汽車發動機風扇葉片的逆向造型與分析

2010-01-01 01:47:18占長清

圖學學報 2010年1期

關鍵詞：模型

占長清，劉蘇

（南京航空航天大學機電學院，江蘇南京 210016）

逆向工程[1-2]是針對消化吸收先進技術的一系列分析方法和應用技術的組合。它是以產品或設備的實物、軟件或影像作為研究對象，應用現代設計理論方法、生產工程學、材料學和有關專業知識進行系統深入地分析和研究，探索掌握其關鍵技術，進而開發出同類的先進產品。目前，大多數關于逆向工程技術的研究主要集中在實物的逆向重構上，即重建產品實物的CAD 模型和最終產品的制造方面。

本研究對象為一汽車發動機冷卻風扇，這種風扇用在型號為NJ7180ZR 名爵等汽車上。因為葉片等實體表面一般由復雜的自由曲線、曲面構成，通用的CAD 平臺，僅提供通用的幾種造型功能，對有復雜結構，自由型曲線、曲面等葉片來說，造型相對困難和麻煩，而且造型時間長，可修改性也差。若采用逆向工程技術測量出符合要求的葉片并反求出數字模型，在重復制造葉片時就可以運用這一數字模型生成加工程序，可大大提高生產效率，降低制造成本。本論文對此發動機風扇進行了反求設計與分析。

1 光學式表面數字化

逆向工程中物體表面三維數據的獲取方法可分為接觸式和非接觸式兩大類[1]。

本研究運用了ATOS 測量系統對風扇進行數字化。它是基于相位光柵投影的結構光法的光學式測量方法，它的工作原理是采用可見光，將特定的光柵條紋投影到測量工件表面，借助2 個高解析度的CCD 數碼相機，采用光柵干涉條紋進行拍照，利用光學拍照定位技術和光柵測量原理，在較短的時間內獲得復雜工件表面的完整點云。

ATOS 的點云數據拼合采用了獨創的參考點技術，即將兩次采集到的點云數據通過共有的3個及以上的參考點進行拼合。在測量前，需要在風扇葉片表面定義點云數據拼合的參考點，以便于計算機對多幅照片點云的精確拼合。為了使多幅掃描的點云合并到統一的坐標系統，在掃描時要求每一幅照片都至少要看到不在同一直線上的3 點，且后一幅照片必須要看到前一幅照片的至少3 個參考點。

掃描完畢后形成的點云數據利用儀器自帶的系統處理，提取工件表面的特征，進行拼合、對齊、三角網格化、錯誤消除、消除碎片、光順、過濾等計算，生成三角網格數據。工件掃描完畢后， stl 格式文件以小平面特征導入Pro/ENGINEER 2.0 軟件。

2 三角網格數據預處理

風扇在結構上呈輪輻狀，并且6 個葉片在空間呈均勻分布，選取一個葉片作為研究對象。

小平面模型中有著孔洞而且三角片數目很大。在進行曲面重建之前應進行孔洞的修補和三角網格的簡化等預處理。

本研究中葉片的孔洞是由于葉片復雜性導致測量盲區而產生的，ATOS 在邊界處理方面不太好，因此形成的孔洞在葉片邊界處。

對于葉片三角網格模型中的孔洞, 采用基于曲率的Fill hole 功能進行修補。因為葉片孔洞比較大，修復時采用了分段填充的方法。為使填充的區域平滑，在填充之前對孔洞邊界進行預處理。孔洞預處理的原則是根據原始模型幾何形狀，能使孔洞的特征多邊形的頂點法矢方向一致，向量夾角不大。使孔洞成為簡單孔洞[3]。否則有時填充不了，或者翹曲非常嚴重。孔洞邊界處理時用添加、刪除小三角片等操作，同時結合分割邊操作消除狹長三角形。這樣填充的效果比較好。

通過分樣簡化三角網格，孔洞修復，整理，精整，和松弛迭代等一系列數據預處理后的葉片如圖1 所示。

圖1 預處理后的葉片三角網格模型

3 基于過渡曲面特征提取方法的曲面重構

重新造型時，如果使用截面線放樣造型曲面。按照葉片設計的要求，實體建模時要保證前、后緣是嚴格的圓弧，并需要保證葉身型線與過渡圓弧線光滑相切，即保證在兩者的連接點處一階導矢（G1）連續。所以，首先要找到兩者間精確的連接點－切點。找切點再進行曲線拼接很麻煩，又因為葉片是變厚的自由曲面，把它作為一個整體擬合，容易形成翹曲，如圖2所示。

本文提出根據葉片邊界曲率的突變性，劃分區域，進行特征線提取。用多項式曲面擬合后，在曲面之間添加從屬相切約束條件，達到曲面連接處的相切。

目前，識別特征點的方法很多，如夾角法、曲率法等。夾角法是根據三角網格模型中一條邊的相鄰三角片法矢夾角是否大于某一值的準則來判斷該頂點是否為特征點。通常的曲率法是通過擬合頂點周圍的區域，計算該頂點在擬合曲面的最大曲率值，根據判斷該曲率值是否大于某一值來決定是否為特征點。

圖2 截面線放樣造型

本文使用通過曲率分析提取特征點的方法。對于本研究中的葉片，在邊界處是曲率突變處，因此邊界處是特征提取的地方，論文提出把過渡曲面特征提取方法[4]用于研究中，對葉片進行特征提取。

這樣把在過渡曲面的三角網格提取出來，取一部分反映分界的點擬合成Spline 曲線，根據曲線曲率分布是否平緩均勻對曲線進行調整，只有滿足曲線光順, 曲面才能光順, 曲面與三角網格的吻合精度也主要靠曲線中關鍵特征線的提取和創建精度來保證的。這樣得到了特征線，對區域進行了劃分，如圖3 所示。

圖3 特征線提取

根據曲面的光順和精度要求來修改曲面的類型。曲面的3 種主流類型為Spline，Bspline 和Bézier。Spline 曲面是缺省的曲面類型，它只能控制段數量。此類型增加點的數量可以獲得更好的擬合和投影效果，并更好地匹配位置約束和相切約束，所以對于圓角，選擇這種類型比較好。Bézier 曲面只能控制擬合程度，提高擬合程度可增加擬合效果。此曲面類型不適合受限曲面，這種曲面類型可以獲得最佳的曲面質量，因此對于光滑大曲面使用此類型。Bspline 曲面可以同時控制擬合程度和段數量。指定的擬合程度越低、段數量越多，曲面就更類似于Spline 曲面。指定的擬合程度越高，段數量越少，曲面就更類似于 Bézier 曲面。

在重新造型時，葉身使用了Bézier 曲面類型，在邊界圓角處，使用Spline 曲面類型造型。曲面重建的葉片CAD 模型如圖4 所示。

圖4 葉片曲面CAD 模型

4 精度與光順性校檢

重構出的曲面要檢測它的光順性和精度。光順性，可以用高斯曲率來衡量，對于精度可以用對小平面偏差來確定。

如圖5、圖6 所示，葉背與葉盆的曲率分布變化平緩，沒有突凸或突凹，符合實物葉片曲率變化的規律，看出曲面還是比較光順的。

設定曲面的最大偏差為0.05mm。如圖7、圖8 所示，在三角網格模型的葉背和葉盆上分別均勻的取6 個小平面頂點。隱藏網格模型，進行偏差分析。得到葉背型面的最小偏差為0.0016mm，最大偏差為0.0253mm，葉盆型面的最小偏差為0.0001mm，最大偏差為 0.0046mm。偏差在0.05mm 以內，得到的風扇葉片是滿足精度要求的。