基于Imageware 的汽輪機末級葉片三維模型重構＊

王小旭，張宗仁

（吉林工業職業技術學院，吉林 吉林 132013）

汽輪機末級葉片的排氣面積與汽輪機的效率息息相關，隨著節能降耗的迫切需要，提高汽輪機機械能轉化效率尤為重要[1]。由于汽輪機末級葉片在工況下汽輪機承受巨大的離心力和扭轉力，為此，對其設計提出了更高的要求[2]。傳統的葉片的三維造型以數學建模為藍本，其設計周期長、效率低。為縮短產品的開發周期，降低開發成本，逆向工程技術在機械產品設計領域應用越來越廣泛，其中復雜曲面的數據模型重建問題一直是研究的重要方向。如何充分利用逆向工程技術設計周期短、響應速度快、柔性強的特點，完成汽輪機末級葉片的逆向設計、縮短產品設計周期具有一定意義[3]。

1 基于Imageware的葉片型面點云數據處理

汽輪機末級葉片作為典型的流體機械產品，屬于結構相對比較復雜的零件，其葉片薄且扭曲度大，其設計和制造工藝比較復雜。葉片曲面建模基于Imageware 和Pro/E 軟件共同實現，集合了專業逆向軟件與綜合性CAD/CAM軟件各自的優點，提高了建模速度和準確性。

葉片點云數據由手持式自定位非接觸式三維激光掃描儀獲得，葉片的初始數據如圖1所示。原始點云數據不可避免的存在噪音點，為了更好地保證點云數據的真實性，采用Geomagic studio軟件對掃描得到的數據進行處理。將圖1所示的原始點云數據導入到Imageware軟件中進行優化處理，具體過程包括截取點云切片、去除噪音點、補間隙、點云光順[4]。

圖1 原始點云數據

1.1 截取點云切片

汽輪機末級葉片的點云截取方法有兩種：橫向截取點云與縱向截取點云。考慮到本葉片葉根部分為規則曲面，以及后續的造型，故選擇橫向截取點云。在Imageware環境下，通過交互式截取點云指令，如圖2所示是得到的末級葉片的點云數據組；圖3所示是某一截面點云數據。

圖2 處理前點云數據組

圖3 處理前某一截面點云數據

1.2 去除噪音點并補間隙

在點云數據采集過程中，為了更好地采集到葉片數據，在葉片表面噴涂顯影劑，造成在葉片表面會有一些噪音點，需要在Imageware軟件中通過選擇點選或者圈選點來刪除噪音點，如圖4所示。

圖4 圈選點

由于掃描數據是由單個點組成，截取切片時可能出現切片上點密度不等，同時刪除噪音點過程以及點云上點的缺失等不足，導致點云切片上出現點間距過大問題，需要對點云切片進行補間隙操作，而間隙修補后可能存在點密度過大，故此要對點云進行采樣處理。采樣時，為保證點云光順性與精密性的統一，采用曲率采樣的方法。

1.3 光順截面點云

受原始零件表面粗糙度的影響，掃描得到的點云數據不夠光順，為提高逆向重構模型的質量，需進一步對點云進行光順處理，同時為保證點云失真程度最小，采取局部光順處理方式。點云光順處理的方法很多，如中值光順、平均光順、高斯光順，高斯光順是在指定區域內的高斯分布，為較好的保持葉片的型面形狀，減小與原有數據的誤差，運用高斯光順法處理點云，其光順原理如圖5所示。圖6所示是光順后得到的點云數據組，圖7所示是某一截面點云數據。

圖5 高斯光順

圖6 處理后點云數據組

圖7 處理后截面點云數據

1.4 處理后偏差分析

對點云進行處理的過程中，不可避免的會造成處理后點云和原始點云出現偏差[5]，要對兩者進行偏差分析，比較結果如圖8 所示。在結果中可以看到在內部公差范圍內的318 032個點中，99.381%的點符合公差要求。

圖8 點云偏差

2 三維模型重構

為提高葉片三維模型的精度，在專業造型軟件Pro/E環境下進行實體造型。將處理后點云導入Pro/E軟件中，利用基準線工具把每一截面的點云都連成光滑的曲線形成末級葉片的基準線，用邊界混合工具把各基準線連成一個面，即可得到完整的葉片曲面。但是在實際的逆向造型過程中，會因為所連接曲線光滑程度不夠等原因造成末級葉片表面不夠光滑的現象，需要對葉片表面質量進行檢測并進行進一步的修改。另外，葉片葉根形狀是規則的直叉形葉根，可以直接通過Pro/E建模得到，完整的葉片模型如圖9所示。

圖9 逆向造型的葉片

3 偏差檢驗

在點云數據的采集、優化處理、曲面擬合、模型重構的過程中，難免會出現偏差從而導致重構模型失真，所以逆向造型過程中必須要對照原始點云對重建模型進行偏差分析，當偏差過大或不符合設計標準時，要及時做出修改。將重構模型和原始點云在Geomagic Control環境下進行最佳擬合對齊后進行偏差分析，如表1所示為偏差分布情況表，圖10所示為面3D 色譜分析圖，圖11 所示為偏差比較結果注釋圖。

表1 偏差分布情況表

圖10 3D 色譜分析圖

圖11 比較結果注釋圖

圖中出現大面積正偏差區域，是由于使用顯影劑導致的整體葉片尺寸偏大所致，且噴涂顯影劑時底部葉片尺寸變化相對較大。

由于逆向設計過程中的偏差要求及標準尚未有眀卻規定，此處以修理后的偏差要求對重構模型進行偏差評定[6]，即偏差小于整體尺寸的0.5%視為Ⅰ級。葉片平均偏差為0.078 mm，最大負偏差為0.47 mm出現在葉根部位，此為原葉片安裝過程留下修配痕跡所致；最大正偏差為0.173，此為噴涂顯影劑在下方堆積凝固所致。經偏差檢驗發現，逆向工程技術應用于汽輪機末級葉片造型可以達到Ⅰ級工程設計精度要求。

為從實物上更為直觀的檢驗逆向重構模型是否正確，以重構CAD模型為基礎使用快速成型機加工出螺旋槳實體模型如圖12所示。

圖12 螺旋槳實體模型

4 結論

文章以300 MW 汽輪機機組的直叉形變截面大扭曲葉片為例，運用逆向造型技術進行三維造型，對整體葉片進行快速反求，實現整體葉片快速設計和制造。介紹了在Imageware 軟件平臺下，采用合理的方法進行數據處理、三維曲面重構，完成變截面大扭曲汽輪機末級葉片的逆向設計建模的具體方法，并通過三維模型與原始點云進行偏差分析驗證了設計方法的可行性，在縮短汽輪機葉片開發周期，提高設計水平方面都有著一定的實際意義。