基于Geomagic航空發(fā)動機(jī)葉片逆向建模與誤差檢測分析

陳恩雄

（長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空機(jī)械制造學(xué)院，長沙 410124）

航空航天制造水平是一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力、科技水平和國防力量的重要體現(xiàn)。逆向工程技術(shù)是提升航空航天制造水平的重要舉措[1-2]。航空發(fā)動機(jī)葉片作為航空發(fā)動機(jī)的重要零部件，是航空發(fā)動機(jī)研究的關(guān)鍵技術(shù)，也是很多發(fā)達(dá)國家封鎖的核心技術(shù)，因此往往無法獲得其初始設(shè)計(jì)的三維模型和相關(guān)參數(shù)[3]。本文利用Geomagic軟件，通過掃描獲取點(diǎn)云、點(diǎn)云數(shù)據(jù)優(yōu)化、Geomagic Design X模型逆向建模以及Geomagic Control模型的誤差檢測分析等，對某型航空發(fā)動機(jī)葉片進(jìn)行逆向建模，并在此基礎(chǔ)上得到其三維模型和相關(guān)參數(shù)，可在一定程度上助力我國航空發(fā)動機(jī)葉片設(shè)計(jì)制造水平的提高。

1 基于Geomagic Wrap三維數(shù)據(jù)信息的采集

1.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

逆向工程中，詳細(xì)分析研究點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集方法，通過對航空發(fā)動機(jī)葉片的形狀進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)實(shí)訓(xùn)室條件確定合適的采集方法，并對葉片進(jìn)行點(diǎn)云采集。這里利用Win3DD三維掃描儀對航空發(fā)動機(jī)葉片進(jìn)行360°無死角的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。Win3DD三維掃描儀的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 Win3DD三維掃描儀

1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

通過Win3DD三維掃描儀采集得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，帶有體外孤點(diǎn)、噪聲點(diǎn)、雜點(diǎn)以及破洞等，加之掃描人員的操作誤差，會出現(xiàn)點(diǎn)云層數(shù)據(jù)錯(cuò)層，造成點(diǎn)云數(shù)據(jù)誤差過大。如果直接使用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面逆向重構(gòu)，不但很難逆向重建模型，而且會對后面的提取曲線、擬合曲面精度產(chǎn)生大的影響，甚至出現(xiàn)無法擬合完成葉片曲面的情況[4]，因此需要對得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行較為復(fù)雜的點(diǎn)云處理。在Geomagic Wrap軟件中，對獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行多余雜點(diǎn)、體外孤點(diǎn)、減少噪聲、采樣以及平滑等處理，進(jìn)一步優(yōu)化點(diǎn)云，得到更好質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行去除突出物、殘留面、光整棱邊和交叉物等操作。對于掃描兩次或多次獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可采用拼接方式將其拼接到一起，再通過全局注冊對兩個(gè)或更多初始拼接后的點(diǎn)對象或者多邊形對象進(jìn)行精細(xì)拼接完成封裝，從而得到較高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)

1.3 三角面片處理

航空發(fā)動機(jī)葉片根部使用過后會出現(xiàn)表面不平、表面數(shù)據(jù)掃描精度差、掃描過程中有凹凸不平的表面和非有效雜點(diǎn)數(shù)據(jù)。為了后續(xù)葉片逆向重構(gòu)精度更高，需要對葉片根部進(jìn)行三角面皮處理。圖3為葉片根部圓角。圖4（a）為葉片根部圓角沒有處理前的情形，明顯可以看出表面不光順且存在破損。通過去除特征及表面數(shù)據(jù)平滑處理，得到了較好的曲面，如圖4（b）所示。

圖3 葉片根部圓角

圖4 葉片根部圓角所示部分的放大圖

2 三維Geomagic Design X逆向建模

將獲得的三角面片文件導(dǎo)入Geomagic Design X軟件，進(jìn)行坐標(biāo)對齊、領(lǐng)域分割以及模型建立等逆向建模[5]。葉片表面采用面片擬合方法進(jìn)行建模，面片擬合曲面將多邊形模型轉(zhuǎn)化成精確曲面模型，主要分為曲面片階段、柵格階段、曲面階段和輪廓線階段4個(gè)階段。采用輪廓樣條線編輯是為了將模型中曲面曲率較大的領(lǐng)域分隔開，將曲面曲率小的曲面區(qū)域分割在一起形成一個(gè)較大曲面領(lǐng)域[6]。為了提高曲面片的擬合質(zhì)量，需要對曲面片進(jìn)行預(yù)處理。曲面片中的柵格越密集，越能表現(xiàn)該曲面片的細(xì)節(jié)。經(jīng)過擬合曲面操作，最終可以得到如圖5和圖6所示的曲面柵格對比。曲面體偏差參數(shù)，如表1所示。

表1 曲面體偏差參數(shù)表

圖5 曲面體偏差對比1

圖6 曲面體偏差對比2

從圖5和圖6的曲面體偏差對比可以看出，許可偏差和控制點(diǎn)位會影響曲面擬合的精度，U延長比率和V延長比率只會延長曲面四周，所以曲面的精度主要由許可偏差和控制點(diǎn)位數(shù)決定。

為了更好地評估模型的準(zhǔn)確性，主要利用下面2個(gè)參數(shù)對最終得到的模型進(jìn)行體偏差分析[7]。

（1）標(biāo)準(zhǔn)偏差值S，表示偏差的離散程度，即

式中：x為點(diǎn)的實(shí)際位置；為期望位置；n為點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

（2）RMS表示均方根，能夠反映所得數(shù)據(jù)的可靠性，計(jì)算公式為

式中：di為一組分析值與參考值的偏差。

3 模型型面的精度檢測分析

將點(diǎn)云文件光固化立體造型術(shù)（Stereolithography，STL）和數(shù)字模型生成樹協(xié)議（Spanning Tree Protocol，STP）文件同時(shí)導(dǎo)入Geomagic Control精度分析軟件[8]，通過最佳擬合方式將點(diǎn)云文件STL和數(shù)字模型STP文件擬合為一體。對模型進(jìn)行3D比較，生成3D比較圖，以不同顏色區(qū)分測試體與參考對象之間不同偏差顏色生產(chǎn)體偏差圖，如圖7所示。

從圖7可以看出，公差均在±0.05 mm。3D選取點(diǎn)得到的點(diǎn)位分析可以得到圖8葉片表面公差分布圖，可以看出，葉片表面的公差主要分布在0.02 mm以內(nèi)。通過表2的葉片表面點(diǎn)位分析表可以得到每個(gè)點(diǎn)在葉片曲面的偏差公差。

表2 葉片表面點(diǎn)位分析表

圖7 體偏差圖

圖8 葉片表面公差分布圖

通過2D比較，選取葉片截面分析獲得圖9葉片截面圖，可以看出點(diǎn)的精度分析。葉片截面點(diǎn)位分析表，如表3所示。葉片截面公差分布圖，如圖10所示。由以上精度分析可得，通過逆向建模得到的三維模型的精度較高，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

表3 葉片截面點(diǎn)位分析表

圖9 葉片截面圖

通過對比分析可以得到葉片表面及截面點(diǎn)位公差分析數(shù)值，同時(shí)反映了逆向建模后得到模型精度的高低。通過對比修改葉片擬合參數(shù)得到精度較高的三維模型，可為加工模型打下更好的基礎(chǔ)。

圖10 葉片截面公差分布圖

4 結(jié)語

利用Geomagic軟件掃描獲取點(diǎn)云、優(yōu)化點(diǎn)云數(shù)據(jù)、通過Geomagic Design X模型逆向建模以及Geomagic Control模型的誤差檢測分析等，對某型航空發(fā)動機(jī)葉片進(jìn)行逆向建模，在此基礎(chǔ)上得到其三維模型和相關(guān)參數(shù)，可在一定程度上助力我國航空發(fā)動機(jī)葉片設(shè)計(jì)制造水平的提高。