泵體水力模具逆向工程技術(shù)研究

尤 寶，梁曉輝

（洛陽雙瑞特種裝備有限公司，洛陽 471000）

0 引言

隨著現(xiàn)代測量設(shè)備、計算機輔助幾何設(shè)計技術(shù)的發(fā)展以及人們對設(shè)計概念理解的深入，逆向工程技術(shù)作為快速設(shè)計與制造的主要支撐技術(shù)之一正在成為研究與應(yīng)用的熱點[1]。逆向工程作為現(xiàn)代設(shè)計與制造的重要技術(shù)手段，能夠有效縮短從設(shè)計到制造的周期，是幫助設(shè)計者實現(xiàn)并行工程等現(xiàn)代新概念的一種強有力工具。目前逆向工程在航空、汽車、模具、玩具等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛作用，其主要應(yīng)用在新產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)品改型設(shè)計、產(chǎn)品仿制、質(zhì)量檢驗以及快速原型零件制造等領(lǐng)域[1]。

逆向工程是指對已有產(chǎn)品原型，消化吸收和挖掘蘊含其中的產(chǎn)品設(shè)計、制造和管理等各方面的一系列分析方法、手段和技術(shù)的綜合[2]泵是應(yīng)用非常廣泛的通用機械，凡有液體流動之處，幾乎都有泵在工作。泵體作為離心泵壓水室的一部分，與葉輪一起構(gòu)成了離心泵的過流部件，能夠?qū)崿F(xiàn)將泵體中水的動能轉(zhuǎn)換為勢能。從水力方面看，螺旋形壓水室中的流動比較理想，適應(yīng)性強，高效率范圍寬[3]，因此螺旋形蝸殼泵體在離心泵中被廣泛設(shè)計與應(yīng)用，但由于螺旋形蝸殼泵體受形狀限制，流道不能機械加工，尺寸形狀與表面光潔度直接靠鑄造來保證。泵體鑄造使用鑄造模具進行泵體型芯與型腔成型，通過鋼液在型腔內(nèi)凝固冷卻后形成鑄造泵體。一般泵體鑄造模具分外模（圖1左）與芯盒，泵體外模主要在砂箱中形成泵體的外鑄造表面，芯盒主要通過砂型做出流道砂芯，然后通過定位組合模塊放置在砂箱內(nèi)形成泵體流道內(nèi)表面，如圖2所示。

圖1 泵體外模模具實物

圖2 泵體外模型腔與泵體芯盒砂芯

本文借助于單級離心泵鑄造模具開展逆向工程研究，采用工業(yè)三維激光掃描儀作為葉片模具數(shù)據(jù)提取設(shè)備，通過對分體單個模具點云的數(shù)據(jù)提取，獲得完整的葉片點云數(shù)據(jù)信息，然后經(jīng)過二次處理軟件實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)衰減與優(yōu)化處理，通過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，為逆向后處理軟件Imageware surface10.5提供足夠而完整的點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過逆向軟件的基準對齊與點云截面提取、點云噪聲點去除和擬合點云截面曲線，最后將擬合好曲線導(dǎo)入三維軟件PROE中進行泵體葉片三維模型創(chuàng)建，結(jié)合泵體其他模具測量數(shù)據(jù)，最終完成整個泵體逆向三維創(chuàng)建，采用本方法，為泵體模具的逆向產(chǎn)品三維構(gòu)建提供了一種新的思路。

1 泵體水力設(shè)計方法簡介

為方便泵體模具逆向工程后期數(shù)據(jù)的處理，首先需要對泵體水力設(shè)計方法進行初步了解，泵體水力設(shè)計實際常用速度系數(shù)法，為方便泵體水力計算與繪圖，一般將螺旋形渦室取8個彼此成45°角端面，即用8個軸面切割渦室，求得各斷面的形狀和面積。設(shè)計時首先計算第Ⅷ斷面，其他斷面以第Ⅷ斷面為基礎(chǔ)進行確定，采用速度系數(shù)法可首先求的第Ⅷ斷面面積。通過速度系數(shù)法繪制的單級泵體水力圖如圖3所示，其中水力各斷面采用羅馬字母表示。泵體水力主要設(shè)計參數(shù)有：泵基圓直徑，泵隔舌半徑，以及互相呈45°夾角的I～VIII斷面尺寸，泵體IX、X斷面尺寸以及泵出口直徑等參數(shù)，通過這些參數(shù)即可表達泵體水力，同時也可采用三維設(shè)計軟件進行泵體水力三維模型創(chuàng)建，方便泵體建模、泵體水力分析以及強度分析等計算分析。

2 泵體模具數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

泵體進行逆向工程，首先就要進行點云的數(shù)據(jù)的獲取，目前逆向工程中常用的數(shù)據(jù)測量方式有接觸式測量、非接觸式測量以及工業(yè)CT掃描測量，根據(jù)不同被測物體形狀與結(jié)構(gòu)選擇合適的測量方式。根據(jù)泵體模具測量曲面為開放式結(jié)構(gòu)，在滿足精度要求前提下，為提高測量效率與減低測量成本，方便后期工業(yè)化、規(guī)模化測繪，首選非接觸式測量方式。

圖3 泵體水力模型設(shè)計圖

非接觸式測量是近些年快速發(fā)展起來的一種測量技術(shù)，它主要利用光學(xué)的原理對掃描對象進行數(shù)據(jù)的采集獲取[4]。本文采用掃描設(shè)備型號為天遠OKIO-S-400光學(xué)三維掃描儀，如圖4左所示，采用天遠DigiMetric Pro攝影測量系統(tǒng)，如圖4右所示。

通過三維光學(xué)掃描儀測量數(shù)據(jù)為asc格式,本例中單個模具測量數(shù)據(jù)點約400萬，數(shù)據(jù)大小約500M，由于數(shù)據(jù)量多內(nèi)存占用較大，不便于后期圖形數(shù)據(jù)的處理，對電腦配置要求高，為此需要對測量原始點云數(shù)據(jù)進行處理，處理過程采用Geomagic Studio軟件，通過對點云數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、點云著色、點云邊緣測量噪聲點處理、點云統(tǒng)一采樣以及采樣過程中使用衰減，將點云數(shù)量衰減到200萬左右，最后對點云進行數(shù)據(jù)計算封裝（三角化），逐一導(dǎo)出泵體芯盒與外模的四片點云數(shù)據(jù)，保存格式為STL，如圖5所示。

圖4 泵體芯盒模具三維掃描

3 泵體水力點云數(shù)據(jù)處理

泵體水力點云數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵在于點云數(shù)據(jù)的基準創(chuàng)建與整合、基于泵體水力設(shè)計與三維設(shè)計流程進行截面點云數(shù)據(jù)提取，對點云數(shù)據(jù)的曲線重構(gòu)，將完成后的曲線導(dǎo)入三維設(shè)計軟件進行曲面的構(gòu)建與實體化，結(jié)合該泵體其他組合模具尺寸測量結(jié)果，完成最終泵體的三維創(chuàng)建。

圖5 泵體模具STL點云數(shù)據(jù)

3.1 泵體點云數(shù)據(jù)基準創(chuàng)建

完整的泵體模具有泵體外模與芯盒模具組成，測量點云分為4部分，如圖5所示，如何將四片完整點云數(shù)據(jù)進行整合為完整泵體點云數(shù)據(jù)，需要對四片點云數(shù)據(jù)進行空間基準創(chuàng)建。根據(jù)泵體模具特點，以泵體模具測量中平面作為基準平面，本例中為XY平面，以基圓為中心坐標0點，垂直于基準平面XY軸為Z軸，以泵出口圓柱段中點與中心坐標原點連線作為Y軸，與Y軸垂直方向作為X軸，如圖6所示，最終與參考系坐標重合。單片點云數(shù)據(jù)創(chuàng)建完成后，對稱模具另一片點云數(shù)據(jù)的基準創(chuàng)建過程中，需要設(shè)置Z軸方向相反，最終將四片點云數(shù)據(jù)在空間坐標系中完成點云數(shù)據(jù)對齊。

圖6 泵體模具點云數(shù)據(jù)坐標系

由于4片點云數(shù)據(jù)處理流程相似，下面就以泵體芯盒單片點云數(shù)據(jù)為例，進行單片點云數(shù)據(jù)基準創(chuàng)建。單片點云數(shù)據(jù)處理流程：點云數(shù)據(jù)中平面提取與處理—點云中平面擬合XY平面—將擬合后的XY平面與點云數(shù)據(jù)作為群組與系統(tǒng)XY平面進行對齊—渦室中心圓柱點云數(shù)據(jù)提取與中心圓擬合—擬合圓與點云數(shù)據(jù)作為群組整體與系統(tǒng)創(chuàng)建XY平面圓進行圓心對齊—提取泵體出口圓柱段點云數(shù)據(jù)擬合出Y軸—擬合后的Y軸與點云數(shù)據(jù)作為群組與系統(tǒng)Y軸進行對齊—最后將輔助過程點云及線條刪除。

1）點云基準XY平面創(chuàng)建與系統(tǒng)平面對齊

根據(jù)點云數(shù)據(jù)提取泵體芯盒中平面點云數(shù)據(jù)，如圖7(b)所示，保留原有點云數(shù)據(jù)，對提取數(shù)據(jù)誤差較大區(qū)域進行誤差點刪除，由于選取的該平面上有凹凸不平點，建議不采用三點創(chuàng)建平面方式，一旦三點中的一點選擇凹凸不平點，所擬合平面放大后的誤差較大。建議此處采用點云擬合平面方法，具體采用Diagnose—誤差分析，彈出誤差分析結(jié)果圖，根據(jù)后期擬合要求設(shè)置誤差范圍±0.5mm，將超差點云數(shù)據(jù)逐一去除，直到所有點云均在誤差范圍內(nèi)，如圖7(c)所示，采用Create-創(chuàng)建基準平面，擬合后的平面如圖7(d)所示。

圖7 泵體芯盒模具基準平面創(chuàng)建

圖8 泵體中平面基準重合后點云

2）泵體點云Y軸創(chuàng)建與坐標原點對齊

針對點云數(shù)據(jù)Y軸的創(chuàng)建，根據(jù)圖6基準選擇，需要借助泵體基圓同心圓圓心與泵出口圓柱段來創(chuàng)建，首先創(chuàng)建泵體出口圓柱段圓柱中心線，首先提取泵體出口處靠近端面約20mm寬點云數(shù)據(jù)。如圖9(a)，保留原始點云數(shù)據(jù)，提取后的點云數(shù)據(jù)進行噪聲點去除，完成后對點云數(shù)據(jù)擬合圓柱，如圖9(b)，對擬合后的圓柱進行誤差分析，如圖9(c)，設(shè)定誤差為±0.5mm，反復(fù)刪除超差誤差點數(shù)據(jù)與圓柱擬合，直到滿足誤差范圍要求為止。連接圓柱兩端圓心點，如圖9(d)，將圓心連線投影到XY平面上，即設(shè)置Z軸坐標為0，刪除輔助點云，只保留原始點云與創(chuàng)建軸線。

圖9 泵體中平面基準重合后點云

取泵體基圓同心圓截面點云數(shù)據(jù)下端任意高度水平線截取點云，如圖10(a)，截取點云點云數(shù)據(jù)采用三點擬合圓，并將該擬合圓投影到XY平面內(nèi)，如圖10(b)，完成后將泵出口創(chuàng)建圓柱中心線與擬合圓圓心進行連線，如圖10(c)，完成點云數(shù)據(jù)Y軸的創(chuàng)建，將創(chuàng)建的Y軸與原始點云數(shù)據(jù)進行群組。在系統(tǒng)坐標系中創(chuàng)建Y軸方向直線，將創(chuàng)建后的系統(tǒng)Y軸與點云Y軸進行重合對齊。如圖11(a)。需要注意點云擬合連線與系統(tǒng)Y軸創(chuàng)建直線具有方向性。最后在XY系統(tǒng)平面上，以原點為圓心做任意半徑圓，將三點擬合后的基圓同心圓進行圓心對齊，最終將泵體單片芯盒點云數(shù)據(jù)與系統(tǒng)基準對齊，如圖11(b)。最后將基準對齊后的數(shù)據(jù)保存為STL格式輸出。

圖10 泵體中平面基準重合后點云

按照此方法，將其余三片點云數(shù)據(jù)按照以上系統(tǒng)基準創(chuàng)建方法完成基準對齊，注意相互對稱貼合的點云數(shù)據(jù)Z坐標方向相反。

3.2 泵體點云兩瓣貼合誤差分析檢測

圖11 泵體點云Y軸對齊與圓心對齊

泵體芯盒與外模各兩組點云基準創(chuàng)建完成后，需要對芯盒點云與外模點云貼合后各自進行誤差分析對比。以芯盒點云貼合后誤差分析為例，將兩組泵體芯盒點云數(shù)據(jù)同時導(dǎo)入軟件，如圖12(a)所示，以系統(tǒng)XY平面為基準，沿Z軸對稱取XY平面上下對稱平行兩基準面進行點云提取，基準面到XY平面間距取10mm，如圖12(b)所示，最后沿Z軸方向投影兩截面點云數(shù)據(jù)，其中對一個截面點云進行著色，在投影面上，如圖12(c)，對相近兩點云進行誤差測量，本例中測得最大誤差0.31mm，小于0.5mm，滿足逆向處理要求，同理做兩外模點云貼合后的誤差，如果誤差大于0.5mm，需要對較大誤差點云重新進行系統(tǒng)基準創(chuàng)建，查找造成誤差原因，反復(fù)對比，直到貼合后的測量誤差滿足最終逆向要求誤差。

圖12 泵體芯盒點云貼合后誤差分析

3.3 泵體關(guān)鍵截面點云參數(shù)提取

根據(jù)泵體水力設(shè)計方法，泵體水力設(shè)計主要涉及隔舌部位、泵體的水力模型的八個斷面尺寸、水力模型基圓以及泵體的出口段的三個斷面尺寸，下面就以泵體貼合后的芯盒模具點云為例進行以上關(guān)鍵部位尺寸的逆向求解。

1）泵體隔舌尺寸測量

提取泵體隔舌部位上下芯盒點云數(shù)據(jù)，單獨將該部位點云顯示進行分析，如圖13(a)所示，選取隔舌圓角點云比較完整區(qū)域，以XY平面對稱取兩平面進行點云提取，如圖13(b)所示，對提取的兩隔舌部位點云數(shù)據(jù)進行三點擬合圓，如圖13(c)所示，測量兩隔舌部位擬合圓半徑分別為2.97mm與3.17mm，由于過程存在誤差，設(shè)計值一般為整數(shù)，次處割舌半徑取整數(shù)值3mm。

圖13 泵體隔舌點云提取與隔舌圓擬合

2）泵體基圓尺寸測量

隔舌半徑確定后，根據(jù)泵體水力設(shè)計圖3所示，泵體基圓與隔舌圓在兩圓心連線上相切，取泵體芯盒點中的一組點云，擬合出隔舌圓并投影到XY平面上，與圖10方法一致，取基圓同心圓點云截面，通過三點擬合圓，將該圓投影到XY平面上，連接兩圓圓心，如圖14所示，測量兩圓圓心距，減去隔舌圓半徑就是基圓半徑，本例中兩圓心距78.5mm，隔舌圓半徑R為3，則基圓半徑為75.5mm。

圖14 泵體隔舌圓與擬合圓圓心連線

3）泵體各斷面點云數(shù)據(jù)提取與數(shù)據(jù)處理

對于泵體水力設(shè)計8個斷面的提取，如圖3所示，泵體水力第Ⅰ斷面為過Y軸垂直XY平面的平面，在軟件中選擇Extraction，選擇起始點X與Z值為0，Y值為任意值，設(shè)置斷面數(shù)為8，為便于后期三維建模，同時將過泵體隔舌圓心的斷面（一般稱為0斷面）也作出，最終斷面點云如圖15所示。

圖15 泵體水力沿基圓9截面點云數(shù)據(jù)

對于泵體水力出口處Ⅸ、Ⅹ斷面提取，采用將泵體出口處點云數(shù)據(jù)靠近XY平面單獨提取一個斷面，如圖16(b)所示，完成后根據(jù)彎曲點云斷面走向趨勢，對該段點云進行曲線擬合，需要注意的是泵體水力出口位置存在一段直線段，需要在曲線擬合過程需要不斷測量擬合曲線端點與周圍點云誤差，保證直線段與擬合曲線兩端點光滑過渡，如圖16(c)所示。完成后做垂直于擬合曲線垂直法線截面，為便于后期三維建模，截面數(shù)可取4～6個截面，如圖16(d)所示。

圖16 泵體水力出口截面創(chuàng)建

4）泵體各斷面點云數(shù)據(jù)曲線擬合

針對泵體水力提取的各斷面，根據(jù)圖3泵體水力設(shè)計斷面，首先對雜散點進行去除，尤其是兩片點云數(shù)據(jù)貼合面位置處，需要逐一去除，完成后采用軟件點云擬合曲線，完成各截面點云數(shù)據(jù)曲線擬合，需要指出的是，在泵體出口直線段點云擬合圓時，需要單獨進行三點擬合圓，完成后的擬合曲線保存為Vda格式，進行后期三維軟件處理。

圖17 泵體水力各截面擬合曲線

3.4 泵體水力模型與泵體三維模型創(chuàng)建

將導(dǎo)出的Vda格式的樣條曲線文件導(dǎo)入到Pro/E軟件中，如圖17所示，結(jié)合泵體隔舌圓半徑、基圓半徑及各個斷面曲線，采用變截面掃描泵體水力三維創(chuàng)建方法，完成的泵體水力模型如圖18所示。需要指出的是，在泵體水力三維模型創(chuàng)建過程中，在隔舌圓部位需要單獨采用曲面構(gòu)建。對于泵體三維建模，需要借助于泵體外模點云數(shù)據(jù)四片點云合并后，如圖19(a)所示，進行各斷面的的提取，如圖19(b)所示，完成對各斷面的壁厚測量，提取泵體出口法蘭尺寸，對入口法蘭及泵體其他模具進行卡尺測量后，結(jié)合測量數(shù)據(jù)進行泵體三維模型逆向創(chuàng)建，最終泵體水力三維模型與泵體三維模型如圖20所示。

圖18 泵體水力各截面擬合曲線

圖19 泵體水力截面擬合曲線

4 結(jié)束語

圖20 泵體水力三維模型與泵體三維模型

本文通過對泵體模具結(jié)構(gòu)特點進行分析，結(jié)合泵體水力設(shè)計知識，探討并通過實例驗證了采用光學(xué)三維掃描儀手段，獲取泵體外模與芯盒點云數(shù)據(jù)，給出了從點云數(shù)據(jù)采集、以surface10.5為主要點云數(shù)據(jù)處理平臺，進行了泵體模具測量點云逆向工程技術(shù)途徑研究，最后在Pro/E三維設(shè)計軟件中完成了泵體水力與泵體三維模型創(chuàng)建，為泵體逆向工程提供了一種新的思路。該方法在實際生產(chǎn)中已得到廣泛應(yīng)用，有效提升了設(shè)計人員的經(jīng)驗與效率，其應(yīng)用效果得到了設(shè)計人員的充分肯定。