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整体叶轮逆向制造过程中的关键技术研究中文摘要整体叶轮逆向制造过程中的关键技术研究中文摘要本文以某整体式叶轮为研究对象，分析了该叶轮的曲面特征，并选用接触式三坐标测量仪对该叶轮进行表面特征数据的测量。为得到完整、有效的测量数据，本文按照趣面特征的不同，为时轮的轮毂和叶片分别规划了不圆的测量方式。在叶轮直纹叶片的测量方面，根据叶片( 该叶轮的长、短两类叶片类型相同，作相同处理) 的直纹曲面特征，确定沿生成线方向以连续扫描模式进行测量的方案。本文选用逆向软件c o p y c a d 对三坐标测量仪测出的数据进行降噪、分片、光顺和三角化处理后，生成时轮叶片面组。将该面组导入三维c a d 忿a m 软律p r o e n g i n e e r 后，结合测量所得的轮毅特征数据，生成与待反求整体叶轮表面近似的曲面面组。利用p r o e n g i n e e r 的破面修补功能修补该面组，并完成叶轮的三维建模。为校核该叶轮模型的固有频率和强度，本文利用有限元分析软件p a t r a n 划分叶轮的四面体有限元网格模型，并根据该叶轮的实际工况，将划分出的模型直接用于整体时轮的振动特征和强度的计算，验证了模型设计的可靠性。具有较强的工程实用性。为了编制该叶轮可靠的n c 加工程序，本文讨论了五坐标机床的运动特征，并详细分析了p o w e r m i l l 软件中针对m i k r o nu c p 6 0 0v a r i o 机床创建的后处理文件。本文对该整体叶轮数控加工的刃路撬划进行了分析和研究，并编制了数控铣割的n c 程序。【关键词】整体叶轮；逆向工程：模态分析；后处理；刀路计算作者：谢展导师：钱志良a b s t r a c tk e yt e c h n o l o g i e sr e s e a r c ho nr e v e r s ee n g i n e e r i n go f i n t e g r a li m p e l l e rk e yt e c h n o l o g i e sr e s e a r c ho nr e v e r s ee n g i n e e r i n go fi n t e g r a li m p e l l e ra b s t r a c tt h i sp a p e ra n a l y s e st h es u r f a c ec h a r a c t e r i s t i co fas p e c i a li n t e g r a li m p e l l e r o nt h eb a s eo ft h ea n a l y s i sr e s u l t ，c m mi su s e dt og a t h e rt h ed a t ao ft h ei m p e l l e rs u r f a c e i no r d e rt og e te f f e c t i v ed a t a , t h i sp a p e rd i v i d e st h eb l a d e sf r o mt h eh u bo ft h ei n t e g r a li m p e l l e ra n dr e s p e c t i v e l ym a k e st h ed i f f e r e n tm e a s u r em e t h o d a st h es u r f a c eo ft h eb l a d e si sc o n f i r m e dt ob et h er u l e ds u r f a c e ，t h ec o n t i n u a t es c a n n i n gm o d ei st a k e nt om e a s u r et h es u r f a c eo ft h eb l a d e s ，i n c l u d i n gt h el o n gb l a d e sa n dt h es h o r tb l a d e s ，a c c o r d i n gt ot h eg e n e r a t r i xo ft h eb l a d e s w i t hc o p y c a ds o f t w a r e ，t h en o i s ep o i n t sa r ee l i m i n a t e df r o mt h em e a s u r e dd a t a a f t e rt h eo p e r a t i n go fd i v i s i o n ，f a i r i n ga n dt r i a n g u l a r i z a t i o n , t h es u r f a c e sg r o u p so ft h eb l a d e sa r eg o t t e n t h e n ，t h es u r f a c e sg r o u p sa r ei m p o r t e di n t op r o e n g i n e e rs o f t w a r e j o i n e dw i t ht h ed a t ao fh u bs u r f a c e ，t h ew h o l es u r f a c eg r o u po ft h ei m p e l l e ri sf i n i s h e d 。b yu s i n gt h es u r f a c ea m e n d m e n tf u n c t i o no fp r o e n g i n e e r , t h e3 dm o d e l o ft h ei m p e l l e ri sf o r m e d i no r d e rt oc h e c ku pt h er e s o n a n c ev i b r a t i o ns e c u r i t ya n dt h ei n t e n s i t yo ft h ei m p e l l e r , m o d a la n a l y s i sa n dl i n e a ra n a l y s i sa r ed o n e 。w i t ht h ef i n i t ed e m e n ta n a l y s i s ，t h ei m p e l l e ri sd i v i d e di n t ot e t r a h e d r o ng r i d s i nt h el i n e a ra n a l y s i s ，t h er e a lo p e r a t i n gm o d ei si m p o r t e df o rt h ea n a l y s i s t h ed i v i d e df e ag d dm o d u l ei sd i r e c t l yu s e df o rt h ec a l c u l a t i o no fs t r e n g t ha n dn a t u r a lv i b r a t i o nf r e q u e n c i e so ft h ei m p e l l e r t h i sp r o c e d u r ei sv e r ya p p l i c a b l ef o re n g i n e e r i n g i no r d e rt op r o g r a mt h er e l i a b l en cc o d e ，t h i sp a p e rd i s c u s s e s t h em o v e m e n te q u a t i o n so ft h e5 - a x i sm a c h i n e a st op o s t - p r o c e s s i n gf i l e ，t h es t r u c t u r eo fp o w e r m i l lf i l eo fm i k r o nu c p 6 0 0v a r i om a c h i n ei sa n a l y z e di nd e t a i l s a f t e r w a r d ，t h i sp a p e rc a l c u l a t e st h em i l l i n gt 0 0 1 - p a t ho ft h ei m p e l l e ra n dp r e s e n t st h ep r i m en cp r o g r a m k e yw o r d i n t e g r a li m p e l l e r ；r e v e r s ee n g i n e e r i n g ；m o d a la a a l y s i s ；p o s t - p r o c e s s i n g ；t o o lp a t h-w f i a e nb y ：s u p e r v i s e db y ：x i ez h a nq i a nz h i l i a n g苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明学位论文独创性声明零入郑重声骥：所提交懿学搜论文是本天在罨舞的指导下，独立避嚣研究工律所取得的成采。除文中已经注镌弓| 用戆内容终，本论文不含箕健个入或集体融经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究佟出重要贡献的个入和集体，均已在本文中以暖确的方式注赛。本入承担本声翡的法律责任。j _研究生签名：学位论文使用授权声明苏州大学、中圜辩学技术信息研究所、国家网书馆、清华大学论文合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，霹鼓采建影印、缩印或箕链复制手段保存论文。本人逛孑文档熬内容帮纸矮论文瓣蠹容耱一致。除在保赛期内豹保密论文辨，允许论文被套溺和借烫，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。研究生签名：导簿签名；整体叶轮逆向制造过程中的关键技术研究第l 章绪论1 课题概述第1 章绪论叶轮机械又称透平机械，其主要作用是在连续流动的工作分质与等逐鼷转的时轮之闻按照欧拉方程来实现能量转换。作为时轮机械兹核心部件之一，时轮按照制造工艺分类，可分为分离式叶轮与整体式叶轮。受早期制造工艺的限制，很难在保证制造精度的前提下将叶轮的叶片与轮毂割成一个整体，因此，t 出现了分离式叶轮。分离式叶轮的叶片与轮毂被分开单独加工，然后经焊接或铆接成为整体。匿前，分离式叶轮主要用于大型叶轮机械设备中，且这些叶轮的制造要求不高，如一些大裂风机中的叶轮部件【l 】。整体式叶轮的叶片与轮毂由同整体毛坯加工丽成，具有结构紧凑、机械强度高、性能稳定、能量转换览大等优点。整体式时轮已成为叶轮的主流应用型式。在航天航空方面，目前正推广使用的叶轮有采用整体式结构代替分离式结构的趋势【2 】；民用方面，文献 3 】列举了整体式叶轮被广泛应用于能源系统中的汽轮机、泵类等工作机械、轻重工业的压缩枫械、以及民用交通中的发动机。然而，整体式叶轮由于叶片曲面形状复杂，造型和加工都比较困难，因此，叶轮的设计与制造直是专家学者的研究热点n 研。由于整体式叶轮的造型设计涉及到固体力学、流体力学、空气动力学、以及祝械振动等多门学科隆潮，霆此开发成本高、周期长。詈前，为了压缩开发的周期与成本，通常对一些已有先进叶轮机械中的叶轮进行反求研究，再在此基础上根据叶轮的具体使用要求进行设计改进。在制造领域，逆向工程的过程是：首先对一个跫存在的零件或原型进行测量，获得零件或原型的测量数据，然后重构零件或原型的c a d 模型。这个c a d 模型描述了原始物体的结构及其几何特征，具有许多用处，如：分析、修改、制造和测试等。必须说明的是，由于逆向工程的产品来源是合法的，在体现商业秘密的产品出售后，其所有人的权利用尽，对产品失去控制权，因此通过逆向王程去获取商业秘密麸法律上来说是完全会法的【1 1 1o目前，随着计算机业和机械加工业的高速发展，特别是五轴加工机床的发展与普及，使得整体式叶轮的批量机加工成为可能。第l 章绪论整体叶轮逆向制造过程中的关键技术研究本论文对一特定整体时轮逆向过程中的部分关键技术进行初步研究。逆向工程概述1 2 1 逆向工程简介- 随着计算机技术的发展，计算机辅助设计( c o m p m e ra i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 、计算机辅助制造( c o m p m e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ，简称c a m ) 与计算机辅助王程( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 等技术己在国民经济的各个领域中获褥了广泛的应用。目前，新产品有两种不同的研发模式：正向研发模式和逆向研发模式。芷向研发模式即传统意义上的从无到有的研发模式，其主要流程是：先对产品的外观进行原创设计，然后利用c a d 技术构建三维数字化模型，翻雳c a e 技术进行产品的性能、运动、受力与受热等分析，或通过快速成型( r a p i dp r o t o t y p i n g ，简称r p ) 得到一个样品，再对样品进行分析。根据分析数据结果对三维数字化模型进行修改和完善，冻结三维数字化模型并利用c a m 技术进行产品的数控加工或模具加工，实现产品的批量生产【1 2 1 。其流程如图1 1 ( 口) 所示。外观、功能设计建参构建三维数字纯模粼c a d )毒j 分析( c a e ) l| 抉速成聚一毒b 努析数攒| 分爹- 群赫修改和完善，：! 誓三| 梭其翻工；i l 一1q穸：批艇生产)( 露)样品或油土模穗|f批凝生产数据处理矿。o - 一两丽獯构机构设计( c 矗d )r p 快速躲融图1 1 研发模式与正向研发模式相反，逆向研发模式是一个“从有到无 的过程。它利用测量设备对已有产品进行三维测量，剩用获得的测量点云数据重构产品的c a d 模型，从而反南推出产品的设计数据的过程，如图1 1 ( 6 ) 所示。整体叶轮逆向制造过程中的关键技术研究第1 鬻绪论逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g r e ) 是对产品设计过程的描述，它可以认势是将产晶样件转纯为三维模型的糨关数字纯技术和几何建模技术的总称。逆向工程技术不是一个孤立的技术，它和测量技术及现有c a d c a m 系统有着千丝万缕的联系。1 2 - 2 逆向工程的分类从广义讲，逆向工程可分以下三类：( 1 实物逆向：在已有产品实物的条件下，通过对实物的测绘和分析，进一步完成产品的再创造。实物逆向包括产品的功能、性能、结构、材质等多方面的逆向。实物逆向的研究对象可以是实物产品的整机、组件或零部件。( 2 ) 软件逆向：包括对产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、图纸、有关撬范和标准、管理规范和质量保证手册等技术软件的逆离再创造。软件逆向有三类：既有实物，又有全套技术软件的软件逆向；。只有实物而无技术软件的软件逆向；没有实物，仅有全套或部分技术软件的软件逆向。( 3 ) 影像逆向：设计前既无产品实物，也无技术软件，仅有产瑟的图片、广告介绍绒参观后的窜象等资料，设计者要通过这些影像资料去构思、设计产品，该种逆向称为影像逆向。目前，国内外有关逆向工程的研究工作主要集中在实物逆向方面，且侧重于实物逆向的几何造型爱求研究方蔼，鼯重建实物产品的c a d 模型。1 2 1 3 逆向工程的国内外研究发展现状上个世纪年代，二战后的霸本为了恢复翻发展经济，提出了g 一代霉l 进，二代国产化，三代改进出口，四代占领国际市场 的科技兴国方针，在此基础上，日本出现了采用检测分析技术学习和改进其他先进国家产品的工业设计方法。在上个世纪8 0 年代，墨本的名吉屋王业研究所和美因的3 m 公司分别提出了逆向工程这一概念【1 3 摊，此后的2 0 多年里，随着全球市场竞争的醺益加剧，逆向工程技术被广泛的应用于航空航天、民用工业等行业。目前，逆向工程技术的重要性已经得到了国内外学术界的广泛认可【l s j 。在学术界，覆囊逆惫工程领域的国际会议w e 怒( t h ew o r k i n gc o n f e r e n c e0 nr e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 、i w p c ( t h ei n t e r n a t i o n a lw o r k s h o p0 np r o g r a mc o m p r e h e n s i o n ) 每年举行一次。：在我国，清华大学、浙江大学、上海交通大学、华中理工大学、西安交通大第1 章绪论整体叶轮逆向制造过程中的关键披术研究学等高校在逆向工程的研究方面取得了一定的成果。清华大学激光快速成型中心进行了照片反求、c t 反求研究，所研发的反求设备已经达到产品化水平l l q ；浙江大学的c a d 实验室在c t 扫描三维模型方面开展了大量研究，并推出了r e s o f t 软件系统；在医学应用方面，上海交通大学运用逆向工程起步较早，并取得了穰大的成功【1 7 】；华中理工大学开发了具有我国自有知识产权的彩色扫攒系统；西安交通大学在激光扫描法、层除法实验系统方面做了大量研究，并开发了逆向工程的核心软件q a d 重构软件【1 8 】。在硬件方面，爨终的许多反求硬件产品已进入我国市场，如：德国g o m 公司的a t o s 测量仪、英国3 d s c a n n e r 公司r e p l i c a 激光快速扫描测量仪、美国l a s e rd e s i g n d 公司的s u r v e y o r l 2 0 0 立体激光扫描系统等。这些测量设备功能较完善，但价格相当昂贵。我国华中科技大学、天津大学、茜安交通大学、清华大学等多所高校近年来也加强了对逆向工程测量设备的研发，现己实现了产晶鬣二，所研发的逆向工程测量设备已广泛应用于机械、汽车、家用电器、医疗、轻工等行业中。由于国产设备价格远远低予国外同类产品的价格，且功能不断增强，因此有较大的发展潜力与竞争力1 1 6 1 。在商用软件方面，暑前广泛使用的通用逆向工程软件主要有美国e d s 公司的i m a g e w a r e 软件、美国r a i n d r o p ( 雨滴) 公司的g e o m a g i es t u d i o 软件、韩囡i n u s公司的r a p i d f o r m 软件，以及英囡d e l c a m 公司出品的c o p y c a d 软件等。我国国内的商业逆向工程软件开发起步较晚，除上述凡所高校开发的专用软件之磐，通用的商用逆向软件几乎是空白。1 3 整体式叶轮加工现状整体式叶轮最早采用的加工方法是铸造成型。铸造成型的优点是加工成本低廉，缺点是加工精度低、叶片强度无法保证。随着电火花技术的发展与应用，国内外一些工厂尝试使用电火花电鳃缝合方法加工整体时轮，融予电极本身加工复杂等限制，使得该方法在叶轮的加工应用方面局限性很大，特别是叶轮上狭长流道的加工较难实现，但目前仍有一些工厂使用精密电火花方法加工特殊形状的叶轮，如俄罗斯在加工火箭“能源号的发动机整体带冠叶轮时，就采用了多套电极双面电火花加工嗣。目前，国内外普遍采用四轴、五轴加工中心进行整体式叶轮的数控铣削加工。+其主要方法是，将毛坯锻造后采用多坐标n c 加工成型。按照叶轮的曲面形状不，网，数控加工中心铣蹇时轮的方法有点铣和侧铣两类【1 9 1 。铣削叶轮叶片规则曲面，主要采用侧铣加工的方法。虽然目前常用的c a m整体叶轮逆向制造过程中的关键技术研究第1 章绪论软件已经有了一些关予5 轴加工规则曲面的加工策略，如p r p e 、u g 、p o w e r m i l l等豹加工模块中都已经包含了侧铣刀路的生成策略，僵已发表的关于侧铣的研究较少1 2 0 - 2 2 j 。1 9 9 3 年，德国的f r i t zr e h s t e i n e r 和 王j 。r e n k e r 博士瞄】指出扭转直纹面大都是双曲点组成的，采用圆柱刀具铣削直纹面，并将圆柱刀具的轴线沿主曲率所在的方向放置，可避免刀具的干涉现象。1 9 9 6 年，西安交通大学的赖天琴等渊提出了两种加工非可展直纹面的方法：第一种方法适用子曲面扭趣很小的非可展直纹曲面，将非可展直纹面可展化后进行加工；第二种方法是使铣削刀具与非可展直纹面的一条准线的法矢相同，而与另一条准线的法矢不同且相交进行加工。1 9 9 7 年，美国学者l e eys 等圃】瓣环形刀具加王自壹盏匿的局部于涉与全局干涉问题进行了分析，并给出了无干涉刀位的算法。同年，以色列的e l b e rg 和f i s hr 2 6 1提出了用直纹面逼近自由曲面的方法，将五轴数控机床可加正的曲面由凸形曲面扩展到鞍形益面，且不发生刀具的于涉现象。2 0 0 1 年，上海交通大学的倪炎褡等瑶7 】在分析圆环面刀具特点的基磷上，提出了一种针对匿环面刃具的五坐标数控宽行加工复杂曲面的刀位计算方法。同年，德国的h k t 6 n s h o f f 博士等【2 8 】通过实验分析了高速铣削过程中的刀具偏差和调整参数，给出了侧铣的刀路生成优化算法。2 0 0 2 年，西安交大的于源博士等戳蚓通过最小偏置焦计算刀轴矢量，使 | 霉热工误差在刀具与被加工曲面在相切状态下最小。2 0 0 3 年，加拿大的b e d i 博士1 2 0 】通过柱铣刀的回转切削面与规则曲面两条导线相切的原理建立刀位计算的数学模型，并将该方法用予蛊纹盏面的加t 。2 0 0 5 年，法国的j o h a n n as e n a t o r e 鞲士等【3 l 】在b e d i 博士工作的基础上，通过拟合柱铣刀曲面与被加互曲面的切点形成刀路，并大大简化了算法。同年，大连理工学院的富虎博士【3 2 】等在单参数刀具族包络原理的基础上，以刀具包络面与设计曲面之间的最小极差为优化目标，依据所给出的三个命题，首先讨论了柱刀侧铣j 可展直纹蘧的刀位计算方法，然震提出三点偏置法来确定初始刀位，最后采用最小二乘法进一步优化刀位，并以柱刀刀位规划方法为平台提出了锥刀的刀位计算方法。在n c 程序编制方面，早期的数控加工多蠢工程技术人员手工编制，不但程序冗长而且极易出错，生产效率低。目前，市场上已经有一些生成时轮零件数控加工代码的进口软件出售，如美国n r e c 公司开发的m a x - a b 软件，德国o p e nm i n d 公司的h y p e r m i l l 软件，英国d e l a m 公司p o w e r m i u 软件，以及瑞士s t a r r a g数控机床所带的时轮加工软件等。这些软件动辄数十万，价格器贵，且核心技术仍然被国外严密封锁1 3 3 j 。我国在叶轮c a d c a m 软件研发上起步比较晚，与发达国家的差距【3 0 】比较明显，自主版权软件在生产中未见推广应用l 列。文献【3 5 】对雪蓠国杰的叶轮第l 章绪论整体叶轮逆向制造过程中的关键技术研究c a d c a m 软件开发现状做了详细介绍，并进行了部分开发工作，但与软件的商业化和普及仍有差距。1 4 课题来源由于叶轮这一特殊曲面零件的个体差异大，因此在目前的技术条件下无法实现非人工干预的自动辅助设计和制造。这就要求针对不同的叶轮采用不同的建模和加工方法，以达到零件的设计和功能要求。本课题来源于本实验室与上海某公司的叶轮反求项目。根据该公司的产品研发要求，反求美国某型号叶轮。本实验室在其提供的叶轮样品的基础上，完成该叶轮的逆向建模和加工。1 5 论文主要研究的工作针对叶轮这一特殊零件，结合现有的实验设备，本文将在以下几个方面，对某整体叶轮几何模型的逆向反求与数控加工进行初步研究：叶轮表面数据采集过程中的三坐标测量规划与测量路径优化；叶轮零件测量数据处理与三维建模；建立有限元分析模型，对该叶轮进行模态分析、静力分析，运用分析结果校核该叶轮刚度和强度；求解五坐标机床的运动方程，并分析p o w e r m i l l 软件的后处理器文件结构，计算叶轮的五坐标曲面加工的刀具路径。整体叶轮逆向制造过程中的关键技术研究第2 章叶轮的表面特征数据采集与处理第2 章叶轮的表面特征数据采集与处理2 1 逆向软件选择经过几十年的发展，现有c a d c a m 系统，如p r o e n g i n e e r 、u g 、c a t i a等已经趋于成熟，因此，现有c a d c a m 系统不会也不可能为了满足逆向工程建模的特殊要求变更系统底层，但大多数c a d c a m 系统均包含逆向工程模块或第三方软件。另一方面，逆向工程技术中用到的大量建模方法完全可以借鉴现有c a d c a m 系统，不需要另外搭建新平台。因此，逆向工程技术可以利用现有c a d c a m 系统，帮助其实现自身无法完成的工作。逆向工程软件的主要作用是接收来自测量设备的产品特征数据，通过一系列的编辑操作，得到品质优良的曲线或曲面模型，并通过标准数据格式将这些曲线或曲面数据输送到现有c a d c a m 系统中，在这些系统中完成最终的产品造型。按照软件发布的规模来看，逆向工程软件一般分为三类：( 1 ) 大型c a d c a m 系统的第三方软件：如u g 采用l m a g e w a r e 软件作为u g系列产品中完成逆向工程造型的软件。( 2 ) 独立的逆向工程软件：如g e o m a g i e 软件等，这些软件一般具有多元化的功能。例如，g e o m a g i e 软件除了处理产品表面特征数据以外，还可以处理以c t 、m r i 数据为代表的断层界面数据造型，单独完成产品的几何造型，从而使软件在医疗成像等领域具有相当的竞争力。( 3 )整体系列软件产品中的一部分：无论数据模型还是几何引擎均与系列产品中的其他组件保持一致，这样做的好处是逆向工程软件产生的模型可以直接进入c a d 或c a m 模块中，实现了数据的无缝集成。如本论文中用到的英国d e l c a m公司p o w e r 系列软件中的c o p y c a d 软件等。下文简要介绍目前使用最广泛的四大逆向工程软件：( 1 ) 美国e d s 公司的i m a g e w a r e 软件i m a g e w a r e 软件已被广泛应用于汽车、航空、航天、消费家电、模具、计算机零部件等设计与制造领域。该软件拥有广大的用户群，国外有b m w 、b o e i n g 、g m 、c h r y s l e r 、f o r d 、r a y t h e o n 、t o y o t a 等著名国际大公司，国内则有上海大众、上海交大、上海d e l p h i 、成都飞机制造公司等大企业。第2 章叶轮的表面特征数据采集与处理整体叶轮逆向制造过程中的关键技术研究i m a g e w a r e 采用n u r b 技术，软件功能强大，易于应用。i m a g e w a r e 对硬件要求不高，可运行于各种平台，如u n i x 工作站、p c 等，操作系统可以是u n i x 、n t 、w i n d o w s x p 及其它平台。由于i m a g e w a r e 在计算机辅助曲面检查、曲面造型及快速样件等方面具有其它软件无可匹敌的强大功能，使它当之无愧的成为逆向工程领域的领导者。( 2 ) 美国r a i n d r o p ( 雨滴) 公司的o e o m a g i cs t u d i o 软件g e o m a g i cs t u d i o 软件可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换为n u r b s 曲面。该软件是除i m a g e w a r e 软件之外应用最为广泛的逆向工程软件之一。( 3 ) 韩国i n u s 公司的r a p i d f o r m 软件r a p i d f o r m 软件提供了新一代运算模式，可实时将点云数据运算出无接缝的多边形曲面，并成为3 ds c a n 后处理的最佳化的接口。r a p i d f o r m 使3 d 扫描设备的运用范围扩大，并改善了扫描品质。r a p i d f o r m 支持彩色3 d 扫描仪，可以生成最佳化的多边形，并将颜色信息映像在多边形模型中。在曲面设计过程中，颜色信息将完整保存，可以运用r p 成型机制作出有颜色信息的模型。( 注：r o l a n d 模具加工机随机所附的p i x f o r m 软件为r a p i d f o r m 的o e m 软件。)( 4 ) 英国d e l c a m 公司出品的c o p y c a d 软件c o p y c a d 软件具有简单的用户界面，它允许用户在尽可能短的时间内能够快速地掌握其使用功能。使用c o p y c a d 软件的用户将能够快速地编辑数字化数据，产生具有高质量的复杂曲面。该软件已广泛地应用于航空航天、汽车、电器、制鞋、陶瓷、包装、玩具、运动设备、珠宝和标牌等行业。用户包括美国通用( g m ) 、德国大众( v o l k s w a g e n ) 、日本丰田( t o y o t a ) 、美国波音( b o e i n g ) ，以及中国的一汽、东风和西飞等大型集团企业。目前，国内的清华大学、上海交通大学以及苏州大学也已将c o p y c a d 软件以及d e l c a m 的其它软件作为教学和科研工具。c o p y c a d 软件不仅能够接受来自坐标测量机床的数据、跟踪机床和激光扫描器，还允许从已存在的零件或实体模型中产生三维c a d 模型，并为来自数字化数据的c a d 曲面的产生提供了复杂的编辑工具。该软件系统可以完全控制曲面边界的选取，然后根据设定的公差自动地产生光滑的多块曲面。同时，它还能够确保在连接曲面之间的正切连续性。c o p y c a d 软件可以从实体模型中产生c a d 进行分析，进行工程操作，且可改变已存在的零件或图像来更新c a d 模型，以归档存放原来的模型为c a d 文件或为计算机视觉和仿真捕作数据。整体叶轮逆向制造过程中的关键技术研究第2 章叶轮的袭面特征数据采集与处理本论文研究使用的是d e l c a m 公司的c o p y c a d 软件，版本号为6 0 0 4 。该版本集成了d e l c a m 的文件转换系统d e l c a me x c h a n g e ，通过使用d e l e a me x c h a n g e进行模型文件的输入和输出。用户不但可直接将i g e s 、v d a f s 、s t e p 及a u t o c a d 文件格式读入到c o p y c a d ，或从c o p y c a d 直接输出i g e s 、s t e p 及a u t o c a d 格式文件，还可以输入p r o e n g i n e e r 、u n i g r a p h i c s 、s d r ci d e a s 、s o l i d w o r k s 、s o l i d e d g e 、c i m a t r o n 、r h i n o 和a c i s 等格式文件，用以完成逆向工程的后续模型重构、n c 代码生成等操作。2 。2 叶轮表面特征数据的测量规划作为逆向工程的第一步工作j 必须选用合适的测量方法对叶轮的表面特征数据进行测量。测量方法的选择与测量路径的规划是否得当，将直接影响到盾期建模以及加工豹精度和整个工作的经济性。2 2 1 测量方法的选取一般来说，现有的测量方法主要分为接触式和菲接触式两种 3 6 - 4 8 。如图2 1所示：图冬1 测量方法分裳2 2 1 1 三坐标测量仪的测量原理三坐标测量仪的测量原理如圈2 - 2 所示。双点划线部分炎三维测量仪侧头在没有受力的情况下所处的自由位置。当侧头接触被测物体表丽进行数据测量时，在接触力的作用下，测量仪测头与涟杆部分移至实线部分，此时通过连接在侧头h上的传感器测得测头沿僻，y ，z ) - 个方向上的偏移量分别为( 吱，g ，乞) 。第2 章叶轮的表面特铽数据采集与处理整体叶轮逆向制造过程中的关键技术研究图2 2 互坐标测量仪测星原理测头偏移是测头受被测物体表面力作用的结果，在忽略测头与被测物体表面之闻摩擦力的情况下，被测物体表面对测头的作用力必与被测物体表面在接触点处的法线矢量共线，若被测物体表面在接触点处的单位法矢记为露，则糟可通过测头沿( x ，y ，z ) 三个方向上的偏移量分别为( q ，q ，岛) 确定如下：黔啸，南，赢设q 为测头球中心在没有受力状态时的坐标值，则测头与被测物体表面接触后，其中心坐标变化为q = q + 嚣，要计算被测点尹的真实坐标，还需用测头半径，对测头中心坐标q 进行补偿，按微分凡何，被测点p 的坐标可用下式表示：p 颦q + n + r 拧。以上测量过程可以看出，由于接触式三维测量仪在测量物体表面特征数据时，必须宥接触力的存在，这静接触力作用在柔性物体表面时，将导致物体本身变形，进而影响测量效果，因此不适用于柔性物体表面的测量。另外，由于球测头本身具有一定的半径，使得其无法测量曲率半径小于或等于，的凹形表面。三坐标测量仪虽然有以上一些不足，但由予其相关技术比较成熟，测量精度高( 可达到0 0 0 2 m m ) ，使得它在露前的机械产品的逆向设计与制造中获得了最为广泛的应用。2 2 1 。2 三维激光测量仪的测量原理三维激光测量仪基于三角位移测量原理，将激光束投影到零件表面，利用c c d 阵列摄取零件表面特征图像，通过计算求得被测物体表面的三维空间坐标，有效地解决了三坐标测量仪不能解决的部分问题，如最小测量半径以及柔性物体表面的测量。其工作原理如圈2 3 所示。、整体叶轮逆向制造过程中的关键技术研究第2 章叶轮的表面特征数据采集与处理颥图2 - 3 纛维激光测量仪测量原理设震势测量参考点，光源发出的光束经点灭到达被测物体表蘸的点p ，透过。凸透镜镜头，点足和点户分别在c c d 阵列上成像于点足和点p 在入射光源与凸透镜轴线夹角9 已知的情况下，根据凸透镜的焦距 ，和成像点r 与尸之间的距离缸，可以建立方程组：缸= 左( 舻盖| ，幺磅( 2 1 )缈= 左( 廿火：以力( 2 2 )解方程组，并由p = r + ( 缸，锄计算出点p 的位置。虽然三维激光测量仪克服了三坐标测量仪的一些缺点，僚彘子在曩前的技术条件下，三维激光测燕仪的测量精度不高( 目前最高仅能做到0 0 1 m m ) ，且不能测量光滑表面，所以，三维激光测量仪的应用范围受到一定的限制。虽然文献 4 7 ，4 8 在非接触测量叶轮叶片特征方面进行了一些尝试，但受测量误差的影响，此方法黧前仍不适用于高精度整体时轮的测量。2 2 1 3c t 扫描与核磁共振法测量原理无论是接触式的三坐标测量仪还是非接触式的激光测量仪，都无法测量物体内部的结构。采用c t 扫描与核磁共振法，可以在不破坏物体物理形状的槽况下获得物体任意截面的特征数据，从而在一定范围内解决这个问题。但这种方法目前的测量精度低，且测量成本远高于上述的两种方法，因此在机械行业中的应用浅处于研究酚段。2 2 1 4 测量方法确定本项目所要反求的叶轮无复杂的内部型腔，但工作转速( 3 0 0 0 0 r p m ) 及空气动力学的性能要求较高，所以时轮麴遂向设计霹制造精度要求也较高，嚣此采焉第2 章叶轮的表面特征数据采集与处理整体叶轮逆向制造过程中的关键技术研究三坐标测量仪进行测量。受实验室现有设备条件的限制，叶轮的测量工作通过外协完成，外协单位按照本课题所要求的测量方法提供叶轮的点云数据文件。2 2 2 零件的特征分析对企业需反求的整体叶轮的分析可知，该整体叶轮可分为叶片和轮毂两个部分。叶轮的轮毂外表面呈双曲线回转曲面形状，内表面为阶梯圆柱孔。叶片呈螺旋状分布在叶轮的轮毂上，共有9 片长叶片和9 片短叶片，长短叶片交替均匀分布在叶轮轮毂基体上。叶片厚度沿轮毂基体向叶片顶端方向逐渐交薄，从叶片中部向两端沿伸方向也逐渐变薄。若采用圆柱体毛坯加工该叶轮，则圆柱体毛坯的直径最小为1 7 8 m m ，高度最小为8 9 m m 。2 2 3 测量规划制订测量规划的目的是提高叶轮的测量效率，及测量数据的质量，对叶轮的整体测量进行规划。因此首先忽略轮毂顶端的两个定位缺口，将整个叶轮看作中心对称零件；在成功建模以后再在模型上的相对位置安置缺口。为了在后期c a d c a m 软件中显示方向一致，建立测量坐标系：以轮毂底面两个圆的圆心构造坐标原点，沿轮毂轴线指向叶轮内的方向为z 轴正方向，z ，y方向任取。轮毂的外表面可由三坐标测量仪测量轮毂外表面自z 轴方向上的一组点拟合而成的曲线旋转一周而得到；内表面由于没有复杂的曲面与型腔，可由游标卡尺用手工的方式测量并在c a d 软件中旋转生成。对于长、短叶片，由叶轮零件的设计要求可知，9 片长叶片的造型完全一致，9 片短叶片亦是如此，因此仅分别取长、短叶片各一片进行测量即可。由于叶片的厚度沿叶片方向变化，测量前、后表面点云数据，拟合成曲面后，以z 轴为中心轴阵列于轮毂表面。2 2 4 测量路径优化对于轮毂而言，无论是内表面还是外表面，由于结构单一，测量方法简单，只需要按照上述测量规划方法和曲线拟合即可完成，因此测量路径的优化主要是针对叶片曲面而言。7 _ ，叶片曲面构成主要有两种方式【4 3 】：一种是直纹面，如图2 4a 所示，其截面直线，由直线沿轨迹曲线扫略而成；另一种叶片的截面线是曲线，如图2 - 4b 所整体叶轮逆向制造过程中的关键技术研究第2 章叶轮的袭面特征数据采集姆处理示，曲面由两条控制线混合而成。易。颅a 直纹叶片截面b 曲线叶片截面图2 珥叶片曲面结构观察待反求的时轮，分裂焉游标卡尺的直边与时片内、鲮菰接触，调整焦度，通过透光法，总能找到一个接触角度使得卡尺的直边刚好与叶片面完全线接触，初步推断叶片此方向上的直线为母线( 或素线) ，该叶轮叶片曲面为直纹曲面。在初步确定叶片越面为指纹鞠面后，将该时轮送往协作测量单位，要求该单位按照确定的直纹方向对叶片进行单行扫接测量，测量结果表明该推断正确。2 2 5 直纹曲面特征由一直线连续运动丽形成的曲面称为直纹曲面。设连续运动的轨迹为曲线兀，则它与该母线( 或素线) 在各个位置都相交。该直纹曲面的方程为p = ，( 材) + v f ( ”) ( 2 3 )其中，= r ( u ) 为辘迹遗线熬方程，f = r ( u ) 为母线( 或素线) 的方离矢量。如图2 5 所示。圈2 。5 壹纹叶等2 1 2 6 叶片网格划分由于空闻盘瑟形状复杂，对予阕一被测益西，如果测量点数太少，则无法精确表达被测曲面，如果测量点数太多，则会降低测量的效率。进行合理的网格划分，就是在待取曲面上分布合适的测点。经过划分后，这些网格节点即组成测量点集。第2 章叶轮的表面特征数据采集与处理整体叶轮逆向制造过程中的关键技术研究由子测量区域的边赛形状多样，因此针对不同的边界形状，网格划分的方法和测点分布的策略也不尽相同。圈2 - 6 为典型边界盐面的网格划分。麓姆图2 6 典型曲面网格划分对予有趣率变化的边雾，边界节点尽量取在眭率变化最大点处。如图2 6a所示空间曲面上，在户1 ，p 2 ，p 3 ，p 4 四点围成的空间曲面上，以p 1 p 4 方向为”方向，p 1 p 2 方向为1 ，方向，按照四边域划分网格。而对于图2 - 6b 所示的空间三角形曲面，由予没有第罂边，可将其中一点烈拆分成a 和p 4 嚣点，形成四边域，从而进行网格划分。对于曲线边界盐面，如图2 6c 中的整圆边界，将整圆等分为四段以组成四边域，然后确定“、，方向，并进行网格划分。2 2 - 7 测点分布与测量步长计算测点分布可使用等弧长和等参数两种方式。等参数法计算简单，处理速度明显快于等弧长法；丽等弧长分布可使测点均匀，有利于曲面拟会。且实际运用当中，多使用等弧长法。但由于待测曲面为未知曲霞，无法精确计算弧长，因此在实际应用当中，多采用近似原则，假定在型面测量时测量步长近似等于给定步长。以图2 - 6a 中，四边形网格划分为例，阐述步长计算方法。详细区域划分如蚕2 7 所示。；图2 - 7 四边形网格划分对待测曲面置忍忍只的边界进行b 样条拟合。设进行等弧长划分后j 曲线边界上点a ，鸣，毛，4 ；分剐为益线覆，藕，辱，磊圈格划分的对应端点。整体叶轮逆向制造过程中的关键技术研究第2 章叶轮的袭面特征数据采集岛处理熙叫纠叫，二。离署胃纠蚓例? 7 册( 2 5 )五：= = o ，三，三，三，l 。，= ：o ，l ，2 ，万、。网二二二网二网三二：g 。6 ，禺母留= 留掷翔第2 章叶轮的表面特征数据采集与处理整体叶轮逆向制造过程中的关键技术研究其中g = 气一【( 1 一) 嵋+ 篁只夕= 4 ，一【( 1 一万) 噶4 - 笱e由上式可知，测点的空间位置在受四边域边界曲线的弯曲程度和弯曲方向影响的同时：可以由给定豹毙例分割系数芹，硝所确定。2 2 8 测量路径的确定与优化测量路径生成与优化是实现安全、高效测量的前提。优纯的目的是要尽可能减少测量的空行程，使测头能无重复的遍历各个测点，由此提高测量效率。1 4 9 】如果采用环扫描测量模式，当遇到边界曲线不规则或存在测量障碍时，需要以掠过豹方式越过不规则部分或障碍部分，空糕比较多【斓。如果采用“p 型点阵快测量法，虽然可以有效地避开障碍区、空程数少，但由于需要将三维问题转化为二维问题，且确定最小子矩阵和构造p 字型点阵块计算复杂，实际应用具有较大的局限性。在实际测量过程中，叶片特征数据测量必须按照绘定的路径进行。路径选择的是否合理，不但影响测量的精度，还影响后期软件处理的效率。叶片轮廓如图2 8a 所示，进行网格划分后如图2 - 8b 所示。鑫参图2 8 叶片轮廓如果分别按照“，v 方向以扫描的方式测量，不仅效率低而且冗余数据多，不利于后期处理。分析时片的边界盐线可发现，如果以v 方向的边界作为生成线、鲇方向的边界作为导向线，则整个叶片的曲面可视为生成线沿着导向线躬方向运动生成。所以对此叶片的扫描测量的展佳路径是沿生成线进行扫描。整体叶轮逆向制造过程中的关键技术研究第2 章叶轮的袭面特征数据采集与处理2 3 点云数据处理点云数据的处理，将直接影响三维模型重建的质量。一般来说，数据的处理包括以下几个方面的工作：( 1 数据的颈处理。为了增强数据的合理性与完备性而进行的去噪、拼合等操作酬。所谓去噪，就是取出点云数据中不合理的噪声点。由于控制测量误差、优化测量工艺的需要，在初始的测量数据中必定存在与被测曲面无关或者偏离