尤 寶 羅 亮 姚長(zhǎng)江 李春合

(洛陽(yáng)雙瑞特種裝備有限公司)

潛水泵葉片逆向工程解決方法研究

尤 寶 羅 亮 姚長(zhǎng)江 李春合

(洛陽(yáng)雙瑞特種裝備有限公司)

通過對(duì)潛水泵導(dǎo)流殼和葉輪葉片的結(jié)構(gòu)分析，論證了傳統(tǒng)測(cè)量方法的可行性后，結(jié)合現(xiàn)有的三坐標(biāo)儀，創(chuàng)新性地提出了葉片的逆向工程測(cè)量方案與測(cè)量數(shù)據(jù)的后處理方案，實(shí)現(xiàn)了在現(xiàn)有檢測(cè)設(shè)備基礎(chǔ)上的快速測(cè)量與基于PRO/E軟件的數(shù)據(jù)處理，成功完成了本次潛水泵葉片的測(cè)繪與建模。

潛水泵 葉片 曲面 逆向工程 PRO/E

在日常的生產(chǎn)生活中，會(huì)碰到很多性能優(yōu)異的泵產(chǎn)品，而泵設(shè)計(jì)的重點(diǎn)集中體現(xiàn)在泵葉片的水力設(shè)計(jì)，如何獲得準(zhǔn)確的葉片模型，一直是優(yōu)異泵產(chǎn)品逆向工程中的難題。目前國(guó)外水泵設(shè)計(jì)方法與理論較國(guó)內(nèi)更加完善與精確，所以通過研究國(guó)外高效泵來快速提升國(guó)內(nèi)泵的效率，也是國(guó)內(nèi)泵設(shè)計(jì)與發(fā)展的一個(gè)捷徑[1]。筆者通過對(duì)潛水泵的結(jié)構(gòu)分析，論證了傳統(tǒng)逆向工程測(cè)繪的可行性，并基于現(xiàn)有便攜式三坐標(biāo)儀制定了葉片的測(cè)量方法和測(cè)量數(shù)據(jù)的處理方法，最終得到葉片的三維模型。

1 測(cè)繪方法的確定

本次測(cè)量的潛水泵葉輪、導(dǎo)流殼葉片的扭曲度均較大，如圖1所示。其中葉輪為閉式葉輪，外徑只有238mm，7片均布于葉輪前后蓋板的流道中；導(dǎo)流殼直徑為335mm，7個(gè)葉片分布在軸向方向只有250mm的流道內(nèi)，導(dǎo)致葉片所處空間狹小。在空間結(jié)構(gòu)上，葉輪葉片之間流道進(jìn)出口空間大，葉片中間型腔小，形成了空間扭曲的“面對(duì)面的喇叭口”；而導(dǎo)流殼相反，形成了空間扭曲的“背對(duì)背的喇叭口”狀，這給葉片的后續(xù)測(cè)量帶來了很大難度。

圖1 潛水泵葉輪與導(dǎo)流殼

1.1 傳統(tǒng)逆向工程方法

泵行業(yè)經(jīng)過多年的發(fā)展，目前也已形成幾種曲面葉片的測(cè)繪方法，如石蠟法造型、石膏法造型及鉛條法造型等。其主要原理為：用造型材料塞入葉輪周圍型腔中擠壓形成葉片形狀(工作面與背面分別造型)，然后取出葉片造型，經(jīng)修整好后，再將它按照實(shí)際空間位置擺好，利用自制專用夾具與測(cè)量工具進(jìn)行測(cè)繪。

傳統(tǒng)逆向測(cè)量方法存在的問題包括模型的取出和葉片空間位置的還原。

傳統(tǒng)的造型方法使用造型材料貼于葉片曲面表面，等自然風(fēng)干或烘干后取出。選擇的造型材料、脫模劑和葉片所處的空間位置直接決定了模型能否成功而完好地取出，并且葉片表面不發(fā)生變形，真實(shí)反映葉片的實(shí)際曲面型線。

完好取出葉片模型以后，要完成對(duì)葉片空間位置的還原。這就需要準(zhǔn)確測(cè)量葉片的實(shí)際空間進(jìn)出口夾角、葉片的包角和在軸面的定位尺寸，最后將葉片放在用車床車好的后蓋板木胎模具上進(jìn)行定位。由于依靠傳統(tǒng)測(cè)量工具很難準(zhǔn)確測(cè)量上述3個(gè)定位尺寸，因此葉片的實(shí)際空間位置還原幾乎無法做到，該環(huán)節(jié)也是引入葉片測(cè)繪誤差最大的環(huán)節(jié)。

鑒于以上傳統(tǒng)逆向工程測(cè)量方法存在的問題，結(jié)合目前潛水泵的特點(diǎn)，所完成的葉片模型不是不能完整取出，就是不能形成一個(gè)完整的整體，造型基本無法完成，同時(shí)考慮到造型過程中所帶來的誤差，從根本上無法完成泵葉片的準(zhǔn)確測(cè)繪工作。為了更好、更快、更準(zhǔn)確地完成本次測(cè)繪工作，需要打破傳統(tǒng)方法另辟蹊徑，借助先進(jìn)設(shè)備來完成此項(xiàng)工作。

1.2 先進(jìn)逆向工程方法

與傳統(tǒng)的測(cè)繪方法相比，依托先進(jìn)設(shè)備來進(jìn)行工業(yè)曲面的逆向造型法在近年已得到了快速發(fā)展。通過測(cè)量前儀器自身空間坐標(biāo)系的確定，使測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確反映被測(cè)物的空間位置，避免了傳統(tǒng)測(cè)量方法中模型的空間位置擺放問題，同時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，效率也能得到很大提高。

目前國(guó)內(nèi)常見的逆向測(cè)繪方法主要有兩種：接觸式數(shù)據(jù)測(cè)繪方法與非接觸式數(shù)據(jù)測(cè)量方法。非接觸式數(shù)據(jù)測(cè)量顧名思義為不接觸所測(cè)物體表面，就完成數(shù)據(jù)的采集與提取，主要原理是依靠光學(xué)反射來進(jìn)行測(cè)繪工作，目前常用的設(shè)備有激光測(cè)量?jī)x、工業(yè)CT等光學(xué)測(cè)量?jī)x；接觸式測(cè)量?jī)x需要用測(cè)量探頭對(duì)測(cè)量物表面進(jìn)行擠壓，將擠壓信號(hào)傳輸回處理系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的采集，典型代表設(shè)備為三坐標(biāo)儀。

由于本次測(cè)量葉片所處空間狹小，葉片大部分曲面光線無法照射到，所以非接觸式測(cè)量法無法實(shí)施，而對(duì)于接觸式測(cè)量方法而言，只要三坐標(biāo)儀測(cè)量桿足夠細(xì)、足夠長(zhǎng)，就可以探到葉片所處內(nèi)部空間，完成葉片表面數(shù)據(jù)的采集工作。通過對(duì)現(xiàn)有逆向工程測(cè)量設(shè)備的調(diào)研和對(duì)比分析，同時(shí)便于提升未來逆向工程的測(cè)量與處理能力，合理使用現(xiàn)有設(shè)備資源，最終確定使用手持式三坐標(biāo)儀來完成本次測(cè)繪工作。本次使用的三坐標(biāo)儀是一臺(tái)小型手持式三坐標(biāo)儀，最小探頭直徑為3mm，探頭桿長(zhǎng)250mm，桿直徑18mm，測(cè)量范圍為軸向1.2m、徑向0.6m。可以完成對(duì)表面的逐點(diǎn)捕捉，最高測(cè)量速度可達(dá)8m/min，測(cè)量精度最小約0.5μm。完全可以滿足測(cè)量精度的要求，通過實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)模擬，可準(zhǔn)確完成葉片四分之三的測(cè)量工作，后續(xù)四分之一工作可由軟件來處理完成。

手持式三坐標(biāo)儀對(duì)周圍測(cè)量環(huán)境與操作者的要求較高，首先，要準(zhǔn)確給出測(cè)量頭的掃描軌跡；其次，要求三坐標(biāo)操作人員能夠準(zhǔn)確地將探頭擠壓到需要測(cè)量的軌跡上；再次，根據(jù)測(cè)量軌跡的長(zhǎng)短，要做到每隔1mm均勻取值，同時(shí)要求操作者能夠準(zhǔn)確識(shí)別特殊點(diǎn)并完成特殊點(diǎn)的獲取。

由于現(xiàn)有三坐標(biāo)操作人員從未從事過空間扭曲葉片的測(cè)繪工作，平時(shí)只是對(duì)個(gè)別公差尺寸進(jìn)行檢測(cè)，而本次潛水泵葉片的測(cè)繪工作量大，僅葉片一個(gè)工作面測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)就多達(dá)一百個(gè)以上，長(zhǎng)時(shí)間手持測(cè)量臂，勞動(dòng)強(qiáng)度大，測(cè)量的誤差也逐步增大，通過實(shí)際試驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)部分尺寸最大誤差達(dá)4～5mm；同時(shí)，葉片空間位置復(fù)雜，需要從葉片進(jìn)出口兩邊進(jìn)行測(cè)量取值，需要不斷調(diào)整葉輪與導(dǎo)流殼的擺放位置，因此，測(cè)量工作需要三坐標(biāo)操作者在測(cè)前不斷反復(fù)地進(jìn)行試驗(yàn)與模擬測(cè)量。

結(jié)合潛水泵的實(shí)際尺寸，利用國(guó)產(chǎn)潛水泵葉輪與導(dǎo)流殼成品進(jìn)行劃線分析模擬，同時(shí)三坐標(biāo)操作人員完成了潛水泵測(cè)量工作前的練習(xí)，通過前期測(cè)量模擬獲得一定的操作經(jīng)驗(yàn)與分析能力。最終只用一天就完成了數(shù)據(jù)的測(cè)量提取。

1.3 測(cè)量數(shù)據(jù)的后處理

測(cè)量數(shù)據(jù)的處理是逆向工程中的核心工作。手持式三坐標(biāo)儀的測(cè)量數(shù)據(jù)有以下特點(diǎn)：

a. 測(cè)量數(shù)據(jù)多。為獲得更多有用的測(cè)量點(diǎn)，三坐標(biāo)儀在測(cè)量過程中需要盡可能多地獲取被測(cè)表面數(shù)據(jù)點(diǎn)，以完成準(zhǔn)確測(cè)量點(diǎn)的篩選，完成曲面的造型。在潛水泵葉片的測(cè)繪過程中，僅一個(gè)葉片的測(cè)量點(diǎn)就多達(dá)三百多個(gè)，加上前后蓋板曲線的測(cè)繪點(diǎn)，總的測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)多達(dá)750個(gè)。

b. 誤差大。由于采用手持式三坐標(biāo)儀進(jìn)行測(cè)量，操作者的手稍有抖動(dòng)，測(cè)量的誤差范圍就達(dá)4～5mm，并且隨著測(cè)量工作的持續(xù)，勞動(dòng)強(qiáng)度的增大，后續(xù)測(cè)量點(diǎn)的誤差也逐漸增大。

c. 測(cè)量數(shù)據(jù)殘缺多。對(duì)于閉式葉輪葉片與導(dǎo)流殼葉片，三坐標(biāo)測(cè)量獲取數(shù)據(jù)殘缺不全，由于潛水泵測(cè)量空間較小，形成的三維模型殘缺較多。

測(cè)量數(shù)據(jù)后續(xù)處理難點(diǎn)：

a. 測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)的甄別。對(duì)于總數(shù)多達(dá)七百多個(gè)的空間數(shù)據(jù)點(diǎn)，轉(zhuǎn)化為獨(dú)立數(shù)據(jù)數(shù)量可達(dá)兩千多個(gè)，如何甄別有效測(cè)量點(diǎn)、去除干擾噪聲點(diǎn)，是數(shù)據(jù)處理過程中的難點(diǎn)。傳統(tǒng)的處理方法是對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行一一對(duì)比分析，弊端是工作量較大，用時(shí)較長(zhǎng)。

b. 曲線的光順處理。

c. 曲面的修補(bǔ)與光順處理。

d. 模型與葉輪、導(dǎo)流殼水力學(xué)模型之間的轉(zhuǎn)化。

測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)形成的模型與測(cè)量實(shí)物模型之間的誤差，需要結(jié)合潛水泵設(shè)計(jì)理論來完成水力設(shè)計(jì)的對(duì)比和誤差消除。

2 數(shù)據(jù)后處理方案的確定

通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，結(jié)合后續(xù)處理存在的難點(diǎn)。針對(duì)大量散亂的數(shù)據(jù)點(diǎn)，如何實(shí)現(xiàn)高精確性與高智能化，節(jié)約時(shí)間和勞動(dòng)力，完成數(shù)據(jù)的后續(xù)處理，形成滿足理論設(shè)計(jì)意義上的三維模型，是后續(xù)數(shù)據(jù)處理方案的重點(diǎn)。借鑒國(guó)內(nèi)目前文物逆向修復(fù)工程對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的后處理方法，結(jié)合測(cè)量數(shù)據(jù)的特點(diǎn)、泵葉片實(shí)際特點(diǎn)和泵的水力理論設(shè)計(jì)，創(chuàng)新性地提出基于PRO/E三維設(shè)計(jì)軟件的三坐標(biāo)后續(xù)處理方案，具體歸納有以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：實(shí)現(xiàn)測(cè)量點(diǎn)與處理軟件的無縫對(duì)接；測(cè)量數(shù)據(jù)中特征點(diǎn)的有效甄別并提??；有效數(shù)據(jù)點(diǎn)的掃描曲線重構(gòu)；重構(gòu)掃描曲線特征提取；基于掃描曲線特征完成樣條曲線的創(chuàng)建；樣條曲線的光順處理；葉片模型的創(chuàng)建；葉片模型表面的光順處理；空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與特征點(diǎn)提取后形成葉片二維木模圖；對(duì)二維木模圖進(jìn)行水力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)；基于水力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的三維模型重建；最后3步反復(fù)循環(huán)，直到葉片模型表面光滑、過渡光順，水力學(xué)二維木模圖的型線光滑，各條型線之間過渡光滑。

具體方案實(shí)施過程如圖2所示。

圖2 泵葉片逆向工程具體實(shí)施過程

3 數(shù)據(jù)處理難點(diǎn)解決方法

3.1 測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)的有效甄別

該方案利用PRO/E軟件作為處理平臺(tái)，首先要完成對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量結(jié)果的無縫對(duì)接，避免對(duì)接過程中數(shù)據(jù)點(diǎn)的丟失。通過對(duì)點(diǎn)精度的要求，設(shè)定誤差值范圍，完成點(diǎn)的一次過濾(圖3)。創(chuàng)建曲線過程中對(duì)曲線進(jìn)行曲率范圍值的設(shè)定，實(shí)際曲線連接過程中，軟件自動(dòng)識(shí)別點(diǎn)與點(diǎn)的連接，從而完成散亂點(diǎn)云中關(guān)鍵點(diǎn)的提取。

圖3 原始數(shù)據(jù)的過濾界面

3.2 曲線的光滑調(diào)整

獨(dú)立樣條曲線的優(yōu)化過程如圖4所示。有效測(cè)量點(diǎn)識(shí)別完成后，首先在設(shè)定曲率范圍內(nèi)掃描曲線重建，但重建的掃描曲線是不能直接進(jìn)行三維葉片模型創(chuàng)建的，需要在創(chuàng)建模型前完成每條單獨(dú)曲線的局部光滑修正，局部修正需要修正基準(zhǔn)，所以基于掃描進(jìn)行特征提取，基于特征獲得創(chuàng)建三維模型所使用的樣條曲線，并以掃描曲線特征為基準(zhǔn)進(jìn)行空間局部樣條曲線的調(diào)整，最終保證三維模型的每一條獨(dú)立樣條曲線光滑。需要注意的是每一條相鄰樣條曲線的調(diào)整，均需要結(jié)合水力設(shè)計(jì)木模圖來進(jìn)行。

圖4 獨(dú)立樣條曲線的優(yōu)化過程

3.3 曲面修補(bǔ)與光順處理

測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)的缺失，后續(xù)處理曲面的局部破損嚴(yán)重，是逆向工程中常見問題，也是曲面處理難點(diǎn)。通過將處理過的獨(dú)立樣條曲線進(jìn)行空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，導(dǎo)入同一空間坐標(biāo)系，借助于相鄰獨(dú)立曲線的過渡曲率，完成殘缺樣條曲線的修補(bǔ)工作。增加樣條曲線的調(diào)整點(diǎn)，設(shè)置調(diào)整網(wǎng)格，來增加局部曲面的調(diào)整，結(jié)合葉片木模圖，來進(jìn)行曲面的光滑處理[2]，如圖5所示。

圖5 經(jīng)過修補(bǔ)與優(yōu)化后的導(dǎo)流殼葉片

3.4 三維模型與葉輪、導(dǎo)流殼水力學(xué)模型之間的轉(zhuǎn)化

創(chuàng)建的葉片三維模型，只是以測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、借助三維軟件平臺(tái)完成的，對(duì)于處理過程中的誤差很難做出合理的評(píng)判，目前只能以葉片水力學(xué)設(shè)計(jì)理論為評(píng)判依據(jù)，并借助于水力學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)二維曲線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。如何將三維模型與二維水力學(xué)設(shè)計(jì)相結(jié)合，來優(yōu)化水力模型是逆向工程中遇到的最后一個(gè)難題。借助于二維葉片木模的水力學(xué)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，利用三維設(shè)計(jì)軟件空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)化的方便性，通過兩次空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)化和CAD相結(jié)合，最終完成三維模型與二維葉片木模的轉(zhuǎn)換和優(yōu)化。

4 結(jié)束語(yǔ)

潛水泵閉式扭曲葉片的測(cè)繪是一項(xiàng)復(fù)雜的逆向工程，為提高測(cè)量準(zhǔn)確性，通過從測(cè)量源頭引進(jìn)先進(jìn)測(cè)量設(shè)備來保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性，在數(shù)據(jù)處理過程中借助科學(xué)的處理方法來減少產(chǎn)生誤差的環(huán)節(jié)，同時(shí)采用泵理論設(shè)計(jì)與測(cè)量數(shù)據(jù)處理相結(jié)合，最終成功完成了對(duì)潛水泵葉片的水力學(xué)設(shè)計(jì)。

[1] 薛敦松.石油化工廠設(shè)備檢修手冊(cè) 泵[M].北京：中國(guó)石化出版社，2007：51～53.

[2] 關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵理論與設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)宇航出版社，2011：339～347.

尤寶(1986-)，工程師，從事離心泵新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)工作，youbao725@126.com。

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0254-6094(2017)03-0357-05

2016-06-29，

2016-12-13)