液力变矩器工作轮的测绘与反求.doc

液力变矩器工作轮的测绘与反求七一一研究所 张锡杰 何 芳 林 义摘 要：本文介绍了液力变矩器复杂叶栅测绘和反求的具体过程，通过硅橡胶制模、光栅扫描测绘、三坐标测量等方法获得流道的形状和位置，使用Imageware处理点云数据，用UG完成最终的叶轮造型。关键词：液力变矩器 曲面反求 测绘 硅橡胶铸模 光栅扫描1 前 言 开发新型液力变矩器最大的重点和难点在于它工作轮的设计，设计的好坏直接决定了变矩器性能的优劣。按照传统的一维束流设计理论，工作轮叶片的设计具有很大的随意性。设计过程中要设置的经验系数多达几十个，很多都要取决于设计者的设计经验，最终的设计结果还需要根据实验进行多次修改。而国际上对于真实流场三元流的设计方法还处于研究和探讨阶段，直接应用于生产厂家还为时尚早。目前，国内液力变矩器厂家的设计水平参差不齐，相对于国际先进水平有较大差距。对于我们，首先要做的是消化和吸收国外的先进技术，进而迎头赶上。以先进的实物作为研究对象，应用现代先进的反求方法、液力设计等专业知识对之进行深入的分析和研究，探索并不断掌握其关键技术，应用到我们的新产品设计中。2 测绘方案的选择 通常的测绘方法是使用三坐标测量仪进行测绘。而液力变矩器的工作叶片均是由复杂的空间三维扭曲不可展曲面构成，叶片间的流道狭小而扭曲，叶栅流道遮挡严重。三坐标测量仪的探针无法进入流道内部，只能测得入、出口段的流道数据点，而且每更换一次探头的测量角度都要进行零点校正。也有人用自制的弯曲探针进行测量，效果良好，但精度无法与测量探头相比。用三坐标测量仪测量，速度慢、劳动强度大、数据点较少而且分布有较多人为干预，不采用破坏式的叶轮剖切很难将叶片完整、精确测绘出来。近年来，随着机器视觉技术和光电技术的发展，用非接触式的光电方法对曲面三维形貌、形状进行快速测量成为大趋势。非接触式测量方式特点是：测量过程中测头不接触被测表面，避免了接触式测量中测头半径补偿带来的麻烦和被测表面的划伤，可以实现对各表面进行高速测量。相对于三坐标测量仪，光栅扫描具有曲面数据量大、曲面精度高、劳动强度低等优点。在本次测量中每个流道约由8万个数据点构成，这是传统三坐标测量仪所不能企及的。 为了不破坏工作轮，我们选取制模的方法获得叶片的曲面形状。拟将几个叶轮流道的出口处封死，灌入工程塑料或硅橡胶，待其固化后取出，进行光栅扫描。由于流道扭曲程度很大，在取模过程中，固化的材料会受到流道的严重挤压。因而要求灌入的材料具有非常好的弹性和抗拉强度，在受压严重变形后能够很好恢复原有的形状，鉴于此，我们选取弹性好的硅橡胶作为制模的材料。 经过深入探讨和理论分析，我们最终采择了硅橡胶制模、光学三维测量系统扫描、三坐标入出口标记、参考入出口厚度的反求策略。经实践检验该方法是切实可行的，总体效果良好，值得借鉴。3 具体测绘过程a测量工作轮测量叶轮的外圆、长度、深度、孔径、螺孔、花键等常规数据，准确获得叶轮入出口流道的直径、深度。b 硅橡胶制模：1）硅橡胶的选择：硅橡胶要选择质量好的专业硅橡胶，最好是进口的模具硅橡胶。要求材料线性收缩率小，拉伸强度、撕裂强度大。颜色最好是纯白色，这样有利于光学三维扫描仪进行扫描。2）将变矩器的三个工作轮去污渍，清洗干净，晾干。仔细查看各个流道，选择无铸造缺陷、流道壁比较光顺的相邻两个流道作为取模的对象，并做好标记。3）将流道下端密封好4）将硅橡胶倒入搅拌容器，按配比加入胶粘剂、固化剂，充分搅拌均匀。将搅拌均匀的硅橡胶慢慢倒入密封好的流道型腔中。5）确认硅橡胶完全固化后，在叶片入、出口方向的圆弧顶端做好标记，用美工刀沿标记仔细将硅橡胶剖开，从流道上端将硅橡胶取出。取出的硅橡胶模如图1、图2、图3所示。 图1 泵轮硅橡胶模 图2 涡轮硅橡胶模图3 导轮硅橡胶模c扫描硅橡胶模 用光学三维测量系统对硅橡胶模进行扫描，准确获得硅橡胶模的三维几何信息。 我们使用的是德国“GOM”公司生产的ATOS移动式光学三坐标测量仪（也叫光栅扫描仪、视觉测量仪，图4），该设备利用二组CCD镜头从不同方位取数，实现闭环控制，对于硅橡胶模的定位精度可以精确到0.003。测量时，不断变换测量摄像头的位置和角度，逐渐获得所有所需的三维几何信息。扫描最后的数据可以存储为十几种格式，建议存储为asc和iges格式，大部分的点云处理软件都可以进行读取。图4 光学三坐标测量仪图5 扫描获得的泵轮型芯点云图 图6 扫描获得的涡轮型芯点云图d对入出口位置进行测量 将工作轮去除硅橡胶残渣，清洗干净。用三坐标测量仪测量入出口圆弧的位置。在每一个位置可以测量34条线，每条线取45个点，以便准确获得入出口的形状和位置。e测量入出口的厚度 由于工作轮是铸造件，为了避免测量的偶然性，应该选择不同叶片，进行多次测量取平均值。4 数据处理和反求a处理点云数据 使用EDS公司的Imageware逆向工程处理和设计软件，将点云拟合成曲面。该软件是UGNX2.0的一个分支模块，可以和UG进行数据互通。下面以泵轮为例，简述反求的过程。在点云数据处理时，需要把每个面单独处理。利用放大、旋转、剪切等命令把每个面上的点云处理光顺，拟合成曲面，并用空间样条线画出点云的边界线，以供曲面对齐用。如图7所示。察看点云与曲面的距离分析，如果点云与曲面的距离过大，就应该继续修剪点云，再次生成曲面。如图8。 图7 泵轮点云生成的曲面 图8 点云、曲面距离分析bCAD三维建模这项工作比较繁重，是本次工作中的重头，决定最终测绘与反求的结果，需要造型者具有液力变矩器工作轮的造型经验和部分设计经验。 1）使用UGNX2.0 先把工作轮的三维外形（叶片除外）建立起来，循环圆的数据可以根据经验大体自己手画一个，接下来还要修改的。2）读入Imageware建立的外环和内环曲面和曲线。根据入出口的尺寸和曲面相对于圆环面的贴合度，利用UG的移动、旋转等命令，确定内环和外环的曲面定位，继而获得循环圆的形状，如图9。用这个循环圆形状替代原来的循环圆，得到没有叶片的工作轮外形。图9 在UG中对齐曲面 3）画出三坐标测量的入出口位置线段。4）读入叶片凹面、凸面和他们相邻的内外环面，根据内外环面的位置和入出口位置定位好凹面，然后定位凸面，如图10所示。最后根据叶片入出口的厚度进行微调。图10泵轮曲面定位过程线框图 5）求出内外环面和叶片凹、凸面的交线（如果没有交线可将凹、凸面进行曲面延拓），作为叶片的流线数据。 6）将叶片的每条流线等分成若干段（在这里我等分了12段），根据流线的光顺性和入出口的位置、厚度，并结合以往同类型叶片的造型经验，对各段进行微调，特别是入出口处的流线段。 7）以过点的方式将等分的13个点拟合成B样条曲线，结合截面线进行叶片的曲面造型。 8）将叶片的各个曲面结合成为一个叶片实体，如图11。并重新察看入出口的位置，如果偏离则返回到第6步重新微调，如果偏离的较严重则应返回到第4步重新调整叶片流道面的定位。图11 泵轮叶片图 图12泵轮图 9）将造型好的叶片实体绕叶轮的中心旋转线旋转复制，最终完成工作轮的造型。如图12、图13、图14所示图13涡轮图 图14导轮图5总结和展望本次测绘相对以往的三坐标接触式测量，大幅度减少了测绘时间，而且UG的三维模型可直接用于模具的造型和数控机床加工，大大减轻了测绘和设计人员的工作量。但是也应该看到：我们所用来测绘的工作轮是铸件，本身就存在误差，即使是用游标卡尺来测量工作轮，每次测量的结果都会存在不同，这就给后续的造型工作统一数据带来困难，而且我们选择用来制模的流道也存在很大的偶然性。在造型过程中很大程度要依赖造型者的对于变矩器的经验和理解。任何反求的结果都不可能100%与原