文| 新疆工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 李強(qiáng)，余斌，劉霞

礦用風(fēng)機(jī)葉輪是實(shí)現(xiàn)氣體運(yùn)輸?shù)闹饕考?，因葉輪葉片曲面形狀復(fù)雜，在對(duì)過(guò)住圖紙進(jìn)行數(shù)字化建模過(guò)程中難以采用正向工程技術(shù)建模，故采用逆向工程技術(shù)進(jìn)行模型重構(gòu)，并對(duì)重構(gòu)過(guò)程中葉輪點(diǎn)云的測(cè)量、點(diǎn)云處理、多邊形處理和曲面重構(gòu)過(guò)程中的一些關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了分析和解決。

一、概述

軸流風(fēng)機(jī)葉輪在煤礦生產(chǎn)中應(yīng)用較多，可用于抽排風(fēng)機(jī)和通風(fēng)機(jī)等，是實(shí)現(xiàn)氣體運(yùn)輸?shù)闹饕考?。然而葉輪的葉片的形狀較為復(fù)雜，大多由曲面組成，很難用數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)描述，設(shè)計(jì)時(shí)一般可對(duì)已有的葉輪模型進(jìn)行測(cè)量，獲得葉輪點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再使用逆向軟件重構(gòu)模型，這種方法就是對(duì)葉輪進(jìn)行逆向工程建模。

逆向工程一般從已有零件著手，通過(guò)測(cè)量零件獲取數(shù)據(jù)，然后利用獲取數(shù)據(jù)對(duì)零件進(jìn)行重構(gòu)。逆向工程在復(fù)雜零件的重構(gòu)、改進(jìn)以及設(shè)計(jì)方面有著非常重要的作用。因此，逆向工程建模是葉輪維護(hù)和改造設(shè)計(jì)常用的方法之一。

二、葉輪的數(shù)據(jù)點(diǎn)測(cè)量

對(duì)葉輪進(jìn)行逆向工程，首先是要對(duì)葉輪進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，目的是將物理葉輪模型轉(zhuǎn)換成為數(shù)字葉輪模型，實(shí)現(xiàn)葉輪的模型數(shù)字化。使用測(cè)量設(shè)備測(cè)量出葉輪表面的一些數(shù)據(jù)點(diǎn)三維坐標(biāo)位置，用這些葉輪數(shù)據(jù)點(diǎn)云來(lái)表達(dá)葉輪的三維幾何模型。因此，數(shù)據(jù)點(diǎn)測(cè)量是逆向工程的基礎(chǔ)。

1、葉輪的掃描策略

由于葉輪模型的材質(zhì)為鋁合金，葉片表面光滑、曲率變化不是很大，比較適合采用非接觸光柵掃描儀進(jìn)行測(cè)量，這種掃描儀精度較高、掃描速度快且成本低。（圖1）。

圖1 投影光柵式三維掃描儀

為了完整、準(zhǔn)確地測(cè)量葉輪，根據(jù)葉輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，須制定合適的掃描策略。葉輪模型由圓柱形帶孔輪轂、均布在輪轂圓周上的五個(gè)葉片組成，因此掃描和造型的難點(diǎn)在于葉片。葉輪模型有正反兩面，可以采用先用兩次操作分別掃描完兩個(gè)面，再對(duì)兩個(gè)面進(jìn)行手工對(duì)齊拼合的方法，這樣的優(yōu)點(diǎn)是掃描操作簡(jiǎn)單，但是拼接操作難度較大，而且拼接精度不高。還可以根據(jù)葉輪模型特點(diǎn)，把葉片之間的輪轂作為正、反面掃描的公共部分，從葉輪的正面過(guò)渡到反面，這樣就可以一次完成整個(gè)葉輪正、反兩個(gè)面的連續(xù)掃描和自動(dòng)拼接，而且掃描精度也會(huì)要高于兩個(gè)面分別掃描再對(duì)齊拼合的，如圖2所示。

圖2 掃描得到的葉輪點(diǎn)云

2、掃描參數(shù)對(duì)掃描質(zhì)量的影響

在掃描過(guò)程中，為了獲得質(zhì)量較高的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可根據(jù)周?chē)饩€明暗情況、被掃描件位置的變化等調(diào)整相關(guān)掃描參數(shù)，如：相機(jī)曝光時(shí)間、增益等，不同的掃描參數(shù)，可以得到不同的掃描結(jié)果，點(diǎn)云的質(zhì)量也有很大的差別。

（1）調(diào)節(jié)相機(jī)曝光時(shí)間

曝光時(shí)間調(diào)節(jié)，通過(guò)掃描軟件來(lái)調(diào)整相機(jī)的曝光時(shí)間，調(diào)節(jié)曝光時(shí)間實(shí)際上是調(diào)整整幅圖像的亮度。

圖3 不同曝光時(shí)間時(shí)拍攝的點(diǎn)云

曝光時(shí)間太短時(shí)，掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)少，而且不完整，拍攝亮度很低，很多數(shù)據(jù)點(diǎn)采集不到。而曝光時(shí)間太長(zhǎng)時(shí)，雖然拍攝亮度很高，但是零件上的很多特征點(diǎn)卻由于亮度過(guò)高而采集不到。只有當(dāng)曝光時(shí)間設(shè)置在100左右時(shí)，拍攝亮度適中，采集到的點(diǎn)云多且較完整，如圖3所示。

（2）調(diào)節(jié)增益

增益調(diào)節(jié)用來(lái)調(diào)整圖像的清晰度、對(duì)比度，對(duì)不同的需求、不同的光照條件下，通過(guò)調(diào)節(jié)增益能得到較好的圖像效果（圖4）。

圖4 不同增益值時(shí)拍攝的點(diǎn)云

增益過(guò)小時(shí)，得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)很少，圖像非常模糊不清，采集到的點(diǎn)非常少且不完整。增益過(guò)大時(shí)，得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)較多，但圖像模糊，很多數(shù)據(jù)點(diǎn)采集不到。只有當(dāng)增益設(shè)置在10左右時(shí)，拍攝的圖像清晰度、對(duì)比度適中，得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)較多，得到的葉輪點(diǎn)云數(shù)據(jù)較為規(guī)則、完整。

三、葉輪點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

通過(guò)三維掃描獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后，由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在有偏離原曲面的點(diǎn)和由于測(cè)量手段或測(cè)量環(huán)境的變化引起的點(diǎn)云缺口或測(cè)量盲區(qū)，需要對(duì)測(cè)量獲得的點(diǎn)云進(jìn)行壞點(diǎn)剔除和數(shù)據(jù)修補(bǔ)等操作，并將點(diǎn)云轉(zhuǎn)化為建模所需的線、面，最終生成實(shí)體，要完成這些工作就需要專門(mén)的逆向軟件，本文使用逆向工程軟件Geomagic studio。

1、點(diǎn)處理階段

對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行斷開(kāi)組件連接、去除體外孤點(diǎn)、減少噪聲點(diǎn)和曲率采樣等操作后，得到比較規(guī)則的葉輪點(diǎn)云（圖5），然后通過(guò)封裝操作生成三角面（圖6）。

圖5 處理后的葉輪點(diǎn)云

圖6 葉輪點(diǎn)云封裝

2、多邊形處理階段

由于掃描時(shí)貼了標(biāo)志點(diǎn)，多邊形表面上存在一些標(biāo)志點(diǎn)孔洞，需要填補(bǔ)，還要對(duì)不規(guī)則的邊界進(jìn)行修改，對(duì)表面不規(guī)則、不光滑的地方進(jìn)行修復(fù)、去除特征處理，使之成為外形完整、邊界規(guī)則且表面基本光順的多邊形面（圖7）?？蓪⒍噙呅伪砻娴目锥刺畛淦饋?lái)，再使用松弛的方式使表面盡量平滑，還可以對(duì)多邊形表面進(jìn)行自動(dòng)分析和修復(fù)。

圖7 處理后的葉輪多邊形面

3、葉輪邊緣數(shù)據(jù)的處理

葉輪的葉片屬于薄壁件，正反面相交的邊緣處有很小的圓角過(guò)渡，因此葉片的邊緣很窄，由于光學(xué)三維掃描儀的限制，葉片邊緣的數(shù)據(jù)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)掃描不到或掃描不全的情況，這樣得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)點(diǎn)云處理后得到的葉片曲面邊緣會(huì)出現(xiàn)參差不齊的鋸齒狀輪廓（圖8）。如果將這種鋸齒狀邊緣直接修補(bǔ)填充，則葉片邊緣就會(huì)形成許多凹凸不平的面（圖9），這就會(huì)大大影響葉片表面質(zhì)量，因此需要對(duì)參差不齊的邊緣進(jìn)行修改處理。

圖8 葉片鋸齒狀邊界

圖9 未修改邊界填充

處理邊緣數(shù)據(jù)前，可先刪除周?chē)母↑c(diǎn)數(shù)據(jù)，避免浮點(diǎn)數(shù)據(jù)的干擾。對(duì)于邊緣是曲線的部分，可進(jìn)行編輯邊界或松弛邊界，使鋸齒狀邊界成為較為規(guī)則的曲線；對(duì)于邊緣是直線的部分，可進(jìn)行直線化邊界；對(duì)于邊緣數(shù)據(jù)不全或者缺失的情況，可進(jìn)行創(chuàng)建邊界，如創(chuàng)建樣條邊界、創(chuàng)建多義線邊界。當(dāng)邊緣數(shù)據(jù)修改、創(chuàng)建完成以后，修改過(guò)的邊界就比較光滑和規(guī)則了（圖10）。再對(duì)邊緣進(jìn)行修補(bǔ)和填充，這樣形成的邊緣面就比較光順了（圖11）。

圖10 修改過(guò)的邊界

圖11 修改過(guò)邊界填充

四、葉輪的曲面重構(gòu)

1、葉輪的曲面重構(gòu)方法

在逆向工程中，最關(guān)鍵、最復(fù)雜的一個(gè)步驟就是模型的曲面重構(gòu)，因?yàn)閿?shù)據(jù)模型為后面的產(chǎn)品分析、產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和產(chǎn)品加工制造等應(yīng)用提供了基礎(chǔ)支持。曲面重構(gòu)的方法現(xiàn)在主要有基于曲線的曲面模型重構(gòu)和曲面片直接擬合造型兩種方法。

對(duì)這兩種技術(shù)進(jìn)行比較分析，可以看出基于曲線的曲面重構(gòu)技術(shù)的建模過(guò)程是由點(diǎn)生成線，再由線生成面，最后由面生成體的過(guò)程，在每一個(gè)過(guò)程中，都可以進(jìn)行修改和編輯，使之滿足要求；而曲面片直接擬合技術(shù)的建模過(guò)程是直接由點(diǎn)生成曲面，再由曲面生成體，也就是直接擬合的方式，這種方法效率較高，但是當(dāng)零件組成曲面類(lèi)型較多時(shí)，此方法生成的曲面質(zhì)量會(huì)變差，而且很難去修改和編輯直接生成的曲面。

本次測(cè)量的葉輪點(diǎn)云數(shù)據(jù)為較為規(guī)則的點(diǎn)云，可以較容易地提取出輪廓線，宜采用基于曲線的曲面模型重構(gòu)的方法。

2.葉輪曲面重構(gòu)的過(guò)程

先對(duì)葉輪的表面構(gòu)成進(jìn)行分析，葉輪的輪轂由圓柱面和平面構(gòu)成，葉輪的葉片由曲面構(gòu)成，各種面的輪廓線和不同類(lèi)型面的交線就形成了各自不同的輪廓線。進(jìn)行探測(cè)輪廓線時(shí)，根據(jù)葉輪不同的表面構(gòu)成抽取輪廓線（圖12），然后根據(jù)抽取的葉輪輪廓線來(lái)構(gòu)造曲面片，并對(duì)構(gòu)造的曲面片進(jìn)行修理和移動(dòng)，對(duì)有錯(cuò)誤的地方進(jìn)行修改，使之生成較為規(guī)則的曲面片（圖13）。

圖12 探測(cè)、抽取輪廓線

圖13 構(gòu)造曲面片

然后將生成的曲面輪廓線導(dǎo)入三維設(shè)計(jì)軟件NX（圖14），此時(shí)導(dǎo)入的輪廓線均為樣條曲線，可以進(jìn)行單段或多段樣條的選擇以及修改、編輯等操作，這樣就為后面的模型修改做好了準(zhǔn)備。最后就可以進(jìn)行葉輪模型的曲面重構(gòu)了，采用基于曲線的曲面重構(gòu)的方法，利用抽取的葉輪輪廓線，使用曲面網(wǎng)格、拉伸、旋轉(zhuǎn)和邊倒圓等方法進(jìn)行葉輪的曲面重構(gòu)（圖15）。為了檢測(cè)重構(gòu)曲面是否規(guī)則、準(zhǔn)確，可將重構(gòu)葉輪模型與掃描葉輪點(diǎn)云進(jìn)行3D比較（圖16），可以看出重構(gòu)的葉輪模型與掃描葉輪點(diǎn)云之間的偏差大小，如果檢測(cè)的偏差過(guò)大，可重新對(duì)葉輪點(diǎn)云進(jìn)行曲面重構(gòu)。

圖14 提取葉輪輪廓線

圖15 曲面重構(gòu)葉輪

為了對(duì)曲面重構(gòu)后的葉輪曲面的連續(xù)性和光順程度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)重構(gòu)曲面的曲率變化、連接過(guò)渡是否光順，可通過(guò)面反射分析（圖17），可以看出葉輪曲面過(guò)渡、光順情況是否符合設(shè)計(jì)要求，如果不符合要求，可重新對(duì)葉輪點(diǎn)云進(jìn)行曲面重構(gòu)。

圖16 3D比較

圖17 面反射分析

五、結(jié)語(yǔ)

逆向工程是針對(duì)一些復(fù)雜零件無(wú)法或難以采用正向工程方式建模而采用的建模方法，通過(guò)此方法可以實(shí)現(xiàn)快速?gòu)?fù)雜零件的模型重構(gòu)。逆向工程是從零件——設(shè)計(jì)——零件的過(guò)程，不僅只是對(duì)原有零件的復(fù)制，借助CAD/CAE/CAM軟件可對(duì)零件進(jìn)行修復(fù)、設(shè)計(jì)、分析和加工等操作。