整體式葉輪的逆向修復(fù)技術(shù)及教學(xué)研究

解 輝，雒鈺花，徐家忠，寧 棟

（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）

現(xiàn)階段，我國(guó)在軍工領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械設(shè)計(jì)方法也逐漸從傳統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)方法逐漸轉(zhuǎn)向以逆向設(shè)計(jì)方法為主。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[1，2]。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[3，4]，已被廣泛應(yīng)用于航空、汽車(chē)、電器、摩托車(chē)等產(chǎn)品的優(yōu)化與創(chuàng)新設(shè)計(jì)。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[5，6]。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 葉輪樣件介紹及逆向設(shè)計(jì)流程分析

本文以航空葉輪為研究對(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。模擬葉輪在外界力作用下的變形情況，對(duì)葉輪進(jìn)行了破壞，為葉輪的修復(fù)研究提供模型，如圖1所示。

圖1 葉輪

逆向工程是將物體轉(zhuǎn)化為數(shù)字化模型的專(zhuān)業(yè)技術(shù)，是新型產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要手段，尤其對(duì)于不規(guī)則曲面的設(shè)計(jì)，具有重要意義。因此，近年來(lái)得到了快速發(fā)展。逆向設(shè)計(jì)的流程如圖2 所示。該方法結(jié)合了正、逆向設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，是一種新型建模手段，可有效解決異形結(jié)構(gòu)零件建模困難的問(wèn)題。

圖2 逆向設(shè)計(jì)的基本流程圖

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)行注射葉輪的數(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3 所示。

3 注射葉輪的點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

三維數(shù)據(jù)獲取的具體步驟[7]：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 用來(lái)確定位置的點(diǎn)。測(cè)量設(shè)備的單幅掃描時(shí)間＜3s，掃描空間誤差為0.03 mm 以下，以滿足工程要求，針對(duì)體積較大工件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。注射葉輪的掃描數(shù)據(jù)采集工作現(xiàn)場(chǎng)如圖4 所示。

圖3 掃描儀掃描系統(tǒng)及輔件

圖4 葉輪的點(diǎn)云采集

4 三維數(shù)據(jù)的封裝、簡(jiǎn)化、修補(bǔ)、后處理

由于受外界光線和被測(cè)物體表面質(zhì)量的影響，用Win3D-M 掃描儀采集數(shù)據(jù)時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些異常數(shù)據(jù)（如“二維轉(zhuǎn)盤(pán)表面雜點(diǎn)”、“掃描儀鏡頭灰塵點(diǎn)”等）。影響曲面重構(gòu)的精確性。為保證后續(xù)曲面重構(gòu)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精確性，我們需要將這些異常點(diǎn)除去，故在進(jìn)行模型的逆向重構(gòu)前需要先對(duì)掃描所得點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。在去除異常數(shù)據(jù)過(guò)程中，以角度和弦高差作為判斷依據(jù)，在平滑光順過(guò)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(shù)據(jù)精簡(jiǎn)方法主要針對(duì)濾波過(guò)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。首先是封裝點(diǎn)云，將葉輪點(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、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。三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)到曲面擬合過(guò)程如圖5 所示。

圖5 葉輪點(diǎn)云

5 建立參數(shù)化模型

將三維掃描儀采集的葉輪模型點(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，如圖6 所示。

圖6 葉輪的逆向模型

逆向工程技術(shù)不僅縮短了葉輪產(chǎn)品測(cè)量與研發(fā)周期，同時(shí)簡(jiǎn)化了復(fù)雜曲面產(chǎn)品CAD 模型的設(shè)計(jì)流程，有效解決了傳統(tǒng)測(cè)量與設(shè)計(jì)模式的缺陷不足。通過(guò)葉輪的逆向設(shè)計(jì)，建立了高精度的曲面模型，實(shí)現(xiàn)了葉輪全面的參數(shù)化三維模型構(gòu)建，并通過(guò)質(zhì)量分析對(duì)葉輪重建模型進(jìn)行了誤差評(píng)估和檢測(cè)，更好地滿足了葉輪的產(chǎn)品改型和用戶定制化化需求，有利于葉輪的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和后期的CAM加工。本文研究?jī)?nèi)容為葉輪的設(shè)計(jì)與制造模式提供了新的思路，同時(shí)也為相關(guān)工業(yè)產(chǎn)品的逆向設(shè)計(jì)提供了重要參考。

6 在教學(xué)中的應(yīng)用與推廣

逆向技術(shù)設(shè)計(jì)的葉輪，通常需要3D 打印技術(shù)或五軸加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)制造。從1+X 政策來(lái)看，逆向技術(shù)應(yīng)用與機(jī)械制造中，設(shè)計(jì)出來(lái)自戰(zhàn)斗機(jī)的整體式葉輪零件，融入了國(guó)防教育，以軍工特色為背景，教師通過(guò)內(nèi)容講解、環(huán)境影響，將軍工文化、傳統(tǒng)文化、社會(huì)責(zé)任感、民族自信心、精益求精等滲透到課堂教學(xué)中，潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲，使學(xué)生學(xué)到知識(shí)的同時(shí)，獲得相應(yīng)的1+X 證書(shū)，提升學(xué)生素養(yǎng)。

7 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)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)，將軍工文化、傳統(tǒng)文化、社會(huì)責(zé)任感、民族自信心、精益求精等滲透到課堂教學(xué)中，潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲，使學(xué)生學(xué)到知識(shí)的同時(shí)，獲得相應(yīng)的1+X 證書(shū)，提升學(xué)生思政素養(yǎng)，培養(yǎng)對(duì)大國(guó)制造的興趣。