非規則葉片點云精準定位方法

彭志強，程友斌，譚偉林

（湖南鐵路科技職業技術學院，湖南 株洲 412006）

逆向造型設計是簡化產品設計、縮短產品建模流程的重要手段之一。逆向造型設計主要參考對象為STL模型，它是由三維掃描儀或三坐標測量儀對已有實物進行無接觸或接觸式測量，獲得物體表面點云，經除去雜點、降噪、光順等處理后，導入專業軟件經處理后生產的三角面片體。由于三角面片僅能顯示零件輪廓外形，不能進行修改、編輯，更不能生成工程圖、用于生產加工等，故需對STL模型進行分析、反求、推導形成可編輯、可裝配等后續操作的三維模型文件。對于測量獲得STL模型（點云）在生成過程中使用空間任意坐標系，致使生成的STL模型在建模空間中處于任意狀態，故在進行逆向造型設計之前，需將STL模型（點云）“擺正”至合適位置，也稱之為STL模型（點云）定位，便于后續逆向造型設計。

本文聚焦航空發動機葉片STL模型精準定位。該零件曲面高度復雜、精度要求高、缺少有效定位平面，難以構建符合建模和裝配要求的基準坐標系。本文介紹如何依托Siemens NX軟件平臺中對于非規則葉片點云精準定位方法，構建建模坐標系，為后續逆向造型打好基礎。

1 確立定位思路

定位即確立葉片點云的建模坐標系。對于規則模型來說，確立建模坐標系的主流思路是在模型中找到特征明顯的三個互相垂直的平面作為坐標系的基準面。但航空發動機葉片（如圖1所示）由大量非規則曲面和少量規則曲面（平面、回轉面）構成，整體缺乏有效的定位特征或曲面，難以確定坐標系的有效位置[1]。

圖1 航空發動機葉片（STL模型）

當對單個零件無法確立建模坐標系時，可采取迂回策略，將坐標系的目標由單個零件調整到整個裝配組件上，即發動機葉輪盤裝配體上。以葉輪盤的中心為旋轉軸、以葉輪裝配位置中心對稱平面和旋轉軸的交點為中心點、以貫穿葉輪的軸為X或Y軸，即可構建建模坐標系。

2 建立坐標系過程

2.1 確立中心平面

（1）創建基準平面A。根據葉片掃描結果（STL模型），運用“基準平面”工具，將“類型”調整為“曲線和點”，將“曲線和點子類型”調整為“三點”，“捕捉點”中的“面上的點”，然后分別拾取面上間隔距離較遠的三點，完成基準平面1的創建。由于采集葉片STL模型上的點存在一定誤差，導致“三點”生成的基準平面1與葉片STL模型平面誤差將會擴大，進而影響后續定位精度。為了降低基準平面的創建誤差，重復“基準平面1”的創建方法，重新拾取STL模型上的三點（注意此三點的位置與原有三點的位置應存在明顯間隔），創建基準平面2，然后運用“基準平面”工具，切換創建類型為“二等分”，分別拾取基準平面1和基準平面2，即可創建在基準平面1和基準平面2之間的中性平面——基準平面A（如果所創建的平面方位為垂直方向，可調整“平面方位”中的“備選接”）。考慮在創建基準平面1和2的過程中，受操作者主觀影響，可能創建的平面誤差較大，還可多次創建不同的平面再次創建中性平面，以此逐漸減少誤差，創建一個相對誤差較小的基準平面。

（2）創建基準平面B。創建基準平面B的方法與內容與創建基準平面A的方法和內容基本一致。首先運用“基準平面”/“三點”分別創建基準平面3和基準平面4，再運用“基準平面”/“二等分”求得基準平面3和4的中性平面B。

（3）創建中心平面。運用“基準平面”/“二等分”分別拾取基準平面A和基準平面B，即可求得葉片的中心平面。結果如圖2所示。為驗證中心平面位置是否正確，用中心平面將葉片STL模型分割開來，并將任意一側模型鏡像到另一側，檢查兩個模型平面貼合度[2]。

圖2 中心平面及過程基準平面示意圖

2.2 創建坐標系中心

（1）創建中心平面上STL模型關鍵點。運用“截面曲線”工具定義“剖切對象”為葉片STL模型、“剖切平面”為中心平面，將“設置”選項修改為“輸出采樣點”，選擇采樣距離為“1”即可完后STL模型關鍵點的截取。

（2）創建截平面草圖。在中心平面上創建草圖，根據第（1）步所創建的點云，采用“三點定圓”方式，繪制4個特征圓。由于模型存在偏差，導致4個圓的圓心必然不會出現在同一位置，且圓的直徑尺寸必然不會是整數。此處應結合實物模型，通過測量葉輪的具體安裝尺寸和形狀尺寸，直接確定4個圓的直徑尺寸分為φ445、φ500、φ616、φ625。

（3）創建坐標系中心。確立4個圓的直徑尺寸后，圓的中心位置偏移值較大，需要綜合現有4個圓中心位置創建一個誤差較小的點作為4個圓的共有中心，以此將所有誤差控制在最小。由于4個圓心點中的3個點都不共線，可以視為四個圓心點為一個四邊形的角點，其對角線的相交點即為中心。以此為圓心，重新繪制4個圓，檢測誤差值是否在范圍內，即可完成坐標系中心點的確立。結果如圖3所示。

圖3 坐標系中心點的創建

2.3 確立坐標系X 方向

（1）創建基準平面5。確立中心點后，在草圖平面上繪制葉片裝配處平面位置，運用“直線”命令，拾取關鍵點，分別創建直線。退出“草圖”環境后，運用“基準平面”工具將“類型”修改為成一角度，將“平面參考”定義為中心平面，將“通過軸”定義為草繪直線，將“角度”指定為90°，即可完成基準平面5的創建。

（2）創建基準平面6。創建基準平面6的過程與創建基準平面5基本一致。首先根據現有點云繪制直線，然后運用“基準平面”工具求得基準平面6。由于在創建2根直線的過程中，采樣點較少，直線誤差較大，因而可以采用多次創建平面的方式逐漸減少誤差。

（3）創建法向平面。運用“基準平面”/“二等分”分別拾取基準平面5和基準平面6創建法向平面[3]。

（4）確立坐標系X方向。運用“相交曲線”命令分別指定“第一組”面為中心平面、“第二組”面為法向平面，即可生成一個非參數直線，此直線原理中點的方向即為X方向。結果如圖4所示。

圖4 X軸坐標方向的確立

2.4 確立坐標系

（1）創建坐標系平面草圖。確立坐標系需在平面上確立其基本軸的方向，在中心平面上創建草圖。首先以中心原點為起點創建一根與X方向平行的直線1作為坐標系X軸；再次以中心原點為起點繪制一根與直線1垂直且向上的直線2，作為坐標系Y軸。

（2）建立坐標系。運用“基準坐標系”工具，“類型”調整為“動態”，在屏幕中拖曳坐標系，將原點調整至中心點位置；單擊坐標系“XC”，然后單擊“坐標系X軸”；單擊坐標系“YC”，然后單擊“坐標系Y軸”；坐標系“ZC”根據“右手笛卡八”定則自動確定。基于葉片STL模型的坐標系已建立完成。

2.5 對齊坐標系

建立基于葉片STL模型的坐標系后，此時坐標系與Siemens NX軟件的絕對坐標系存在偏差，不利于后續建模、裝配、編程和加工等操作。因此，需要將葉片STL模型的坐標系與NX軟件絕對坐標系重合。運用“移動對象”命令，定義移動對象為STL模型，將“變換”方式定義為“坐標系到坐標系”，指定“起始坐標系”為之前創建的坐標系，指定“目標坐標系”為絕對坐標系，將“結果”選項更改為“移動原先的”，即可將葉片STL模型移動至絕對坐標系下，完成對齊坐標系操作。結果如圖5所示。

圖5 坐標系X軸和Y軸的創建

3 坐標系位置驗證

首先運用“移動對象”命令，將“對象”定義為葉片STL模型，將“變換”選項卡中的“運動”選項定義為“角度”，指定“矢量”為X軸、“軸點”為坐標系原點、“角度”為360°；在“結果”選項中選擇“復制原先的”，“距離/角度分割”為86個，“非關聯副本數”為85個，即可創建出86個葉片STL模型。結果如圖6所示。

圖6 沿絕對坐標系X軸陣列而出的葉片STL模型

檢測坐標系位置最常見方法為檢測各葉片面的平面度和圓柱度：首先檢測各葉片的平面度，將葉片拆分為上、下兩個最高平面和安裝部位的上、下兩個平面，運用“偏差度量”分別對4個平面和86個葉片STL模型進行檢測；然后檢測各葉片的圓柱度，在86個葉片組成的最外圈、最內圈、葉片曲面部位最外圈和最內圈，形成四個同心圓柱體，運用“偏差度量”分別對4個圓柱面和86個葉片STL模型進行檢測。通過對坐標系和葉片STL模型的逐一檢測，發現誤差控制在±0.02 mm，基本符合逆向造型的基本需求，印證此方法能切實運用在葉片等非規則點云精準定位中。

4 結束語

本文針對航空發動機葉片等多曲面、非規則的零件，摒棄傳統逆向定位方法，創新逆向坐標系的建立方法，提出了一種復合非規則葉片點云的定位思路：在創建中心平面過程中，提出由傳統的三點定位（粗定位）進階成六點（或更多點）定位，進一步提升平面的創建精度；在創建坐標系中心點過程中，提出以實物測量和STL點云聯合的方式，構建坐標系中心點，盡可能滿足模型精度需要；在確立坐標系X方向過程中，提出運用葉片模型少有的平面與中心平面的交線作為X方向，為后續逆向指定參考，降低后續逆向難度；在建立和對齊坐標系過程中，運用“移動對象”命令，提升對齊坐標系的速度。