基于Geomagic航空發動機葉片逆向建模與誤差檢測分析

陳恩雄

（長沙航空職業技術學院 航空機械制造學院，長沙 410124）

航空航天制造水平是一個國家經濟實力、科技水平和國防力量的重要體現。逆向工程技術是提升航空航天制造水平的重要舉措[1-2]。航空發動機葉片作為航空發動機的重要零部件，是航空發動機研究的關鍵技術，也是很多發達國家封鎖的核心技術，因此往往無法獲得其初始設計的三維模型和相關參數[3]。本文利用Geomagic軟件，通過掃描獲取點云、點云數據優化、Geomagic Design X模型逆向建模以及Geomagic Control模型的誤差檢測分析等，對某型航空發動機葉片進行逆向建模，并在此基礎上得到其三維模型和相關參數，可在一定程度上助力我國航空發動機葉片設計制造水平的提高。

1 基于Geomagic Wrap三維數據信息的采集

1.1 點云數據采集

逆向工程中，詳細分析研究點云數據采集方法，通過對航空發動機葉片的形狀進行結構分析，根據實訓室條件確定合適的采集方法，并對葉片進行點云采集。這里利用Win3DD三維掃描儀對航空發動機葉片進行360°無死角的點云數據采集。Win3DD三維掃描儀的結構，如圖1所示。

圖1 Win3DD三維掃描儀

1.2 點云數據預處理

通過Win3DD三維掃描儀采集得到的點云數據，帶有體外孤點、噪聲點、雜點以及破洞等，加之掃描人員的操作誤差，會出現點云層數據錯層，造成點云數據誤差過大。如果直接使用點云數據進行曲面逆向重構，不但很難逆向重建模型，而且會對后面的提取曲線、擬合曲面精度產生大的影響，甚至出現無法擬合完成葉片曲面的情況[4]，因此需要對得到的點云數據進行較為復雜的點云處理。在Geomagic Wrap軟件中，對獲得的點云數據進行多余雜點、體外孤點、減少噪聲、采樣以及平滑等處理，進一步優化點云，得到更好質量的點云數據，同時進行去除突出物、殘留面、光整棱邊和交叉物等操作。對于掃描兩次或多次獲得的點云數據，可采用拼接方式將其拼接到一起，再通過全局注冊對兩個或更多初始拼接后的點對象或者多邊形對象進行精細拼接完成封裝，從而得到較高精度的點云數據，如圖2所示。

圖2 點云數據

1.3 三角面片處理

航空發動機葉片根部使用過后會出現表面不平、表面數據掃描精度差、掃描過程中有凹凸不平的表面和非有效雜點數據。為了后續葉片逆向重構精度更高，需要對葉片根部進行三角面皮處理。圖3為葉片根部圓角。圖4（a）為葉片根部圓角沒有處理前的情形，明顯可以看出表面不光順且存在破損。通過去除特征及表面數據平滑處理，得到了較好的曲面，如圖4（b）所示。

圖3 葉片根部圓角

圖4 葉片根部圓角所示部分的放大圖

2 三維Geomagic Design X逆向建模

將獲得的三角面片文件導入Geomagic Design X軟件，進行坐標對齊、領域分割以及模型建立等逆向建模[5]。葉片表面采用面片擬合方法進行建模，面片擬合曲面將多邊形模型轉化成精確曲面模型，主要分為曲面片階段、柵格階段、曲面階段和輪廓線階段4個階段。采用輪廓樣條線編輯是為了將模型中曲面曲率較大的領域分隔開，將曲面曲率小的曲面區域分割在一起形成一個較大曲面領域[6]。為了提高曲面片的擬合質量，需要對曲面片進行預處理。曲面片中的柵格越密集，越能表現該曲面片的細節。經過擬合曲面操作，最終可以得到如圖5和圖6所示的曲面柵格對比。曲面體偏差參數，如表1所示。

表1 曲面體偏差參數表

圖5 曲面體偏差對比1

圖6 曲面體偏差對比2

從圖5和圖6的曲面體偏差對比可以看出，許可偏差和控制點位會影響曲面擬合的精度，U延長比率和V延長比率只會延長曲面四周，所以曲面的精度主要由許可偏差和控制點位數決定。

為了更好地評估模型的準確性，主要利用下面2個參數對最終得到的模型進行體偏差分析[7]。

（1）標準偏差值S，表示偏差的離散程度，即

式中：x為點的實際位置；為期望位置；n為點的個數。

（2）RMS表示均方根，能夠反映所得數據的可靠性，計算公式為

式中：di為一組分析值與參考值的偏差。

3 模型型面的精度檢測分析

將點云文件光固化立體造型術（Stereolithography，STL）和數字模型生成樹協議（Spanning Tree Protocol，STP）文件同時導入Geomagic Control精度分析軟件[8]，通過最佳擬合方式將點云文件STL和數字模型STP文件擬合為一體。對模型進行3D比較，生成3D比較圖，以不同顏色區分測試體與參考對象之間不同偏差顏色生產體偏差圖，如圖7所示。

從圖7可以看出，公差均在±0.05 mm。3D選取點得到的點位分析可以得到圖8葉片表面公差分布圖，可以看出，葉片表面的公差主要分布在0.02 mm以內。通過表2的葉片表面點位分析表可以得到每個點在葉片曲面的偏差公差。

表2 葉片表面點位分析表

圖7 體偏差圖

圖8 葉片表面公差分布圖

通過2D比較，選取葉片截面分析獲得圖9葉片截面圖，可以看出點的精度分析。葉片截面點位分析表，如表3所示。葉片截面公差分布圖，如圖10所示。由以上精度分析可得，通過逆向建模得到的三維模型的精度較高，具有一定的應用價值。

表3 葉片截面點位分析表

圖9 葉片截面圖

通過對比分析可以得到葉片表面及截面點位公差分析數值，同時反映了逆向建模后得到模型精度的高低。通過對比修改葉片擬合參數得到精度較高的三維模型，可為加工模型打下更好的基礎。

圖10 葉片截面公差分布圖

4 結語

利用Geomagic軟件掃描獲取點云、優化點云數據、通過Geomagic Design X模型逆向建模以及Geomagic Control模型的誤差檢測分析等，對某型航空發動機葉片進行逆向建模，在此基礎上得到其三維模型和相關參數，可在一定程度上助力我國航空發動機葉片設計制造水平的提高。