实现压气机叶轮逆向设计的测量技术研究珲春

实现压气机叶轮逆向设计的测量技术研究

实现压气机叶轮逆向设计的测量技术研究 2011年12月04日 来源： 压气机是行走机械中广泛使用的部件，其中的两个叶轮是其关键件。叶轮的叶片形状复杂，难以用一般的数学表达式描述，其设计往往是借助原有的零件进行改进，并进行多次实物试验、表面修改，然后定型，因此压气机叶轮的逆向设计十分必要。将快速硅橡胶模具技术和真空注型技术应用到压气机叶轮的测量数据采集中，避免了对原有样件的破坏，扩大了三坐标测量机的使用范围。本文通过对压气机叶轮测量方法的研究提出了用于压气机叶轮逆向设计的测量数据采集方法。一、压气机叶轮的一般测量方法逆向设计的压气机叶轮实物照片如图1所示。压气机叶轮的测量难点在于其叶片的测量。叶片由曲面构成，很难用一般构造模型的方法建模。必须对叶片表面形状进行逐点测量，以期求得比较完整、准确的测量数据。由于受叶轮特定的结构限制，采用三坐标测量机和激光扫描测量机都不能将叶片表面全部测量数据采集到。采用工业CT机可以采集表面测量数据，但该方法造价高、数据处理难度高，而测量精度却不高。采用层析法进行测量数据采集，也有数据处理困难的缺陷，并要求测量前规划好测量方法，以保证测量一次成功。因为层析法将对被测量零件进行分层切削，造成不可逆转的完全破坏。对于只有一件的反求零件一般不适于采用层析法进行测量数据采集。

图1压气机叶轮实物照片

二、压气机叶轮的复制测量方法在压气机叶轮不被破坏的状态下，我们采用了快速硅胶模具技术及真空注型技术，快速复制了若干个聚氨脂叶轮样件。硅橡胶模具制作工艺流程如图2所示。将实物样件放入适当大小的容器中，在真空条件下将硫化硅胶浇注在容器中。经固化后，将浇注的硅橡胶进行分模。由于硅橡胶有良好的柔性和弹性，对于结构复杂、无拔模斜度或具有倒拔模斜度及具有深凹槽的零件，都可以从中直接取出。

图2 硅橡胶模具的制作工艺流程

硅橡胶具有流动性好、成型收缩率低、高撕裂强度、易离模等特点。用硅橡胶制作简易模具是20世纪80年代新发展起来的实用技术，在样件试制、小批量生产等方面起到缩短研制周期、降低生产成本的效果。将硅橡胶模具技术用于叶轮小批量翻制，较好地再现了零件的原型，并使原有零件不被破坏。在翻成硅橡胶模具后，在真空条件下向模具中灌注双组分的聚氨脂，固化后即得到所需的零件。调整双组份聚氨脂的构成比例，并可使所得到的聚氨脂零件性能接近ABS或PP。对聚氨脂样件进行剖分， 就可以用三坐标测量机和激光扫描测量机采集测量叶轮叶片表面数据。图3所示为快速复制的聚氨脂叶轮样件。通过对叶轮表面形状特点的观察与分析，可以看到叶轮的叶片为轴对称结构，两个端面为平面，三维测量与三维造型都可以以端面和轴线为基准建立坐标系。

图3 快速复制的聚氨脂叶轮样件1和2

三、激光扫描测量叶轮的实验激光扫描测量采用光三角测量原理，将激光光源聚焦并以预定的角度投射到被测物体的表面，由CCD摄像机接收该表面的漫反射光，由已知的角度和距离，利用三角形解法，计算出被测物体表面任意一点的坐标位置。激光扫描具有测量速度高、测量点密集、测量数据准确的特点，不仅可以测量硬质工件，还可以测量柔软工件。

图4 激光扫描测量叶轮的点云数据

由于激光扫描测量设备一般只具有工作台平移扫描、工作台旋转扫描功能，在测量过程中激光照射到的表面能够得到测量数据，而被遮光的表面则不能获得测量数据，需要调整被测件的角度与位置，重新测量。由此带来了两次测量数据坐标系不一致以及两次测量坐标系关系不清晰的问题。在激光扫描测量叶轮过程中，基准面与叶片表面不在一个方向上，很难兼顾叶片表面与基准面的测量。激光测量数据显示结果见点云图4。由图中可以看到为了更完整地测量叶片表面数据，将叶轮的叶片全部去除，只留下一片待测。图中白色方框内的点云就是需要测量的叶片数据。由图4可以看到，绝大部分是冗余的测量数据。这种测量方法冗余数据处理量大。由于测量数据密集散乱，不能准确地建立端面和轴线基准，同时叶片背光面的测量数据不完整。上述缺陷使该数据难以为建立叶轮三维模型所用。因此本文认为采用激光扫描测量方法不适用于压气机叶轮逆向设计的测量数据采集。四、三坐标测量机对叶轮的测量三坐标测量机是典型的接触式测量系统，测量精度高。它以精密机械为基础，综合应用了电子技术、计算机技术、光学技术和数控技术等先进技术，是目前应用最广泛的也是最成熟的一种测量技术。三坐标测量机的测头可以在三个相互垂直的导轨上移动，测头以接触式的方式传递信号，三个导轨的位移测量系统（光栅尺）经数据处理器或计算机等计算出工件的各点坐标（x、y、z）。在逐点式扫描测量时，通常是将测头在横向以等速或等间距逐点移动，在等间隔位置量取工件在Z轴的坐标。当工件轮廓有明显起伏变化时，需要增加测量点来提高分辨力。一般采用的方式是取（△X＋△Z）为常数，△X和△Z分别是X轴和Z轴的分辨力。当△Z变大时，△X相应变小，测量点将更加密集。将三坐标测量机应用在逆向工程三维曲面测量时，测量人员可以以人工方式逐点测量，或用CNC做辅助，沿曲面的外形接触被测物体自动取得数据。对叶轮1，其叶片只有一种，在建立了坐标系后对剖分的叶轮只需测量一次，就可以测量出叶片的前面和背面（分属两个叶片）。剖分的叶轮如图5～图6所示。

图5剖分的叶轮1

图6 剖分的叶轮2

由于建立三维数字模型的需要，首先在叶轮的底面测量三点，供建立三维模型的XY基准平面使用。分别在叶轮两端的圆周上测量三点，三坐标测量机自动给出端面的两个圆心，以供三维模型建立Z轴使用。然后就可以对叶片的前面和背面进行测量。由于叶片为曲面，在测量过程中应尽量对叶片表面多采集一些数据，以避免有漏测的点，需要补测。补侧的测量数据很难与上一次测量的零件坐标系重合，而且数据处理复杂，准确度不高。我们对叶轮1 的测量采用步距约为1mm、行距约为1.5mm、测头直径为1mm的测量参数进行测量，结果显示如图7所示。最后对叶轮的外轮廓和叶片基部进行采点测量。应用图7的测量数据，建立的叶轮三维重构模型如图8所示。

图7 CAD中显示的叶轮1的测量数据

图8 叶轮1的三维重构模型

对于叶轮2，由于其有两种叶片，因此对其剖分需要将其两种叶片的前面和背面都曝露出来，共计测量4个面。测量步骤与叶轮1的测量步骤类似，只是由于剖分部位的限制，叶面的测量需要分两次进行。测量的结果如图9所示。三维重构的模型如图10所示。

图9 叶轮2的测量数据显示

图10 叶轮2的三维重构模型

叶轮的其他规则表面，其测量数据采集以原始样件为测量样件，采用常规的测量方法即可满足叶轮三维重构的需要。从三维重构的过程和重构的结果来看，通过三坐标测量机采集的叶轮表面测量数据能够满足三维重构的需要，叶轮叶片曲面光顺，满足使用要求。五、结束语采用快速硅胶模具技术及真空注型技术，快速复制叶轮样件用于叶轮的破坏性测量，具有保护原始样件不被损坏的优点，扩大了三坐标测量机的测量使用范围。三坐标测量机测量曲面，测量精度高，测量目的性明确，测量方法灵活。压气机叶轮的三维重构比较复杂。在对叶轮进行测量时，可以根据叶轮三维重构的需要，建立测量数据的坐标系；根据零件具体结构特点，直接测量出零件表面的关键结构和关键点尺寸。这就为零件的三维重构带来了很大的方便。与激光扫描测量数据及其它测量方法相比，减少了许多数据处理量，规则表面重构精度高，曲面重构形状准确、表面光顺，完全能够满足设计、制造的要求。(end)

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