中國飛行試驗研究院 劉韶光 武 鵬 劉學(xué)杰 段 明

渦輪葉片是渦輪增壓器的關(guān)鍵部件之一，其外形曲面比較復(fù)雜，對發(fā)動機的整體性能有重要的影響。葉片一般通過葉根的隼齒成組安裝在壓氣機轉(zhuǎn)子的輪轂上。在工作的過程中，如果某個葉片損傷，可對其單獨進行置換，保證渦輪增壓器的正常運轉(zhuǎn)。渦輪葉片中的葉身部位是由復(fù)雜的曲面組成的，其截面是變化的，沿輻射線方向在空間也是扭曲的，其設(shè)計圖紙描述十分復(fù)雜。

逆向工程是指從實物樣件獲取產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型、進而開發(fā)出同類的先進產(chǎn)品的技術(shù)[1]。渦輪葉片的逆向設(shè)計是指在缺乏圖紙、三維數(shù)模及相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，如果需要修復(fù)或者重新生產(chǎn)制造葉片時，可以通過激光掃描設(shè)備使葉片的表面數(shù)字化，應(yīng)用逆向設(shè)計技術(shù)處理獲取的點云數(shù)據(jù)，最終設(shè)計出可以應(yīng)用于生產(chǎn)制造的三維數(shù)模。就目前的情況來看，逆向設(shè)計技術(shù)是快速實現(xiàn)渦輪葉片外形曲面數(shù)字化的主要途徑。

渦輪葉片逆向工程流程

渦輪葉片的逆向工程是一項系統(tǒng)工程，需要涉及制造業(yè)的諸多領(lǐng)域。一般是指以現(xiàn)有的渦輪葉片為基礎(chǔ)，選擇合適的三維數(shù)字化測量設(shè)備（接觸式或非接觸式）使葉片的表面數(shù)字化，依靠逆向設(shè)計軟件（CATIA、Geomagic和Polyworks等）構(gòu)建葉片的外形曲面及CAD模型，根據(jù)設(shè)計結(jié)構(gòu)進行CFD計算優(yōu)化外形設(shè)計，并根據(jù)使用要求選擇合適的材料和加工工藝完成渦輪葉片的生產(chǎn)制造的過程。狹義的渦輪葉片逆向設(shè)計過程僅僅指構(gòu)建渦輪葉片外形曲面CAD模型的過程，如圖1所示。

測繪規(guī)劃屬于逆向工程的前期流程，規(guī)劃結(jié)果決定了測繪工作的效率，直接影響著點云的誤差。一般來說，主要是根據(jù)被測物體的外形尺寸、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度及逆向設(shè)計要求確定點云采取接觸式還是非接觸式，測繪設(shè)備是否需要在不同的站位對零件進行測繪及激光掃描線的密度等工作。經(jīng)過分析確定采用非接觸式基于激光跟蹤儀和Polyworks測量軟件的T-scan對該葉片進行掃描，獲取點云數(shù)據(jù)。由于葉片尺寸不大，可以通過翻轉(zhuǎn)葉片兩次將整個葉片的表面全部數(shù)字化，兩次采集的數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)多視拼合得到完整的點云數(shù)據(jù)。

圖1 渦輪葉片逆向工程的一般流程

在測繪的過程中由于測量者手持設(shè)備的姿態(tài)、零件本身的清潔度及環(huán)境條件等的影響，會采集到一些與點云整體偏離值較大的孤立點或噪點，數(shù)據(jù)過濾就是為了剔除這些與逆向設(shè)計無關(guān)點。STL封裝是將采集的離散的點云作為三角形的頂點連接形成分片線形曲面，能夠表示測點的臨接關(guān)系和模型的正確全局拓撲[2]。數(shù)據(jù)分塊是根據(jù)葉片的表面特征，將其點云分為不同的數(shù)據(jù)塊分別進行逆向曲面設(shè)計，提高逆向設(shè)計效率，消除無關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)對待處理區(qū)域的影響。

渦輪葉片逆向設(shè)計的目標(biāo)是根據(jù)離散的數(shù)據(jù)點構(gòu)造出光滑、連續(xù)的CAD模型，因此模型重建技術(shù)是逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)之一。根據(jù)葉片的表面特征構(gòu)建逆向設(shè)計基準(zhǔn)面，應(yīng)用逆向設(shè)計軟件構(gòu)建輪廓曲線線架，再由輪廓截面線構(gòu)造外形曲面。在逆向設(shè)計過程中，要實時運用檢測命令檢測點云數(shù)據(jù)與構(gòu)造曲面間的偏差值。如果不符合要求，就需要調(diào)整NURBS（Non-Uniform Rational B-Spline）的控制點，直到滿足要求，這是一個反復(fù)的過程，也需要大量的逆向設(shè)計經(jīng)驗，所需要的逆向設(shè)計技巧很多，需要在實踐中根據(jù)不同的實際情況采用相應(yīng)的曲面構(gòu)建方法，以達到滿意的效果。

分塊構(gòu)造的曲面結(jié)合后可以生成CAD模型。如果僅僅是維修、復(fù)制某渦輪葉片，此時就可以進行工藝設(shè)計完成零件的生產(chǎn)制造。如果需要對某一渦輪增壓器進行改造設(shè)計，提高其工作效率，就需要以逆向設(shè)計獲取的CAD模型為基礎(chǔ)，進行CFD氣動計算，可根據(jù)不同的計算結(jié)果和需求進行優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)使用環(huán)境的要求，選擇合適的材料和機械加工工藝，完成渦輪葉片的改型優(yōu)化設(shè)計制造。這個過程是渦輪葉片逆向工程的一般流程，具體的實施過程中還有更多的細節(jié)需要考慮。

圖2 某渦輪葉片外形組成及葉型截面曲線圖

某渦輪葉片逆向設(shè)計實例

1 渦輪葉片外形分析

渦輪壓氣機某一葉片在工作中損傷，生產(chǎn)廠家已停止對該葉片的供應(yīng)，渦輪壓氣機要正常運行，就迫切需要應(yīng)用逆向設(shè)計對其外形進行建模，通過數(shù)控加工中心對其進行生產(chǎn)制造。如圖2所示，經(jīng)過分析，該葉片屬于整體機加件，由葉冠（肩臺）、葉身（葉型）和葉根（T型）3部分組成，其葉冠與葉根的端面屬于平整的平面，葉身的葉型是由復(fù)雜的葉背曲面和葉盆曲面構(gòu)成，屬于扭葉片，進氣邊與出氣邊都是光滑的圓角。扭葉片是葉根到葉冠的型線部規(guī)則，是變截面葉片[3]。

2 葉片表面點云數(shù)據(jù)的采集

本次點云數(shù)據(jù)的獲取采用的設(shè)備為T-scan，屬于非接觸式測量方式，也不需要在葉片的表面噴涂顯影劑或粘貼標(biāo)示點，其數(shù)據(jù)采集精度可以達到20μm。T-scan是一種基于激光三角法的非接觸式手持激光掃描測量工具，設(shè)備發(fā)射的激光光束通過一個高速旋轉(zhuǎn)的棱鏡反射到待掃描的渦輪葉片外形曲面上。激光光束被渦輪葉片外形表面反射并被T-scan接收。根據(jù)葉片反射表面距離的不同，反射到CCD線性傳感器的位置也不同。T-scan在掃描過程中不會對被測渦輪葉片的外形曲面產(chǎn)生影響，其測量精度高、測量速度快，能滿足渦輪葉片外形曲面重構(gòu)的要求。T-scan自身的空間定位系統(tǒng)可以定位掃描儀的空間位置，獲取被掃描部位表面的空間采樣點的三維坐標(biāo)，形成點云數(shù)據(jù)，使渦輪葉片的表面數(shù)字化，并使所有點云處于同一坐標(biāo)系下。

由于葉片的尺寸不大，可將三維測繪掃描儀放置某一固定的站位，翻轉(zhuǎn)葉片2次就能完成整個葉片的表面數(shù)字化掃描工作。在軟件中通過2次掃描的公共區(qū)域?qū)Ⅻc云對齊至統(tǒng)一坐標(biāo)系下。通過T-scan獲取的點云是以單點的三維坐標(biāo)形式存儲，要對其進行逆向設(shè)計，需要將其進行三角面片封裝，封裝成（*.stl）格式，便于CATIA的識別。

由于掃描獲取的點云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)是機器坐標(biāo)系（MCS）下的數(shù)值。為了便于進行逆向設(shè)計，可以根據(jù)渦輪葉片葉根端面平面及底部安裝孔位為基本特征建立零件坐標(biāo)系（PCS），通過CATIA軟件中的定位變換命令將其坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換至零件坐標(biāo)系下，如圖3所示。

圖3 采集的葉片點云圖（2種格式）

3 葉型曲線與曲面的構(gòu)建

在渦輪葉片逆向設(shè)計過程中，如果對采集的點云數(shù)據(jù)直接進行處理，過密的渦輪葉片外形曲面點云量不僅對計算機的性能要求很高，而且會降低外形曲面重構(gòu)的效率。數(shù)據(jù)抽稀是在保證掃描精度的前提下，根據(jù)葉片外形曲面的重構(gòu)需求，適當(dāng)?shù)膲嚎s掃描數(shù)據(jù)量，便于提高曲面的曲面質(zhì)量和重構(gòu)效率；數(shù)據(jù)分塊是指對采集的渦輪葉片的外形曲面點云數(shù)據(jù)進行分塊處理（分為葉冠、葉身、葉根3部分），分塊進行曲面構(gòu)造，最后拼合和縫合成渦輪葉片外形曲面的過程。曲面重構(gòu)過程實際上就是根據(jù)實物模型的點云，重建其幾何和拓撲信息，再現(xiàn)曲面產(chǎn)品特征的過程[4]。采集的點云數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)填充、數(shù)據(jù)過濾剔除噪點后的點云數(shù)據(jù)位逆向設(shè)計的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)[5]。分析渦輪葉片后，由于其葉冠和葉根的端面為平面，可以通過數(shù)據(jù)分塊分別對其進行外形曲面設(shè)計。根據(jù)葉片外形的自身特點將其分為葉冠、葉身和葉根3部分數(shù)據(jù)分別進行外形曲面設(shè)計，最后通過CATIA中的縫合命令將其結(jié)合為整體。如圖4所示，葉身曲面的逆向設(shè)計過程最為復(fù)雜，需要通過與PCS中XY平面平行的一系列截面與點云數(shù)據(jù)進行相交計算，獲取截面曲線，通過放樣計算、外插延伸、橋接及修飾得到葉身的外形曲面。葉冠和葉根的外形可以將CATIA中的零件設(shè)計模塊、創(chuàng)成式曲面模塊、點云編輯模塊與快速曲面重構(gòu)模塊等結(jié)合使用，得到葉冠與葉根的外形數(shù)據(jù)。

圖4 逆向構(gòu)建的葉身外形曲面

4 葉片的三維實體模型設(shè)計

以逆向設(shè)計構(gòu)造的葉身曲面理論外形為基礎(chǔ)，將其兩端封閉，填充為實體數(shù)模。將葉根與葉冠的端面的點云激活，分別應(yīng)用CATIA軟件中的Quick Surface Reconstruction模塊下的特征識別命令構(gòu)建端面基準(zhǔn)平面。將基準(zhǔn)平面與點云做相交運算，根據(jù)相交獲得的截線為基礎(chǔ)，在基準(zhǔn)平面上構(gòu)造草圖，并在點云上創(chuàng)建草圖的拉伸方向，應(yīng)用Part Design中的凸臺命令分別構(gòu)建葉冠與葉根的三維實體模型。由于渦輪葉片樣件是一個整體零件，故應(yīng)用布爾運算將三個零件幾何體合并為一個三維實體模型，并將相交區(qū)的棱角倒圓，使葉冠、葉根與葉身之間光滑過渡，具有良好的數(shù)控加工工藝性，如圖5所示。

圖5 基于逆向設(shè)計的渦輪葉片三維數(shù)模圖

結(jié)束語

在缺乏相關(guān)設(shè)計資料數(shù)據(jù)的前提下，根據(jù)某渦輪葉片的維修需求，應(yīng)用三維數(shù)字化測繪設(shè)備獲取葉片的表面數(shù)據(jù)，結(jié)合逆向設(shè)計的一般程序及葉片自身特點，分塊完成該葉片的葉冠、葉身及葉尾的外形曲面，并應(yīng)用布爾運算將曲面結(jié)合為一體并填充成可用于數(shù)控加工的三維實體模型，得到了令人滿意的設(shè)計結(jié)果，對該葉片的可維修性和再制造性奠定了基礎(chǔ)。隨著材料技術(shù)、數(shù)字化測量技術(shù)、逆向設(shè)計技術(shù)及流體力學(xué)計算技術(shù)的不斷發(fā)展，我國渦輪葉片生產(chǎn)制造領(lǐng)域?qū)瓉硗黄菩缘陌l(fā)展，這對經(jīng)濟的快速發(fā)展和國防現(xiàn)代化建設(shè)具有重要的意義。

[1]金濤,陳建良,童水光.逆向工程技術(shù)研究進展.中國機械工程, 2002(16):1430-1436.

[2]譚昌柏, 汪俊. 逆向工程基本原理與方法[D]. 南京:南京航空航天大學(xué), 2007.

[3]陳光明, 張旭陽. 汽輪機葉片的結(jié)構(gòu)特點與數(shù)控加工技術(shù)研究.制造業(yè)自動化,2011(9):93-98.

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[5]范歡歡, 劉韶光, 王宏旭. 基于逆向設(shè)計的飛機腹部整流罩設(shè)計.機械研究與應(yīng)用, 2013(6):114-115.