的孤立點(diǎn)或噪點(diǎn)，數(shù)據(jù)過濾就是為了剔除這些與逆向設(shè)計(jì)無關(guān)點(diǎn)。STL封裝是將采集的離散的點(diǎn)云作為三角形的頂點(diǎn)連接形成分片線形曲面，能夠表示測(cè)點(diǎn)的臨接關(guān)系和模型的正確全局拓?fù)鋄2]。數(shù)據(jù)分塊是根據(jù)葉片的表面特征，將其點(diǎn)云分為不同的數(shù)據(jù)塊分別進(jìn)行逆向曲面設(shè)計(jì)，提高逆向設(shè)計(jì)效率，消除無關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)對(duì)待處理區(qū)域的影響。

渦輪葉片逆向設(shè)計(jì)的目標(biāo)是根據(jù)離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)造出光滑、連續(xù)的CAD模型，因此模型重建技術(shù)是逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)之一。根據(jù)葉片的表面特征構(gòu)建逆向設(shè)計(jì)基準(zhǔn)面，應(yīng)用逆向設(shè)計(jì)軟件構(gòu)建輪廓曲線線架，再由輪廓截面線構(gòu)造外形曲面。在逆向設(shè)計(jì)過程中，要實(shí)時(shí)運(yùn)用檢測(cè)命令檢測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與構(gòu)造曲面間的偏差值。如果不符合要求，就需要調(diào)整NURBS（Non-Uniform Rational B-Spline）的控制點(diǎn)，直到滿足要求，這是一個(gè)反復(fù)的過程，也需要大量的逆向設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，所需要的逆向設(shè)計(jì)技巧很多，需要在實(shí)踐中根據(jù)不同的實(shí)際情況采用相應(yīng)的曲面構(gòu)建方法，以達(dá)到滿意的效果。

分塊構(gòu)造的曲面結(jié)合后可以生成CAD模型。如果僅僅是維修、復(fù)制某渦輪葉片，此時(shí)就可以進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)完成零件的生產(chǎn)制造。如果需要對(duì)某一渦輪增壓器進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，提高其工作效率，就需要以逆向設(shè)計(jì)獲取的CAD模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行CFD氣動(dòng)計(jì)算，可根據(jù)不同的計(jì)算結(jié)果和需求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)使用環(huán)境的要求，選擇合適的材料和機(jī)械加工工藝，完成渦輪葉片的改型優(yōu)化設(shè)計(jì)制造。這個(gè)過程是渦輪葉片逆向工程的一般流程，具體的實(shí)施過程中還有更多的細(xì)節(jié)需要考慮。

圖2 某渦輪葉片外形組成及葉型截面曲線圖

某渦輪葉片逆向設(shè)計(jì)實(shí)例

1 渦輪葉片外形分析

渦輪壓氣機(jī)某一葉片在工作中損傷，生產(chǎn)廠家已停止對(duì)該葉片的供應(yīng)，渦輪壓氣機(jī)要正常運(yùn)行，就迫切需要應(yīng)用逆向設(shè)計(jì)對(duì)其外形進(jìn)行建模，通過數(shù)控加工中心對(duì)其進(jìn)行生產(chǎn)制造。如圖2所示，經(jīng)過分析，該葉片屬于整體機(jī)加件，由葉冠（肩臺(tái)）、葉身（葉型）和葉根（T型）3部分組成，其葉冠與葉根的端面屬于平整的平面，葉身的葉型是由復(fù)雜的葉背曲面和葉盆曲面構(gòu)成，屬于扭葉片，進(jìn)氣邊與出氣邊都是光滑的圓角。扭葉片是葉根到葉冠的型線部規(guī)則，是變截面葉片[3]。

2 葉片表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集

本次點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取采用的設(shè)備為T-scan，屬于非接觸式測(cè)量方式，也不需要在葉片的表面噴涂顯影劑或粘貼標(biāo)示點(diǎn)，其數(shù)據(jù)采集精度可以達(dá)到20μm。T-scan是一種基于激光三角法的非接觸式手持激光掃描測(cè)量工具，設(shè)備發(fā)射的激光光束通過一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的棱鏡反射到待掃描的渦輪葉片外形曲面上。激光光束被渦輪葉片外形表面反射并被T-scan接收。根據(jù)葉片反射表面距離的不同，反射到CCD線性傳感器的位置也不同。T-scan在掃描過程中不會(huì)對(duì)被測(cè)渦輪葉片的外形曲面產(chǎn)生影響，其測(cè)量精度高、測(cè)量速度快，能滿足渦輪葉片外形曲面重構(gòu)的要求。T-scan自身的空間定位系統(tǒng)可以定位掃描儀的空間位置，獲取被掃描部位表面的空間采樣點(diǎn)的三維坐標(biāo)，形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使渦輪葉片的表面數(shù)字化，并使所有點(diǎn)云處于同一坐標(biāo)系下。

由于葉片的尺寸不大，可將三維測(cè)繪掃描儀放置某一固定的站位，翻轉(zhuǎn)葉片2次就能完成整個(gè)葉片的表面數(shù)字化掃描工作。在軟件中通過2次掃描的公共區(qū)域?qū)Ⅻc(diǎn)云對(duì)齊至統(tǒng)一坐標(biāo)系下。通過T-scan獲取的點(diǎn)云是以單點(diǎn)的三維坐標(biāo)形式存儲(chǔ)，要對(duì)其進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，需要將其進(jìn)行三角面片封裝，封裝成（*.stl）格式，便于CATIA的識(shí)別。

由于掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)是機(jī)器坐標(biāo)系（MCS）下的數(shù)值。為了便于進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，可以根據(jù)渦輪葉片葉根端面平面及底部安裝孔位為基本特征建立零件坐標(biāo)系（PCS），通過CATIA軟件中的定位變換命令將其坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換至零件坐標(biāo)系下，如圖3所示。

圖3 采集的葉片點(diǎn)云圖（2種格式）

3 葉型曲線與曲面的構(gòu)建

在渦輪葉片逆向設(shè)計(jì)過程中，如果對(duì)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接進(jìn)行處理，過密的渦輪葉片外形曲面點(diǎn)云量不僅對(duì)計(jì)算機(jī)的性能要求很高，而且會(huì)降低外形曲面重構(gòu)的效率。數(shù)據(jù)抽稀是在保證掃描精度的前提下，根據(jù)葉片外形曲面的重構(gòu)需求，適當(dāng)?shù)膲嚎s掃描數(shù)據(jù)量，便于提高曲面的曲面質(zhì)量和重構(gòu)效率；數(shù)據(jù)分塊是指對(duì)采集的渦輪葉片的外形曲面點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊處理（分為葉冠、葉身、葉根3部分），分塊進(jìn)行曲面構(gòu)造，最后拼合和縫合成渦輪葉片外形曲面的過程。曲面重構(gòu)過程實(shí)際上就是根據(jù)實(shí)物模型的點(diǎn)云，重建其幾何和拓?fù)湫畔?，再現(xiàn)曲面產(chǎn)品特征的過程[4]。采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)填充、數(shù)據(jù)過濾剔除噪點(diǎn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)位逆向設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)[5]。分析渦輪葉片后，由于其葉冠和葉根的端面為平面，可以通過數(shù)據(jù)分塊分別對(duì)其進(jìn)行外形曲面設(shè)計(jì)。根據(jù)葉片外形的自身特點(diǎn)將其分為葉冠、葉身和葉根3部分?jǐn)?shù)據(jù)分別進(jìn)行外形曲面設(shè)計(jì)，最后通過CATIA中的縫合命令將其結(jié)合為整體。如圖4所示，葉身曲面的逆向設(shè)計(jì)過程最為復(fù)雜，需要通過與PCS中XY平面平行的一系列截面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行相交計(jì)算，獲取截面曲線，通過放樣計(jì)算、外插延伸、橋接及修飾得到葉身的外形曲面。葉冠和葉根的外形可以將CATIA中的零件設(shè)計(jì)模塊、創(chuàng)成式曲面模塊、點(diǎn)云編輯模塊與快速曲面重構(gòu)模塊等結(jié)合使用，得到葉冠與葉根的外形數(shù)據(jù)。

圖4 逆向構(gòu)建的葉身外形曲面

4 葉片的三維實(shí)體模型設(shè)計(jì)

以逆向設(shè)計(jì)構(gòu)造的葉身曲面理論外形為基礎(chǔ)，將其兩端封閉，填充為實(shí)體數(shù)模。將葉根與葉冠的端面的點(diǎn)云激活，分別應(yīng)用CATIA軟件中的Quick Surface Reconstruction模塊下的特征識(shí)別命令構(gòu)建端面基準(zhǔn)平面。將基準(zhǔn)平面與點(diǎn)云做相交運(yùn)算，根據(jù)相交獲得的截線為基礎(chǔ)，在基準(zhǔn)平面上構(gòu)造草圖，并在點(diǎn)云上創(chuàng)建草圖的拉伸方向，應(yīng)用Part Design中的凸臺(tái)命令分別構(gòu)建葉冠與葉根的三維實(shí)體模型。由于渦輪葉片樣件是一個(gè)整體零件，故應(yīng)用布爾運(yùn)算將三個(gè)零件幾何體合并為一個(gè)三維實(shí)體模型，并將相交區(qū)的棱角倒圓，使葉冠、葉根與葉身之間光滑過渡，具有良好的數(shù)控加工工藝性，如圖5所示。

圖5 基于逆向設(shè)計(jì)的渦輪葉片三維數(shù)模圖

結(jié)束語(yǔ)

在缺乏相關(guān)設(shè)計(jì)資料數(shù)據(jù)的前提下，根據(jù)某渦輪葉片的維修需求，應(yīng)用三維數(shù)字化測(cè)繪設(shè)備獲取葉片的表面數(shù)據(jù)，結(jié)合逆向設(shè)計(jì)的一般程序及葉片自身特點(diǎn)，分塊完成該葉片的葉冠、葉身及葉尾的外形曲面，并應(yīng)用布爾運(yùn)算將曲面結(jié)合為一體并填充成可用于數(shù)控加工的三維實(shí)體模型，得到了令人滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果，對(duì)該葉片的可維修性和再制造性奠定了基礎(chǔ)。隨著材料技術(shù)、數(shù)字化測(cè)量技術(shù)、逆向設(shè)計(jì)技術(shù)及流體力學(xué)計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)渦輪葉片生產(chǎn)制造領(lǐng)域?qū)?huì)迎來突破性的發(fā)展，這對(duì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)具有重要的意義。

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