作者/張碧清，福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院

采用逆向工程對葉輪的建模及其數(shù)控加工的研究

作者/張碧清，福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院

在設(shè)計機(jī)械設(shè)備時，對于型面異常的元件不能用常用方法對其長度和體積進(jìn)行測量時，經(jīng)常采用逆向工程技術(shù)對元件進(jìn)行估測。本文主要在逆向工程技術(shù)的基礎(chǔ)上，對葉輪進(jìn)行建模，并針對數(shù)控加工技術(shù)進(jìn)行再設(shè)計，對葉輪元件的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行確定，利用葉輪葉片參數(shù)掃描的方法，對葉輪葉片進(jìn)行建模。通過創(chuàng)立了3D邊界法，有效去除外部點(diǎn)云的干擾，對于當(dāng)前的葉輪葉片的建模及其數(shù)控加工技術(shù)的研究具有參考意義。

逆向工程技術(shù)；葉輪；數(shù)控加工

前言

在燃?xì)廨喌臉?gòu)造中，葉輪是必備的組件之一，葉輪的設(shè)計是否符合科學(xué)原理，對氣壓機(jī)能否正常工作有著莫大的影響，可以說，葉輪是燃?xì)廨喒ぷ鞯牟豢扇鄙俚牧慵?。本篇論文就是在逆向工程技術(shù)的基礎(chǔ)上對葉輪進(jìn)行參數(shù)的確定，獲取葉輪葉片的相關(guān)數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為可識別的格式，為葉輪的分析提供一種快捷方便的研究方法。在UG NX10的幫助下對葉輪葉片的點(diǎn)狀分布進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取并對葉輪進(jìn)行重新建模。

1.基于UG NX10的葉輪零件建模

■1.1 初步建模

將組件放置于三坐標(biāo)測量儀器上，可以測得組件的長寬高，利用UG NX10軟件生成組件的組面復(fù)制圖，將生成的組面復(fù)制圖以Z軸為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)即可得到組件的基礎(chǔ)模型，利用布爾算法，對已經(jīng)重新構(gòu)建完成的大葉面和小葉面的模型和實物進(jìn)行求和運(yùn)算，使其獨(dú)立于模型和實物，成為新的實體模型，在UG NX10軟件中通過“應(yīng)用-建模-引用”步驟，將大葉片和小葉片的不規(guī)則外觀沿著圓周均布13處引用復(fù)制，就能得到整體實物的模型構(gòu)建，如圖1所示。

圖1 UG NX10中的葉輪零件實體模型

■1.2 零件的數(shù)字化測量與葉輪葉片掃描數(shù)據(jù)的處理

（1）零件的數(shù)字化測量

一般來說，在研究時很少對不規(guī)則曲面進(jìn)行模型的建構(gòu)，因為不規(guī)則曲面的相關(guān)參數(shù)的獲取較為不易，通常采用逆向工程技術(shù)解決這一問題。通過三坐標(biāo)測量儀器獲取不規(guī)則實物的外觀參數(shù)，將實物的外觀通過數(shù)學(xué)方法進(jìn)行虛擬模型的構(gòu)建，根據(jù)測得的實物參數(shù)通過設(shè)計軟件構(gòu)建物理模型。

（2）葉輪葉片掃描數(shù)據(jù)的處理

逆向工程設(shè)計中的一個重要步驟就是對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，采用何種方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工將會直接影響到后期的不規(guī)則外觀模型的構(gòu)建。對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工最主要的作用就是了解葉輪葉片的基本數(shù)據(jù)資料和外觀曲面特征，葉輪葉片的基本數(shù)據(jù)包含多方面的參數(shù)，在獲取過程中要謹(jǐn)慎選擇數(shù)據(jù)獲取的重點(diǎn)，針對性地進(jìn)行建模和研究。

第一，葉輪葉片掃描數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。曲面掃描軟件QUINDOS能夠輔助三坐標(biāo)測量儀器進(jìn)行測量，將CAD文件轉(zhuǎn)化為IGES文件進(jìn)行顯示。通過UG NX10將文件轉(zhuǎn)化為PRT形式，然后轉(zhuǎn)化為ASCII形式儲存在點(diǎn)云中，以DAT形式輸出。對儲存的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，生成點(diǎn)云資料。

第二，葉輪葉片“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)噪聲點(diǎn)的去除。在消除點(diǎn)云噪聲點(diǎn)的過程中，應(yīng)該注意，將噪聲點(diǎn)去除的同時不能導(dǎo)致非噪聲點(diǎn)的操作失誤。噪聲點(diǎn)和非噪聲點(diǎn)具有不同的性質(zhì)，在消除過程中應(yīng)該予以特別注意。噪聲點(diǎn)的分布較為分散，且數(shù)量龐大，通過人工操作將其去除工作量大，且要花費(fèi)較高的時間成本。如果通過劃定一個多邊形的邊界來進(jìn)行去除，在降低工作量的同時也能有效去除噪聲點(diǎn)。建模中需要去除的是外部的點(diǎn)云，為了防止對內(nèi)部點(diǎn)云的操作失誤，可以劃定數(shù)個多邊形，重復(fù)去除操作保證內(nèi)部點(diǎn)云的安全，這種方式能夠在一定程度上提高效率，但是仍然需要改進(jìn)。筆者經(jīng)過摸索，發(fā)現(xiàn)一種3D邊界法，能夠快速去除外界的點(diǎn)云。以三坐標(biāo)測量儀器測得的實物參考數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，劃定一個多邊形確定要去除的點(diǎn)云范圍，執(zhí)行對應(yīng)的去除操作，即可去除噪聲點(diǎn)。通過3D邊界法可以去除噪聲點(diǎn)，同時保證邊界內(nèi)部的有效點(diǎn)不致因操作錯誤而誤除，保證內(nèi)部點(diǎn)云的完整性。以葉輪葉片的不規(guī)則曲面參數(shù)為基礎(chǔ)，劃定一個多邊形有效去除點(diǎn)云，在執(zhí)行操作前點(diǎn)云數(shù)量很多，通過3D邊界法實施之后噪聲點(diǎn)的數(shù)量大大減少。

2.葉片葉輪表面重構(gòu)

使用NURBS曲線，表面形狀可以更加精準(zhǔn)的表達(dá)出用戶需要的曲面數(shù)據(jù)。 對數(shù)據(jù)處理后的“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)進(jìn)行表面重建，一般通過：處理數(shù)據(jù)點(diǎn)→生成掃描線→掃描線順序→數(shù)據(jù)點(diǎn)表面重建→表面重建→表面拼接等過程進(jìn)行處理。

■2.1 葉片“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)掃描線生成

網(wǎng)格數(shù)據(jù)點(diǎn)參數(shù)化能夠更好的重建葉輪頁面， 通常這些數(shù)據(jù)具有較高的重建效率。如果網(wǎng)格數(shù)據(jù)點(diǎn)沿著掃描線的方式定向分布， 則可以在網(wǎng)格數(shù)據(jù)點(diǎn)上直接重建NURBS曲面，掃描線的作用是對表面重建，按順序排列在擬合網(wǎng)格數(shù)據(jù)點(diǎn)中心。 然而，把葉輪葉片的“點(diǎn)云”的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理。并且不形成沿掃描線方向具有規(guī)則分布的網(wǎng)格數(shù)據(jù)點(diǎn)。因此，可以使用NURBS技術(shù)直接在網(wǎng)格數(shù)據(jù)點(diǎn)上進(jìn)行曲面的重建，生成3D“云點(diǎn)”掃描數(shù)據(jù)，即將隨機(jī)“云點(diǎn)”數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為精準(zhǔn)的3D掃描數(shù)據(jù)。

經(jīng)過多次反復(fù)的測量后，如果得到得測量“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)平行于XY平面、YZ平面或XZ平面。則3D掃描線優(yōu)選通過平面方法生成。因為只有平面掃描方法才能使掃描線變?yōu)閱我坏木?，并且平面間距數(shù)據(jù)也更容易的計算和處理。在分析葉片和葉輪掃描數(shù)據(jù)的過程中，掃描路徑應(yīng)平行于垂直軸的平面，使“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)平行于XY平面，并定期分布在空間中得到“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)。在此過程中，為了設(shè)置兩個平行平面之間的間距，經(jīng)驗值是掃描測量步長的六倍，因此可以確保“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)和3D掃描線質(zhì)量更加的精確，在其他混合點(diǎn)中，葉片平面的間距為1.2 mm，最后采用3D掃描線葉輪葉片三維掃描曲線，如圖2所示。

圖2 葉輪葉片上的3D掃描線

■2.2 葉片的掃描數(shù)據(jù)排序

因為掃描得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)是交錯的，所以需要對掃描產(chǎn)生的“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的排序處理，而NURBS曲面的形成需要控制頂點(diǎn)方向一致， 所以解決方案只能是處理掃描線數(shù)據(jù)的排列順序。 對掃描線進(jìn)行排序，只需要處理掃描起始數(shù)據(jù)，使其不對掃描線同一側(cè)的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行排序，因此掃描的排序處理功能速度要更快與對分散的數(shù)據(jù)點(diǎn)的處理，因為這些離散且散亂的點(diǎn)需要經(jīng)過較長的時間來調(diào)整與處理。

■2.3 葉輪葉片的表面重構(gòu)

把隨機(jī)的“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為精確的3D可識別數(shù)據(jù)。并且在經(jīng)過了掃描整理排列后，再使用UGNX10技術(shù)進(jìn)行逆向工程轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到重建葉面表面的功能。

而在一些表面在掃描測量過程中，由于測量條件或部分形狀對邊界“云點(diǎn)”限制，所以通常搜集到完整的頁面“云點(diǎn)”數(shù)據(jù)是非常困難的。所以重建表面會有一些邊界上的缺陷，并不能完好的重現(xiàn)出實際零件的邊界。

那么重建表面后又該如何處理邊界呢？一般的做法是將曲面重新在曲面處進(jìn)行延伸處理，使得表面比實際部分更大一些，然后使用精確的測量儀器對邊界進(jìn)行切割，獲得表面部分的重建：但表面延伸 在零件的角度上很難處理，會有表面空缺，需要進(jìn)行切割與補(bǔ)填等繁瑣的工作。而且表面經(jīng)過加工處理后可能會與實際要求的規(guī)格誤差會越來越大。NURBS曲面插值約束，增強(qiáng)了NURBS表面可控性，當(dāng)使用NURBS表面插值來重建NURBS曲面時，NURBS曲面由3D邊界上的某些點(diǎn)延伸一次性重建所需的表面。表面是由三維邊界上的點(diǎn)作為NURBS曲面插值的一部份，效果非常的理想，而且可以重建零件的表面，而不需要表面修剪和補(bǔ)填。如果采用邊界約束法來對零件的表面進(jìn)行重構(gòu)，一定可以得到更好零件實物，還可以先通過NURBS曲線插值發(fā)來對零件的三維邊界值測量，得到精確地NURBS曲線數(shù)據(jù)，然后在打開之前進(jìn)入反向工程界面的到它的實際曲線圖，使其一直處于活動狀態(tài)，在表面重建臨界數(shù)據(jù)作為邊界的約束值。

以這種方式，通過3D掃描葉片采集葉面的“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)，再使用NURBS曲面邊界約束方法，調(diào)整擬合精度以滿足用戶的實際需求。最后，如圖所示，得到了葉輪葉片重建實物，根據(jù)上述步驟，可以使用相同的原理和步驟來創(chuàng)建葉輪與葉片實體。如圖3所示。

圖3 小葉片的重構(gòu)曲面

3.數(shù)控加工中心的后置處理

UG軟件可以對數(shù)控加工進(jìn)行自動編程，通過軟件生成的模型不能直接應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床的加工中，應(yīng)該對機(jī)床進(jìn)行后置處理，即按照模型生成的機(jī)床的構(gòu)造和機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)編制而成的模型運(yùn)行軌跡轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)能夠辨別的編程程序。本設(shè)計中所用的加工機(jī)床MCV850-5五軸加工中心，系統(tǒng)為Heidenhain iTNC530。該機(jī)床是雙轉(zhuǎn)臺型聯(lián)動數(shù)控加工中心，工件裝夾在回轉(zhuǎn)工作臺上實現(xiàn)加工，主軸頭固定不動，工作臺繞C軸旋轉(zhuǎn)且繞A軸傾斜，主要參數(shù)有：X、Y、Z軸行程分別為：800mm、500mm、500mm；A軸回轉(zhuǎn)角度：-30°～120°；C軸回轉(zhuǎn)角度：0°～360°。軌跡文件中保存的是相對于編程坐標(biāo)系的坐標(biāo)和矢量，在后置處理時，需要把這些坐標(biāo)和矢量轉(zhuǎn)換為機(jī)床的運(yùn)動坐標(biāo)。在此用LG自帶的后處理編輯器（NX/Post Builder)創(chuàng)建后處理文件。在創(chuàng)建后處理文件時需要設(shè)置機(jī)床參數(shù)（Machine T001）、程序和刀具路徑（Program & ToolPath）、NC數(shù)據(jù)格式（N/CData De fi nitions)以及輸出設(shè)置（OutputSettings)等。最后，利用創(chuàng)建的后處理文件生成數(shù)控加工程序。

4.結(jié)語

葉輪是機(jī)械設(shè)計中常見的組件之一，葉輪相關(guān)參數(shù)的確定直接關(guān)系到葉輪設(shè)計的準(zhǔn)確性，因此采用有效的方法對葉輪進(jìn)行建模，確定葉輪的參數(shù)和資料，輔助葉輪的設(shè)計研究是十分有必要的。通過本文的論述，我們探索出葉輪參數(shù)確定的有效方法，能夠?qū)η鏀?shù)據(jù)進(jìn)行探測和獲取，利用3D邊界法消除噪聲點(diǎn)，另外對葉輪葉片的點(diǎn)云進(jìn)行曲面重構(gòu)，實現(xiàn)了對葉輪的建模及其數(shù)控加工技術(shù)的研究，為當(dāng)前的葉輪分析和探討提供一定經(jīng)驗。

* [1]王成.淺談數(shù)控加工技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用[J].機(jī)電信息,2010(18):66.

* [2]黃國權(quán),楊顯惠.采用逆向工程技術(shù)對葉輪建模的研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2010(02):227-229.

* [3]田濤,陳揚(yáng),史廷春.逆向工程與新產(chǎn)品設(shè)計[J].河北理工學(xué)院學(xué)報,2006(04):37-41+45.

注：本文系2015年福建省中青年教師教育科研項目“基于逆向工程技術(shù)的葉輪設(shè)計及多軸數(shù)控加工方法的研究（項目編號：JA15705）”成果。