基于RE 與RP 的葉片設(shè)計(jì)研究

張文建，任 雯，劉慶東

(華北電力大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

汽輪機(jī)葉片是一個(gè)很復(fù)雜的曲面，在空間里扭曲，它是按照葉扇吹風(fēng)數(shù)據(jù)或相似理論設(shè)計(jì)出來的以滿足汽輪機(jī)的工況需要。但是在實(shí)際應(yīng)用中，隨著電力市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，短時(shí)間內(nèi)開發(fā)出富有競(jìng)爭(zhēng)力的汽輪機(jī)產(chǎn)品變得非常重要。因而，開發(fā)出高質(zhì)量的汽輪機(jī)葉片對(duì)于發(fā)展產(chǎn)品創(chuàng)新方面有著舉足輕重的作用。數(shù)字化模型是葉片式流體機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的基礎(chǔ)［1-2］。本文根據(jù)某汽輪機(jī)葉片的特點(diǎn)，結(jié)合UG 軟件的應(yīng)用，提出了基于反求技術(shù)的葉片曲面重構(gòu)方法，并且在反求出合理模型后，進(jìn)行熔融沉積加工，得到ABS樹脂模型。通過模型實(shí)物的觀察，更好的發(fā)現(xiàn)其中的不足，修改模型，以便后續(xù)加工。

1 反求工程

反求工程(Reverse Engineering，RE)是將實(shí)物轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD 模型相關(guān)的數(shù)字化技術(shù)、幾何模型重建技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱［2-5］。它是將已有產(chǎn)品或?qū)嵨锬Ｐ娃D(zhuǎn)換為工程設(shè)計(jì)模型和概念模型，并在此基礎(chǔ)上對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行解剖、深化和再創(chuàng)造的過程。反求工程的關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)據(jù)采集技術(shù)和CAD 建模技術(shù)。

2 數(shù)據(jù)點(diǎn)的獲取及處理

2.1 數(shù)據(jù)采集

目前，數(shù)據(jù)測(cè)量方法有很多種，而且不同的測(cè)量方法也決定了測(cè)量精度的不同。按照數(shù)據(jù)的獲取方式劃分，主要測(cè)量數(shù)據(jù)的方法有接觸式和非接觸式兩種。接觸式測(cè)量的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子系統(tǒng)發(fā)展較成熟，準(zhǔn)確性和可靠性都比較高;一般配合測(cè)量軟件，可以快速的測(cè)量物體的基本幾何形狀。但是它的測(cè)量速度較慢，而且需要半徑補(bǔ)償。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，選擇GLOBAL 575 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行測(cè)量，采用橫向測(cè)量方式，每間隔10mm 采點(diǎn)一次。采點(diǎn)的球頭半徑為1.5mm，避免半徑誤差，在采點(diǎn)之前，將球頭半徑補(bǔ)償關(guān)閉。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

得到的葉片原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為igs 格式輸出，可以直接導(dǎo)入U(xiǎn)G 軟件中，里面的外觀造型設(shè)計(jì)模塊擁有強(qiáng)大的反求設(shè)計(jì)功能。如圖1 所示為導(dǎo)入的葉片原始數(shù)據(jù)。在外觀造型設(shè)計(jì)模塊中，要先對(duì)得到的點(diǎn)進(jìn)行預(yù)處理?？梢允謩?dòng)的刪去一些偏離矢量方向的雜點(diǎn)。從各個(gè)角度觀察原始數(shù)據(jù)，找出存在的部分缺陷。

圖1 葉片原始數(shù)據(jù)

3 曲面重構(gòu)與校驗(yàn)

3.1 自由曲線造型

非均勻有理B 樣條曲線(Non-Uniform Rational BSpline，NURBS)在葉片式流體機(jī)械曲線曲面設(shè)計(jì)中得到最廣泛的應(yīng)用。三維造型中的關(guān)鍵是曲線曲面的數(shù)學(xué)表述問題。在汽輪機(jī)葉片的三維造型中，與傳統(tǒng)的圓柱形葉片不同，汽輪機(jī)葉片多為復(fù)雜的三維空間扭曲曲面，結(jié)合扭曲葉片的實(shí)際情況，控制線的數(shù)學(xué)模型采用非均勻有理B 樣條NURBS 方法。該方法能夠用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)形式來表示規(guī)則曲線與自由曲線。NURBS曲線是由分段有理B 樣條多項(xiàng)式基函數(shù)定義的，其表達(dá)式為

式中，Ri，k(t) 稱為k階有理基函數(shù);Ni，k(t) 為節(jié)點(diǎn)矢量決定的k階B樣條基函數(shù);pi是特征線多邊形控制頂點(diǎn)位置矢量;wi是與pi對(duì)應(yīng)的加權(quán)因子［6-7］。

本文中的汽輪機(jī)葉片為扭曲復(fù)雜曲面，UG 軟件中的構(gòu)建樣條曲線命令一般默認(rèn)為NURBS 曲線，選擇截面線的次數(shù)為三次的NURBS 曲線，依次選擇各個(gè)截面上的點(diǎn)，完成曲線造型，如圖2 所示為葉片的空間輪廓線。

圖2 葉片輪廓線

3.2 曲線光順

對(duì)于平面曲線而言，光順的特點(diǎn)就是，具有二階幾何連續(xù)(G2)、不存在多余拐點(diǎn)和奇異點(diǎn)、曲率變換較均勻。一般兩條曲線連接時(shí)，有位置連續(xù)、相切連續(xù)、曲率連續(xù)三種連續(xù)方式。其中曲率連續(xù)指的是兩連續(xù)曲線端點(diǎn)坐標(biāo)、切線向量、曲率中心重合［8］。由于葉片最初采用流體力學(xué)設(shè)計(jì)，保證光順性很重要。本文采用曲率連接，通過曲率梳進(jìn)行觀察，光順樣條，修改百分比。

3.3 復(fù)雜曲面重構(gòu)

采用“通過曲線組”命令，將連接好的曲線形成曲面。注意在選擇曲線時(shí)的矢量方向要保持一致。生成的葉片前后緣面邊緣不整齊，還要通過繪制基本直線，剪掉不整齊的地方。

手動(dòng)測(cè)量之初關(guān)閉了三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的半徑補(bǔ)償功能，現(xiàn)在選擇“偏置曲面”命令，把葉片前后兩個(gè)曲面分別偏置CMM 的球半徑，距離為1.5mm。偏置后的曲面因?yàn)榍拾霃竭^小會(huì)出現(xiàn)小的褶皺或者曲面破碎現(xiàn)象，需要返回原曲面，將曲面分解為小面片，分別偏置。利用橋接命令將偏置好的曲面連接起來，為保證精度，可先將曲面邊緣剪切整齊，不容易出現(xiàn)不平整現(xiàn)象?？p合得到葉片模型如圖3 所示。在建模環(huán)境里進(jìn)行葉根造型，葉根模型相對(duì)簡(jiǎn)單，采用游標(biāo)卡尺可直接測(cè)量。

圖3 葉片模型

3.4 曲面的校驗(yàn)

可用半徑分析和斜率分析的方法定量地確定曲面的物理特性。對(duì)于葉片曲面采用半徑分析法，用于分析曲面的半徑，根據(jù)曲面上每個(gè)控制點(diǎn)的曲率，系統(tǒng)使用色碼顯示分析結(jié)果，分析結(jié)果如圖4 所示。通過分析對(duì)葉片曲面曲率變化較大處及反射線不均勻的地方進(jìn)行修正。采用參數(shù)化編輯方法對(duì)葉片模型進(jìn)行編輯修改，這種方法可以使修改過的片體與原始曲線相關(guān)聯(lián)［9］。通過移動(dòng)定義點(diǎn)、移動(dòng)極點(diǎn)等對(duì)曲面不均勻處進(jìn)行編輯修改，直至達(dá)到最終的滿意結(jié)果。

圖4 葉片曲面半徑分析

4 快速成型

4.1 快速成型概念

快速成型(Rapid Prototyping，RP)又稱快速原型?？焖俪尚蛯儆谔砑映尚停ㄟ^快速自動(dòng)成型系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模擬結(jié)合，無需任何附加的傳統(tǒng)模具或機(jī)械加工，就能夠制造出各種形狀復(fù)雜的原型或零件［10-12］。本文采用AuroraFM 軟件與三維打印機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)葉片模型的快速成型。

4.2 快速成型過程

將建立好的模型轉(zhuǎn)換成STL 格式輸出。選擇自動(dòng)法向生成和三角形顯示時(shí)，要注意它的三角公差，由于建立的模型表面在快速成型機(jī)中都是三角形片，所以設(shè)置的三角公差越小，會(huì)使得葉片表面的精度越高。初始化AuroraFM 軟件和三維打印機(jī)后，將葉片導(dǎo)入快速成型系統(tǒng)，調(diào)整成型方向，對(duì)葉片進(jìn)行分割、分層，如圖5 所示。分層時(shí)選擇合適的參數(shù)集，每層間隔0.2mm，系統(tǒng)將自動(dòng)保存生成CLI 文件，該文件與STL文件在同一目錄下。

圖5 葉片的分割

合并后的模型正好處于工作臺(tái)的中間。載入輔助支撐，葉片為扭曲復(fù)雜型面，選擇預(yù)設(shè)支撐3 為“圓形”。還需手動(dòng)將輔助支撐移動(dòng)到模型附近，以便節(jié)省打印時(shí)間。啟動(dòng)打印模型命令，調(diào)整工作臺(tái)高度，距離噴頭1mm 左右。然后在調(diào)試對(duì)話框中記錄下此時(shí)的高度，在此高度基礎(chǔ)上增加1mm 左右作為工坐臺(tái)成形高度。轉(zhuǎn)入三維打印機(jī)部分進(jìn)行堆積制造，最終成形的葉片如圖6 所示。

圖6 快速成型的葉片

5 結(jié)束語

本文是基于UG 的自由曲面造型功能進(jìn)行葉片的三維幾何建模。先把葉片原始數(shù)據(jù)文件進(jìn)行處理，建立樣條曲線，重構(gòu)曲面，更加精確地反映出葉片的曲面形狀，有利于葉片的實(shí)際應(yīng)用。隨后利用Aurora 快速成型系統(tǒng)對(duì)葉片模型進(jìn)行分層處理，熔融沉積加工，有利于形象觀察。所設(shè)計(jì)的工件大大減少了實(shí)際生產(chǎn)加工中的浪費(fèi)，縮減了設(shè)計(jì)周期，降低了生產(chǎn)成本。

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