基于逆向工程的涡轮导向器敏捷化设计与制造

渔夫

摘要:利用三坐标测量机，采用合理的曲线检测算法，将测量的点云数据用surfacer软件进行处理后，再利用Pro/Engineer软件的曲面造型功能，实现涡轮导向器的敏捷化设计与制造。在产品议计中利用数字化逆向工程技术，可大大缩短新产品的开发周期，对快速响应市场产生显著效果。
9 j1 I; n  e& ^& }' Q关键词:三坐标测量机涡轮导向器逆向工程模具制造

一、引言
; B* h# W! G/ L    涡轮导向器零件作为航空发动机的关键部件之一，其设计与制造质量直接影响发动机的整机性能目前，批量涡轮导向器叶片的制造多以逆向工程为基础，采用熔模无余量精密铸造的方法。其工艺过程为数据采集、实体建模、制作型腔、生产腊型然后制壳、脱腊、型壳熔烧、浇注成型。采用逆向工程对涡轮导向器进行再设计，一方面可以提高工程设计、加工、分析的质量和效率，另一方面可以充分利用先进的CAD/CAE/CAM技术对已有的物件进行再创新工程服务，从而实现涡轮导向器的敏捷化设计与制浩。
二、逆向工程及其实现过程
6 D8 ^* A6 K. C5 o% n    相对于正向的设计、研发、建构产品模型，逆向工程有很多的限制条件。主要的是点云的取得以及点云的准确度，其次是点云的修整。
/ \: |" a2 m5 }. C( {' j# G    一般点云是由测量系统获得。测量系统又分为接触式和非接触式测量系统。接触式的系统通常点数不会太多;非接触式系统，不论是镭射系统或是光学光栅式系统，点数超过数万点是常有的事情。因此，如何修整点云、去除噪声点以及在满足误差范围内的曲面光顺是逆向工程重要的一步。图1为典型的逆向工程环境结构示意图。
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三、实现过程的关键技术
$ Q5 Q$ W! D' X1 j; k! t$ |1 L    由实物建立CAD模型，要求首先对其实物表面进行数字化处理。由此可见，逆向工程的关键技术有两个方而:一方而是实物樟型表而数据获取技术即数字化测量技术;另一方面是产品建模技术(曲面构造技术)。
1.涡轮导向器叶片的数字化测量技术
" v3 a: C8 [5 P/ C1 P    对几何表面进行三坐标测量一般是采用球形测头，测量的数据为球心位置，要得到工件表面上的真实数据，必须进行半径补偿。对于复杂曲面，可以通过测量该点邻域内的3个点，以确定其法向进行半径补偿。考虑到航空发动机涡轮导向器叶片曲面的复杂性及叶片沿周向分布的特点，叶片测量时如采用球形测头，叶片型面上有些点将很难测量，因此采用探针测量。对于型面上难以测量的点，可以将探针头弯成所需的角度，使用探针测量可以不用半径补偿。
  @& [% k) d0 u4 r% \. L: o- [    对叶片型面的测量以前采用旋转叶轮工件读弧度的方法，因其精度低，目前已经不再使用。将涡轮导向器固定的测量法中，有“网格法”和“等高线法，(实际上是散乱点法的一个特例)，前者需要在型面上划好网格，然后用探针头测量各网格点的坐标，该方法的精度和效率较差。而“等高线”法或“散乱点”法的精度和效率较其它测量方法有较大的提高，文中采用的散乱点Bezier曲面拟合法就是基于此测量法。
2.叶片型面数学模型建立
(1) Bezier曲线拟合m次Bezier曲线Bm的方程为:
+ R% o' W% l- X" t$ b
/ d0 _& e2 j1 [7 v5 _; s    对于一批空间数据点 如果要用式(1)的Bezier曲线来拟合它，则可以用累加弦长参数法来确定同点相对应的参数:

式中,表示相邻两个点之间的距离。
$ }7 o1 N& ~3 \) q* O3 m　　 这样上述对数据点进行Bezier曲线拟合的问题就会变成了求解如下矛盾方程组的问题:

) u; f( Q3 Q5 l* ]& D$ l5 Y该方程组含有m+1个未知向量，r+1个向量方程式，求出，a=0,1, ... , m之后，它就完全描述了该条空间曲线。
9 S8 y2 O: \2 v( c+ h$ g　　(2)散乱点Bezier曲面拟合m×n次Bezier曲面Smn的方程为：

式中为Bernstein基函数，是Bezier曲面的特征网格顶点。
' U" C& H5 X7 n; j# Y对于用“等高线法”或“散乱点法”测出的数据点, i=0,1,…,l,(如图2所示)，如果要用式(4)的m×n次Bezier曲面拟合该点阵，则可先按下面的步骤来确定同相对应的参数:

, h% b" U4 D4 t, l8 V( D第1步　用Bezier曲线拟合4条边界线。
　 第2步　求出到4条边界线(Bezier曲线)的距离。求点到空间Bezier曲线距离使用黄金分割迭代算法。

　　第4步　如果还需要将曲面向外延伸，设延伸量分别为,则同点相对应的参数为
7 Q5 j4 N  u4 ^4 b& {; R1 ~7 F这样上述对空间点阵进行曲面拟合的问题就变成了求解如下矛盾方程组的问题:
% o/ f9 E$ ?% C7 a
" l# c$ Z3 B/ g. a' g式中α=0,1,... m, β=0,1,..., n, i=0,1,..., l,一般l≥(m+1)×(n+1)-l。该方程组含有(m+1)×(n+1)个未知向量，l+1个向量方程式，求出α=0,1,...,　m, β=0,1,..., n 后，它就完全描述了该张空间曲面。
% {/ O) Y+ n& r! W    当零件原型数字化后形成一系列的空间离散点，生成原型的CAD模型就是要在这些离散点基础上，应用计算机辅助几何设计的有关技术，构造零件原型的CAD模型。通常对于含有自由曲面的复杂型面，用一张曲面来拟合所有数据点是不可行的，一般首先按照原型所具有的特征，将测量数据点分割成不同的区域，各个区域分别拟合出不同的曲面，然后应用曲面求交或曲面间过渡的方法将不同的曲面连接起来构成一个整体。有效的三维测量数据分割和拟合技术是逆向工程中的重要内容。
' z5 P8 }. W- G+ @( {9 ^四、实例
    将涡轮导向器用夹具固定在工作台上，以工作台面作为XOY坐标平面，沿工作台法线方向作为Z轴，取涡轮导向器底平面圆心为原点。只对一个叶片进行测量，其余叶片可由Pro/ E系统的特征阵列功能产生。
0 u# E" e- e% D1 J" l* q    利用上述的算法完成数据的测量，并将三坐标测量机测得的3D点数据以QI TECH格式输出，为了满足surface:的ASCII数据格式，必须去除行号，在每条等高测量曲线后加上S endscan #，其中#为等高测量线的序号;文件末尾加上* * end cloud*，另存为surface:能够识别的.asc数据格式，如图3所示。
8 D* R( d- J- C, e+ a    利用surfacer软件拟合出曲线，去除曲线的坏点，并对曲线光顺处理(图4所示)，从而可以保证面的光顺性。处理完后的数据以IGES格式输出给Pro/Engineer软件，进行模具设计。
    将图4所示的单个叶片模型阵列，得到如图5所示的涡轮导向器模型。


) f* H( A& f1 ^( R. Y5 f    实例中涡轮导向器由23个叶片组成，从蜡模精密铸造的特点来考虑，只需要制作如图3所示单个叶片的模具，得到蜡型后再把23个单叶片组合成如图4所示的导向器叶轮，进一步制壳、浇铸，就可以得到导向器铸件产品。采用这种工艺，很大程度上减少了制造导向器整体模具的难度，降低了制造成本。图6为利用Pro/Engineer软件设计得到的模具结构图:图7为模具场景图。

五、结论
    基于数字化的逆向工程技术为导向器类零件的敏捷设计与制造提供了一条切实可行的方案，该方案使模具的设计、制造和产品定型工期大大缩短，从而可以加快产品的研发周期，适应现代设计制造的要求。