張文建，任 雯，劉慶東

(華北電力大學 機械工程學院，河北 保定 071003)

0 引言

汽輪機葉片是一個很復雜的曲面，在空間里扭曲，它是按照葉扇吹風數(shù)據(jù)或相似理論設計出來的以滿足汽輪機的工況需要。但是在實際應用中，隨著電力市場競爭日趨激烈，短時間內開發(fā)出富有競爭力的汽輪機產(chǎn)品變得非常重要。因而，開發(fā)出高質量的汽輪機葉片對于發(fā)展產(chǎn)品創(chuàng)新方面有著舉足輕重的作用。數(shù)字化模型是葉片式流體機械數(shù)字化設計與制造的基礎［1-2］。本文根據(jù)某汽輪機葉片的特點，結合UG 軟件的應用，提出了基于反求技術的葉片曲面重構方法，并且在反求出合理模型后，進行熔融沉積加工，得到ABS樹脂模型。通過模型實物的觀察，更好的發(fā)現(xiàn)其中的不足，修改模型，以便后續(xù)加工。

1 反求工程

反求工程(Reverse Engineering，RE)是將實物轉變?yōu)镃AD 模型相關的數(shù)字化技術、幾何模型重建技術和產(chǎn)品制造技術的總稱［2-5］。它是將已有產(chǎn)品或實物模型轉換為工程設計模型和概念模型，并在此基礎上對已有產(chǎn)品進行解剖、深化和再創(chuàng)造的過程。反求工程的關鍵技術包括數(shù)據(jù)采集技術和CAD 建模技術。

2 數(shù)據(jù)點的獲取及處理

2.1 數(shù)據(jù)采集

目前，數(shù)據(jù)測量方法有很多種，而且不同的測量方法也決定了測量精度的不同。按照數(shù)據(jù)的獲取方式劃分，主要測量數(shù)據(jù)的方法有接觸式和非接觸式兩種。接觸式測量的機械結構和電子系統(tǒng)發(fā)展較成熟，準確性和可靠性都比較高;一般配合測量軟件，可以快速的測量物體的基本幾何形狀。但是它的測量速度較慢，而且需要半徑補償。根據(jù)實驗要求，選擇GLOBAL 575 三坐標測量機進行測量，采用橫向測量方式，每間隔10mm 采點一次。采點的球頭半徑為1.5mm，避免半徑誤差，在采點之前，將球頭半徑補償關閉。

2.2 數(shù)據(jù)預處理

得到的葉片原始數(shù)據(jù)轉換為igs 格式輸出，可以直接導入UG 軟件中，里面的外觀造型設計模塊擁有強大的反求設計功能。如圖1 所示為導入的葉片原始數(shù)據(jù)。在外觀造型設計模塊中，要先對得到的點進行預處理。可以手動的刪去一些偏離矢量方向的雜點。從各個角度觀察原始數(shù)據(jù)，找出存在的部分缺陷。

圖1 葉片原始數(shù)據(jù)

3 曲面重構與校驗

3.1 自由曲線造型

非均勻有理B 樣條曲線(Non-Uniform Rational BSpline，NURBS)在葉片式流體機械曲線曲面設計中得到最廣泛的應用。三維造型中的關鍵是曲線曲面的數(shù)學表述問題。在汽輪機葉片的三維造型中，與傳統(tǒng)的圓柱形葉片不同，汽輪機葉片多為復雜的三維空間扭曲曲面，結合扭曲葉片的實際情況，控制線的數(shù)學模型采用非均勻有理B 樣條NURBS 方法。該方法能夠用統(tǒng)一的數(shù)學形式來表示規(guī)則曲線與自由曲線。NURBS曲線是由分段有理B 樣條多項式基函數(shù)定義的，其表達式為

式中，Ri，k(t) 稱為k階有理基函數(shù);Ni，k(t) 為節(jié)點矢量決定的k階B樣條基函數(shù);pi是特征線多邊形控制頂點位置矢量;wi是與pi對應的加權因子［6-7］。

本文中的汽輪機葉片為扭曲復雜曲面，UG 軟件中的構建樣條曲線命令一般默認為NURBS 曲線，選擇截面線的次數(shù)為三次的NURBS 曲線，依次選擇各個截面上的點，完成曲線造型，如圖2 所示為葉片的空間輪廓線。

圖2 葉片輪廓線

3.2 曲線光順

對于平面曲線而言，光順的特點就是，具有二階幾何連續(xù)(G2)、不存在多余拐點和奇異點、曲率變換較均勻。一般兩條曲線連接時，有位置連續(xù)、相切連續(xù)、曲率連續(xù)三種連續(xù)方式。其中曲率連續(xù)指的是兩連續(xù)曲線端點坐標、切線向量、曲率中心重合［8］。由于葉片最初采用流體力學設計，保證光順性很重要。本文采用曲率連接，通過曲率梳進行觀察，光順樣條，修改百分比。

3.3 復雜曲面重構

采用“通過曲線組”命令，將連接好的曲線形成曲面。注意在選擇曲線時的矢量方向要保持一致。生成的葉片前后緣面邊緣不整齊，還要通過繪制基本直線，剪掉不整齊的地方。

手動測量之初關閉了三坐標測量機的半徑補償功能，現(xiàn)在選擇“偏置曲面”命令，把葉片前后兩個曲面分別偏置CMM 的球半徑，距離為1.5mm。偏置后的曲面因為曲率半徑過小會出現(xiàn)小的褶皺或者曲面破碎現(xiàn)象，需要返回原曲面，將曲面分解為小面片，分別偏置。利用橋接命令將偏置好的曲面連接起來，為保證精度，可先將曲面邊緣剪切整齊，不容易出現(xiàn)不平整現(xiàn)象?？p合得到葉片模型如圖3 所示。在建模環(huán)境里進行葉根造型，葉根模型相對簡單，采用游標卡尺可直接測量。

圖3 葉片模型

3.4 曲面的校驗

可用半徑分析和斜率分析的方法定量地確定曲面的物理特性。對于葉片曲面采用半徑分析法，用于分析曲面的半徑，根據(jù)曲面上每個控制點的曲率，系統(tǒng)使用色碼顯示分析結果，分析結果如圖4 所示。通過分析對葉片曲面曲率變化較大處及反射線不均勻的地方進行修正。采用參數(shù)化編輯方法對葉片模型進行編輯修改，這種方法可以使修改過的片體與原始曲線相關聯(lián)［9］。通過移動定義點、移動極點等對曲面不均勻處進行編輯修改，直至達到最終的滿意結果。

圖4 葉片曲面半徑分析

4 快速成型

4.1 快速成型概念

快速成型(Rapid Prototyping，RP)又稱快速原型?？焖俪尚蛯儆谔砑映尚?，通過快速自動成型系統(tǒng)與計算機數(shù)據(jù)模擬結合，無需任何附加的傳統(tǒng)模具或機械加工，就能夠制造出各種形狀復雜的原型或零件［10-12］。本文采用AuroraFM 軟件與三維打印機結合，實現(xiàn)葉片模型的快速成型。

4.2 快速成型過程

將建立好的模型轉換成STL 格式輸出。選擇自動法向生成和三角形顯示時，要注意它的三角公差，由于建立的模型表面在快速成型機中都是三角形片，所以設置的三角公差越小，會使得葉片表面的精度越高。初始化AuroraFM 軟件和三維打印機后，將葉片導入快速成型系統(tǒng)，調整成型方向，對葉片進行分割、分層，如圖5 所示。分層時選擇合適的參數(shù)集，每層間隔0.2mm，系統(tǒng)將自動保存生成CLI 文件，該文件與STL文件在同一目錄下。

圖5 葉片的分割

合并后的模型正好處于工作臺的中間。載入輔助支撐，葉片為扭曲復雜型面，選擇預設支撐3 為“圓形”。還需手動將輔助支撐移動到模型附近，以便節(jié)省打印時間。啟動打印模型命令，調整工作臺高度，距離噴頭1mm 左右。然后在調試對話框中記錄下此時的高度，在此高度基礎上增加1mm 左右作為工坐臺成形高度。轉入三維打印機部分進行堆積制造，最終成形的葉片如圖6 所示。

圖6 快速成型的葉片

5 結束語

本文是基于UG 的自由曲面造型功能進行葉片的三維幾何建模。先把葉片原始數(shù)據(jù)文件進行處理，建立樣條曲線，重構曲面，更加精確地反映出葉片的曲面形狀，有利于葉片的實際應用。隨后利用Aurora 快速成型系統(tǒng)對葉片模型進行分層處理，熔融沉積加工，有利于形象觀察。所設計的工件大大減少了實際生產(chǎn)加工中的浪費，縮減了設計周期，降低了生產(chǎn)成本。

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