孔艷艷

(閩西職業(yè)技術學院 機械工程系，福建 龍巖 364021)

基于Geomagic Design X的軸流式風機葉片逆向建模

孔艷艷

(閩西職業(yè)技術學院 機械工程系，福建 龍巖 364021)

以軸流式風機葉片為例，詳細闡述了逆向建模的思路和流程，并利用逆向工程軟件Geomagic Design X對點云數(shù)據(jù)進行處理，得到了高質(zhì)量的三維模型，并通過LiveTransfer技術將模型導入到Solidworks軟件中。該方法既可獲得高質(zhì)量的三維模型，還可縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，具有較好的應用價值。

Geomagic Design X軟件；逆向建模；軸流式風機葉片

軸流式風機具有結(jié)果簡單、穩(wěn)定可靠、噪聲小的特點，通常用在流量要求較高而壓力要求較低的場合。風機葉片作為軸流式風機的關鍵部件，其設計與制造精度直接關系到風機的使用性能。目前逆向工程的研究主要以幾何形狀重構(gòu)的逆向建模技術為導向，以產(chǎn)品原型的數(shù)字化模型重構(gòu)為中心，以反求產(chǎn)品的幾何形狀等為主要目標，這種方式在增強設計能力、提升效率和質(zhì)量等方面具有極大的優(yōu)勢。[1-2]本文以風機葉片為例對零件進行逆向建模研究，通過使用掃描儀和Geomagic Design X軟件快速創(chuàng)建零件的三維模型，這對于提高零件的設計質(zhì)量和縮短產(chǎn)品研發(fā)周期具有重要意義。

1 風機葉片數(shù)據(jù)掃描

1.1 Win3DD三維掃描儀簡介

逆向的基礎是數(shù)據(jù)采集，一般是通過3D激光掃描儀來快速獲取產(chǎn)品表面點云數(shù)據(jù)。本文使用的Win3DD掃描儀是北京三維天下公司依據(jù)德國光學掃描儀檢驗標準VDI/VDE2634開發(fā)的三維測量裝置。該裝置采用獨有的相機數(shù)學模型，充分考慮各類圖像畸變對數(shù)據(jù)采集的影響，結(jié)合高性能的圖像處理技術及高精度的亞像素邊緣檢測技術，將各類誤差產(chǎn)生的可能性降到最低；還具有易學、易用、便攜、安全、可靠等特點，掃描精度達0.01～0.1mm，配套的掃描操作軟件用戶界面簡單明了；靈活的快捷按鈕和導航功能使掃描、編輯數(shù)據(jù)非常輕松方便；還具有全自動的點云拼接功能，無需用戶干預，無需第三方軟件，一鍵完成掃描過程，并且達到極高的識別精度。掃描數(shù)據(jù)支持多種數(shù)據(jù)格式輸出，可與Rapidform、Imageware、Geomagic、Polyworks、CATIA、UG等軟件兼容。

1.2 風機葉片數(shù)據(jù)采集

葉片幾何形狀數(shù)據(jù)的采集是逆向建模的關鍵技術之一，完整性與精度是點云性能的兩個重要指標。如果邊界殘缺不全且表面細小，這種狀況下的數(shù)據(jù)重構(gòu)是無法進行下去的。為保證數(shù)據(jù)采集的完整性和精度，結(jié)合葉片形狀的結(jié)構(gòu)特征，掃描前應先擬定最優(yōu)的掃描方案。如圖1所示的葉片，一個視角無法獲得葉片的全部三維數(shù)據(jù)，因此在采集過程中，需將葉輪放到三維轉(zhuǎn)臺上，從多個視角進行掃描。測量過程中，需將2個葉片和部分葉輪輪廓噴顯像劑。為保證測量精度，先做好清潔工作再均勻噴涂，然后在貼上測量標志點，該點主要用于點云的自動拼接。在掃描時，應用掃描儀軟件的全自動拼接功能和三維轉(zhuǎn)臺，獲得風機葉片的點云數(shù)據(jù)。掃描完成后，通過刪除孤點、統(tǒng)一采樣、降噪、多邊形封裝、網(wǎng)格醫(yī)生、去除特征、填充孔等功能對點云數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理，最后得到精確的點云數(shù)據(jù)，如圖2 所示。

圖1 風機葉片的貼點

圖2 風機葉片點云數(shù)據(jù)

2 風機葉片的逆向建模

2.1 Geomagic Design X軟件簡介

Geomagic Design X軟件是美國3D Systems公司推出的一款功能強大的逆向設計軟件，是業(yè)界最強最有效的基于3D掃描的CAD解決方案。該軟件具有結(jié)合實體數(shù)模、高級曲面建模、網(wǎng)格編輯和點云數(shù)據(jù)處理等功能；[3]還使用獨特的LiveTransfer技術，可傳輸完整數(shù)模包括特征樹；并且能夠其將模型數(shù)據(jù)傳輸?shù)街髁鰿AD軟件中，如SolidWorks、Siemens NX、Autodesk Inventor和PTC Creo等。[4]

2.2 葉片的建模思路

依據(jù)風機葉片的形狀特征，首先以葉輪中心孔的對稱平面為水平基準面，以葉輪中心孔的軸線為基準軸線，創(chuàng)建逆向建模坐標系；然后使用Design X軟件的領域組功能，將點云依據(jù)敏感度劃分為若干個小的曲面特征領域；在應用面片草圖、曲面擬合、實體剪切功能將葉片的三維數(shù)據(jù)擬合為一個實體，在使用“Accuracy Analyzer”的偏差分析功能分析曲面與網(wǎng)格之間的偏差；最后在完成其它特征的創(chuàng)建。

2.3 葉片的建模過程

(1)將風機葉片點云導入到軟件環(huán)境中，在使用領域組劃分功能將點云分成多個特征領域，根據(jù)需要可進行重新分割，[4]如圖3所示。

圖3 領域組劃分

(2)創(chuàng)建基準平面和基準軸，在使用手動對齊坐標系功能創(chuàng)建風葉逆向建模坐標系，如圖4所示。

圖4 基準坐標系

(3)使用“面片草圖”功能，投影出葉片的截面輪廓，在此基礎上擬合出完整的草圖輪廓，并標注尺寸，然后使用拉伸功能創(chuàng)建葉片輪轂。

(4)創(chuàng)建葉片，首先用面片草圖功能投影出葉片的截面輪廓并擬合草圖創(chuàng)建截面草圖實體，在使用“曲面擬合”和 “曲面偏移”功能，創(chuàng)建出單個葉片的曲面，最后使用 “實體剪切”功能，創(chuàng)建出單個葉片的實體模型，如圖5所示。

圖5 單個葉片的實體模型

(5)使用“圓周陳列”命令完成其它葉片的創(chuàng)建，最后在創(chuàng)建出葉輪的其它特征，如圖6所示。

圖6 Design X逆向建模模型

2.4 模型的偏差分析

偏差分析主要是從定量的角度實現(xiàn)對逆向模型的質(zhì)量檢查，即原有模型與逆向模型之間到底偏離了多少，在實際應用中是否可被接受。[5]本文所用的偏差分析是通過比較掃描獲得原始數(shù)據(jù)與逆向模型的吻合程度來實現(xiàn)。具體操作是選中“Accuracy Analyzer”面板上的“偏差”功能，將偏差的上、下限分別設為0.1、-0.1，軟件就自動計算出擬合曲面和原始數(shù)據(jù)之間的偏差云圖，將在許可公差范圍內(nèi)的用綠色顯示；誤差越大，顏色越接近紅色，如圖7所示。從圖中可以看出葉片的最大偏差值都小于0.1mm，因此采用該方法構(gòu)建的模型精度較高。

圖7 Design X偏差分析

2.5 模型輸出

該軟件的LiveTransfer功能具有將逆向的葉輪模型按正向建模的方法輸出到正向CAD軟件中，如Solidworks、Inventor、UG等，實現(xiàn)逆向建模與正向建模的無縫對接。本文所使用的方法是通過Geomagic Design X軟件中的LiveTransfer功能將擬合得到的曲面模型導入到Solidworks軟件中，Solidworks軟件是目前應用廣泛的參數(shù)化設計、分析及制造軟件，具有較強的曲面造型功能，能對前面創(chuàng)建的曲面進行修改，然后得到完整的參數(shù)化模型，如圖8所示，圖中左側(cè)為參數(shù)化的命令特征樹。

圖8 葉輪的Solidworks參數(shù)化模型

結(jié)語

隨著計算機應用技術的快速發(fā)展，逆向工程在企業(yè)中的應用越來越廣泛，已成為新產(chǎn)品設計與制造的重要技術手段，是企業(yè)進行新產(chǎn)品開發(fā)的法寶。本文通過使用三維掃描儀和逆向工程軟件，以軸流式風機葉片的逆向建模為例，介紹了葉片逆向建模的思路和過程，最終使用Geomagic Design X軟件的LiveTransfer功能將逆向建模的模型輸出到Solidworks軟件中，實現(xiàn)了葉輪參數(shù)化的三維模型的創(chuàng)建。

從整個逆向過程可以看出，該方法逆向速度快，建模誤差小，因此利用Geomagic Design X軟件對產(chǎn)品進行逆向設計，不僅可以提高產(chǎn)品設計質(zhì)量，還可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，具有較好的應用價值。

[1]王月婷，劉文萍，董玉婷．基于Geomagic Design X 砂型鑄件的逆向設計[J]．機械工程師，2016(2)：29-30.

[2]成思源，楊雪榮．Geomagic Design Direct逆向設計技術及應用[M]．清華大學出版社，2015.

[3]王旭輝．基于Geomagic Design逆向設計與制造技術研究[J]．中央民族大學學報(自然科學版)，2016，25(1)：46-48.

[4]楊曉雪，閆學文．Geomagic Design X三維建模案例教程[M]．機械工業(yè)出版社，2016.

[5]丁恩偉，蔡勇，梁晉,等．基于Geomagic和UG的快速參數(shù)化逆向建模方法[J]．機械研究與應用，2012(3)：173-175.

Class No.:TH432.1 Document Mark：A

(責任編輯：蔡雪嵐)

Reverse Modeling of Axial Fan Blades Based on Geomagic Design X

Kong Yanyan

(Minxi Vocational & TechnicalCollege, Longyan, Fujian 364021，China)

This paper illustrates the application of the reverse modeling ideas and processes in the process of the reversing model based on the case study of axial fan blades, and the point cloud data was processed with Geomagic Design X software, and then the 3D model with was obtained. The model was imported to the Solidworks software by the LiveTransfer technology. With this method, it not only can get high quality 3D models, but also shorten the product development cycle and has good application value.

Geomagic Design X software; reverse modeling; axial fan blades

孔艷艷，碩士，講師，閩西職業(yè)技術學院。研究方向：數(shù)字化設計與制造。

福建省中青年教師科研資助項目(項目號: JAT160886)。

1672-6758(2017)07-0044-4

TH432.1

A