离心泵叶轮的逆向造型方法研究

离心泵叶轮的逆向造型方法研究ReversemodelandanalysisofCentrifugalPumpblade张李铁,王小旭ZHANGLi-tie,WANGXiao-xu1（吉林工业职业技术学院化工机械系吉林吉林132012）摘要：本文以离心泵叶轮为例，详细介绍了逆向工程技术在复杂型面零件三维建模中的应用，文章包含了逆向造型的点云采集、模型重构、优化处理以及偏差检验的全部过程。通过实验对逆向工程技术应用于复杂型面的三维数模重构进行了深入的探索和研究，为类似复杂型面零件的造型提供了很好的思路。关键词：逆向工程；离心泵叶轮；优化处理；偏差分析Abstract：Thispaperdescribesthethree-dimensionalsolidreversemodelingapproachofCentrifugalPumpblade,includingthepointcloudacquisition,modelreconstruction,optimizationandthewholeprocessofcheckingthebias.Conductedin-depthexplorationandresearchofreverseengineeringforthereconstructionofcomplexsurfaces,providesagoodideaforthesimilarpartsofcomplexsurfacemodeling.Keywords：reverseengineering;marinepropeller;optimization;deviationanalysis中图分类号：TH164文献标识码：A0引言叶轮是离心泵的核心元件之一，其制造品质的优劣将直接影响离心泵的整机性能[1]。离心泵叶轮型面较为复杂，大大增了其设计和检测难度[2]。本文采用逆向工程技术对离心泵叶轮进行三维模型重构，这种方法大大缩短了叶轮的设计周期，并可以方便的进行偏差分析，有效地保证了重构模型的精度。文章将介绍了通过非接触式三维扫描仪获取现有铸造件叶轮点云数据，并进行处理优化，最终得到三维重构，着重研究逆向工程应用于复杂型面零件再造的关键技术。1点云数据采集点云数据采集是逆向工程中的一个重要环节，点云的质量将直接影响造型精度和偏差大小。通常情况下，逆向工程技术中物体表面三维数据的获取方法可根据测量探头是否与零件表面接触，分为接触式和非接触式两类，不同应用场合合理选择相应测量方法。由于离心泵叶轮型面较为复杂，应用接触式测量方法易产生干涉等问题，增加了测量难度且效率低下，故采用非接触是测量更方便、快捷。本文实验所用设备为加拿大CREAFORM公司生产的EXAscan非接触式三维激光扫描仪，该扫描仪扫描精度可达两点间距0.2mm。其原理为光学三角形原理[3]，测量速度快且不必逐点测量。所得点云如图1所示。图中点间隔为0.2mm,共有离散点24536个。图1点云数据图2叶片点云截面组2点云数据处理点云数据的处理包含点云截片的截取方法、去除噪音点、点云光顺及优化等过程，实验中运用Imagewarer软件对点云进行处理。Imageware软件在曲面造型、曲面检验等方面有着强大的功能[4]。将扫描的得到的STL格式点云数据导入Imageware中，运用软件的点云对齐功能将坐标系定位在叶轮的轮毂中心上，通过交互式截取点云法截取到的单个叶片的点云数据组如图2所示，图3为单个截面点云。图3处理前截面点云图4处理后截面点云为能够较好的保持叶片的型面形状，减小与原有数据的误差保证重构模型质量，需对点云截面进行去噪并光顺处理，本文运用高斯光顺法处理点云。处理好的截面点云见图4所示。3曲线、曲面拟合及模型重构对点云光顺后要对曲线进行拟合，在Imageware中提供了多种基于插值法和逼近法[5]的曲线拟合方法，拟合的原理。根据叶片型面的特点和要求，选择插值法去拟合曲线，这样可以最大限度的保持原有数据的位置。拟合的曲线见图5所示。图5a截面曲线拟合图5b截面组曲线拟合从拟合的结果看出曲线质量有了很好的提高，但仍需通过检验叶片的曲率、变形处、切线分布等进一步分析叶片的质量，通过反复控制点约束优化叶片型面。运用高斯曲率分析法分别对处理前的曲线和光顺后的叶片曲线进行了分析如图6。可见在未处理前拟得到的曲线曲率波动比大，铸造件叶片的型面质量已经从某种程度上影响了其整体的工作效率。通过进一步处理得到的曲线曲率分布如图7所示，曲线曲率分布均匀，连续性较好。图6未处理前的曲线曲率分布图7优化处理后的曲线曲率分布基于NURBS曲线、曲面原理以处理过的曲线为基础拟合出叶轮三维数模如图8所示。并据此CAD模型应用快速成型机制造出实体模型如图9所示。图8叶轮三维数模图9快速成型实体模型4逆向模型3D偏差分析在点云数据采集、修整以及曲线曲面拟合过程中会出现偏差和模型失真，所以对重构模型进行偏差分析并修改是必不可少的[5]。在偏差分析中多借用GeomagicQualify、Polyworks、Copycad等软件对逆向模型和数字化模型进行对比和分析,为零件是否合格提供有力依据。在GeomagicQualify软件中将原始点云与逆向模型进行3D偏差比较并输出报告。图9为比较结果直方图，图10部分观测点偏差值。可见，重构模型与原始点云偏差绝大数在-0.5—+0.5mm之间，已达到较高精度要求。图9偏差分析直方图图10部分观测点偏差值5结论本文以离心泵叶轮为例，详细阐述了逆向工程应用于复杂型面零件造型的全部过程，结合应用多种软件，大大缩短了设计周期，提高了设计精度。对其它复杂型面零件的逆向设计具有一定的指导和借鉴意义。参考文献[1]付大鹏,王小旭.船舶螺旋桨的逆向造型方法研究[J].制造业自动化,2011(1),125-127.[2]张德海,梁晋,郭成,高军伟.三维数字化尺寸检测在逆向工程中的研究及应用[J].机械研究与应用,2008(8).[3]程俊廷,张树林,韩明,黄树槐.反求工程在快速成型中的应用[J].精密制造与自动化,2003(1)[4]赖喜德,周树琴.叶片式流体机械的数字化设计与制造[M].成都:四川大学出版社,2007,74-107.[5]侯跃谦,谭庆昌,史尧臣.汽车后视镜的逆向造型设计与分析[J].工程与试验,2010(12).作者简介：张李铁(1967)，男，吉林工业职业技术学院副教授，化工机械系系主任，主要从事化工生产装置、设备的设计及加工通讯地址:吉林市吉林工业职业技术学院邮编：132012电话：[phone]E—mail：[e-mail]