基于逆向工程的汽轮机叶片型面CAD建模方法研究徐文楠

基于逆向工程的汽轮机叶片型面CAD建模方法研究徐文楠

徐文楠

哈尔滨汽轮机厂有限责任公司黑龙江哈尔滨150046

摘要：本文主要论述了CAD建模的方法基于逆向工程技术，对汽轮机叶片建模的意义概要分析了应用反向工程。简要介绍了收集逆向工程数据及其分类的方法。并阐述了复杂曲线和剖面的数学模型。

1前言

逆向工程也被称为逆向工程，包括图像反向，软件反向和对象落后三分。汽轮机叶片的叶片类型是一个具有代表性的复杂曲面部件，移动叶型的物理建模通常涉及一个具有高度复杂性的自由表面结构。汽轮机叶片是复杂的表面特性的一部分。它是构成蒸汽涡轮机的核心部件，它改变了蒸汽的热能。涡轮转子旋转机械能的功能。CAD技术即为计算机辅助设计技术，它的功能在制造业得到普遍应用，可以描述几乎所有的几何形状。大多数关于逆向工程的研究都集中在物理对象的逆上为了重建，用某种方法测量物体或模型，然后利用三维几何建模方法对物理CAD模型进行重构。

2汽轮机叶片数据研究

2.1汽轮机叶片的结构特点

叶子通常由叶身、叶根和叶顶组成。叶面积它是叶片的工作部件，它由相邻叶片的叶部分组成，在循环中，蒸汽将动能转化为机械能。按叶型部分横截面的变化规律，叶片可以分为等截面直叶片、变截面直叶片、扭叶片和弯扭叶片等。叶根和叶尖主要是固定的连接叶片这个作用，主要是根据连接的其他组件构造的。设计和建模都很简单，因为刀片的轮廓很复杂为了满足使用和设计要求的，各种各样的空间表面因此形成了。然而高制造精度是整片叶片的设计和加工难度，所以要格外注重。

2.2数据获取

数据获取在生成曲面之前的过程主要包括：（1）预处理；（2）数据光顺：一般采用最小二乘法和能量法等来完成；（3）数据简化；（4）曲线特征的提取；（5）散乱数据的处理，在数据处理测量中肯定会有一部分无序的，须建立数据点间的密切关系（6）最后使用三维激光扫描仪对数据进行采集。

2.3数据采集方法

根据测量探头，与工件接触是否可用于收集物体表面的数据有两种类型的接触和非接触。传统的测量方法是三坐标测量仪代表的联系方式。接触方法对物体表面的颜色和亮度没有要求身体边界的测量相对准确，但缺点是速度慢，对软材料的适应性差。这可能不太理想。近年来，随着计算机技术，传感，控制技术的发展新型的，出现了如三角形法，激光法和非接触法如电磁法和声波法测量的方法。然而非接触式测量具有高速测量的特点，适用于复杂的表面测量。，但对表面和照明的精度要求相对较低

3叶片型面数据处理

3.1点云切片

将扫描后的叶片点云导入Imageware软件，并用一组平行平面对点云切片进行处理，但是如果在点云有缺陷，应在邻近位置再选取一个新的截面留做备用。除此之外，最好等距选取截面，这样才能更好的体现叶片型面特征。

3.2点云删除与修补

在每个截面点云中都可能出现混有奇异的噪声点，所以过滤掉噪声点是逆向工程中数据处理的一个基础。在Imageware软件中，通过“拾取删除点”和“删除尖点”来保持真实点受损较少的情况下来去除噪声点。如果叶片表面质量存在缺陷，那么扫描后的截面点云也可能会有缺失，因此要通过“补间隙”选项去修补缺失的点云。

3.3光顺与简化

在此之后，在需要在Imageware软件中通过“光顺处理”选项对点云进行光顺。并且零件的外形特点不同需要光顺的方法也不同的。根据叶片截面的特点，选择“区域点云光顺”进行光顺点云，最后再通过“均匀简化”简化点云。

4汽轮机叶片的数控编程设计

4.1叶型加工工艺

近年来，国内汽轮机动叶片的加工一般采用五坐标联动数控机床来处理实施。叶片式涡轮叶片叶片的主要加工过程是：粗加工、半精加工、精整、清洗根、叶片圆角的内端、叶片根部的圆角、叶片的根部和叶片根部。

4.2加工刀具和刀具库的选取

移动刀片的整个过程与端铣刀（粗加工）和圆柱形铣刀一起使用。圆柱形铣刀（半精密加工和精加工）和球头锥铣刀（清根）。再使用CAM模块建立工具库，根据不同的工艺选择不同的工具序列，最后为每个进程选择适当的处理。

4.3加工轨迹生和仿真

根据软件选择适当的处理方式、处理对象和刀的方式等。由以上数据提示，设置良好的切割距离、步长、表面公差、喂料率和其他加工参数。这些数据也就是说，可以执行命令来生成工具处理路径。

4.4编程后置处理

工具源文件主要包括工具信息、处理坐标信息、工具位置以及态度信息和各种处理辅助指挥信息等等。连续刀是沿着直线产生的使用上述步骤生成的CLSF文件需要一个后处理器和一个旋转一种可以被并联机床接受的数控程序。

5曲线曲面数学模型

5.1逆向工程中自由曲面建模的方法有两种：第一种是以三角曲面为基础的曲面构造方法。特点是具有构造灵活、整体相似、并有对称性网格等优点，而且在散乱数据点的拟合中有着广泛应用。第二种就是NURBs曲线曲面的矩形参数曲面拟合，特点是提供了解析曲线和自由曲线的描述。

5.2针对以上nurbs的简介

该方法在计算机图形学领域获得越来越广泛的应用，它即为标准解析形状，也为自由型曲面的精确表示与设计之间提供了一个公共的数学形式，因此，一个统一的数据库就能存储这两类形状信息。而且他的计算速度非常快且稳定，因此在汽轮机叶片型面方面有很大应用。

6曲线曲面重构

6.1截面曲线绘制

完成的点云可以在Imageware软件中被重新构造。点云结构曲线绘制曲线，可能在扫描时间或点云导入时考虑数据可能会有遗漏，因此需要使用手动跟踪，这样确保了数据的准确度。将处理好的点云导入软件中，选择一个横截面点云，通过选定的点画出曲线。重复这个过程，为每个节点云画一个闭合曲线。画完后，检查曲率的曲率是否光滑，是否有曲率的反点，如果存在，就做小的调整。曲线的曲率可以通过右击“添加”或“删除”控制点来调整，直到形成连续的平滑曲线。

6.2曲面重构

在pro/e软件中，选取“混合”选项应用到刀片配置文件中，这是一个顶点对齐问题。为了确保表面没有被扭曲，当绘制轮廓曲线时，每个起始点必须在晶圆片的一边。通过“插入”到“混合”继“扩展项目”完成了刀片配置文件.。

6.3叶片型面的优化

数据精度的问题可能会导致表面构造过渡的曲率更大或更扭曲，因此表面得到了修复改变。选择“分析”-“几何”-“颜色曲率”。而使用"高斯曲率"指的是曲面上每个点的最小和最大曲率法产品。它还可以结合“反射”功能来分析表面。原始点的分析云数据和样条曲线精确地调整到高斯曲率的最大值和最小值在允许误差范围内，这是优化表面的目的。

6.4叶片剩余部分造型

叶片形状比较规则的其他部分，有叶根、叶冠等。在基础平面上，将素描部分构造为拉伸、移除或翻转角度来改变形状来获得刀片的整体形状。

7结束语

由汽轮机叶片逆向CAD建模实例，我们可以掌握运用一系列软件进行逆向建模。而汽轮机叶片设计基于不同的凸轮环境为研究其类型的逆向建模实现基础，同时设计和检查的结合大大降低了编程错误的可能性，并有效地保证了数字的质量。总之控制处理的质量和效率，以及其他表面部件的逆向设计和建模过程准备有一定的指导和参考意义。

参考文献：

[1]李名尧，张猛.基于逆向工程的鼠标外壳的数据重构和优化［J］.模具技

术，2008（6）.

[2]罗强.三维，CAD系统叶片造型方法研究［J］.机械设计，2004（12）.