石亚茹1 刘康2 保晓璐3
（中航西安飞机工业集团股份有限公司）
摘要：在含气膜孔涡轮叶片[的精度控制方面，提出了一种借用现有的性能优秀的涡轮叶片利用光学扫描技术和UG建模技术。实现涡轮叶片快速的逆向建模，在光学扫描阶段利用XTOM教育型面扫描系统对涡轮叶片进行光学扫描；然后利用Geomagic studio软件对光学扫描后的点云数据进行数据处理；最后将模型导入UG软件中根据已知模型利用截面曲线特征的模型重构方法根据自己的需求进行精度控制。
关键词：涡轮叶片 光学扫描技术 逆向建模 精度控制
Abstract ：In the aspect of precision control of turbine blade with gas film hole, a kind of turbine blade with existing excellent performance is proposed by using optical scanning technology and UG modeling technology.In the optical scanning stage, XTOM educational profile scanning system is used to carry out optical scanning of turbine blades. Then the GEOMAGIC STUDIO software is used to process the point cloud data after optical scanning. Finally, the model is imported into UG software according to the known model using the section curve features of the model reconstruction method according to their own needs for precision control.
Key words: turbine blade optical scanning technology reverse modeling precision control
1.引言
涡轮叶片作为动力设备的核心部件由于其处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位，所以叶片被列为第一关键件，并被誉为“王冠上的明珠”[3]。涡轮叶片的相关技术是近20年来国内外关注的重大技术问题之一。航空发动机涡轮叶片具有型面复杂、材料特殊、壁薄、带有气膜孔等特点,针对后期加工需求，对构建好的模型进行相应的精度控制是关键技术之一[4]。
逆向工程技术[1]是测量技术、数据处理技术、图形处理技术和加工技术相结合的一门结核性技术，利用光学扫描技术得到涡轮叶片模型的点云数据，然后将点云数据经数据处理后导入到UG三维软件中，基于截面曲线特征的模型重构方法对导入的模型为依据对涡轮叶片进行重构，与叶片的原始数模进行对比可以对叶片的精度进行控制。
2含气膜孔涡轮叶片逆向建模的工艺和设备
逆向工程(Reverse Engineering， RE)作为一种新的测量方法应运而生[2]。可以抽象的定义为“剖析原始产品的设计思想和机制”，伴随着 CAD技术和测量数字化的发展，基于原始测量数据的新产品建模技术成为了逆向工程技术的主要发展方向。从设计流程上来看，逆向工程技术是传统的产品造型流程的逆过程。
光学扫描仪是逆向工程技术的一个重要工具，具有测量幅面大、抗干扰能力强、扫描速度快，自动化完成多幅点云的精确匹配和融合速度快高精度等的优点。在逆向建模的扫描阶段，采用的设备为XTOM教育型面扫描系统。
表1 XTOM教育型面扫描系统性能
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2.1含气膜孔涡轮叶片的光学扫描
2.2.1光学扫描的原理
光学扫描的主要目的是获得模型的点云数据，利用截面曲线特征的模型重构方法进行建模，其中点云数据的获取是进行截面曲线重构的关键步骤，点云数据的获取是也逆向工程技术的基础。XTOM教育型面扫描系统采用的是非接触式扫描，非接触式扫描主要是依据物理学原理间接获得物体的表面数据信息，主要有激光扫描法和图像扫描法两种，在逆向建模领域常用的为激光扫描法。扫描原理是：首先利用具有规则几何形状的光源照射到测量物体表面，漫反射的光带会投影到被测物体表面形成光源，在图像传感器上成像，最后被测物体表面各点的坐标通过三角形的原理计算得到。光学扫秒的步骤主要包括三个部分：系统标定、扫描准备、扫描过程。
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图1 激光扫描法的原理图
2.2.2光学扫描的原理步骤
1.系统标定 标定主要借助于标定装置，利用软件算法计算出扫描头的所有内外部结构参数，才能正确计算测量点的坐标。具体的标定步骤：标定前，先要确认相机镜头已经调好并紧固，标定板须保持干净，不能污损，圆点的边界不能缺损。标定时，设置采用的测量方式为“双相机-相移”即用两个相机进行标定，观察标定结果，SIGMA表示标定偏差，偏差越小，表示标定结果越准确。当标定偏差小于0.05时标定成功。若标定结果大于0.05，系统会提示标定失败，必须重新进行标定。
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图5八步标定法位置示意图
2.扫描准备 (1)表面处理：由于工件表面反光不易扫描所以对表面进行喷涂处理。教育型面扫描仪对于物体表面材质，色彩等因素要求不高；但深色及反光透光等因素会对测量结果有一定的影响，并且工件表面的灰尘、铁屑等异物更是会带来测量得到噪声点，造成点云数据质量不佳。选用亚光白色，使用完毕后很容易就可去除掉，便于测量完成后还物体以本来面目。(2)粘贴标志点：要完整地扫描一个物体，往往要进行多次、多视角测量，才能获得整体外形的点云。标志点就是用于多视扫描自动拼接的坐标转换，它实际上是一些贴在物体表面的圆点。由于工件体积小、表面细小特征多，所以完全靠外部粘贴标志点是远远不足的。因此，我们将其置于粘贴了大量标志点的平板上，依靠平板上的标志点作为拼接基准。
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图7 喷涂与贴标机
3.扫描过程 (1)新建扫描工程：扫描之前先根据项目内容在“文件”新建一个扫描工程。项目新建好之后，工程导航区列表内会显示。(2)扫描操作：1.开启测量头：首先确定设备导航栏下测量头属于开启状态，然护在测量头图标区点击 “开始”，开启成功后软件在主界面相机输出区会显示相机图像；2.光线不足时打开“显示”页面“白光”按钮。
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2.3含气膜孔涡轮叶片的点云数据处理
光学扫描结束后，会得到反映物体的点云数据，对于已经得到的点云数据需要从中获取模型重构所需要的轮廓数据。由于环境或者扫描技术等原因，造成扫描出的点云数据存在一些杂点或者噪声点，因此，采用Geomagic Studio进行数据处理是逆向建模中的关键步骤。
Geomagic Studio是一款功能强大的逆向功能软件，该软件操作简单。该软件有：①易用性；②软硬件结合；③自动网格分析和修复；④一键曲面生成；⑤简化参数模型的工作流程等特性。
1点云优化 对扫描出的点云数据存在一些杂点或者噪声点，这些点会造成模型的精度误差，将点云进行优化即对点云数据进行降噪，将多余的点云数据进行删除以提高拼接精度。将模型外部多余的点云数据进行删除，保留模型以及模型附近的一些点云数据。
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图11点云优化效果图
2点云合并 点云合并就是将多幅PLY格式的点云文件合并成一幅点云文件。点云合并是将点云数据经三角化生成三角网格曲面。一旦点对象被净化和条理化，就可以用多边形网格来封装对象。将扫描得到的三维点数据之间用三角形相互连接，形成三角网格然后转化为三角面片格式，使三维数据场进行可视化操作。文件将可以用面片格式输出，用于三维数据重建等。在软件工具栏点击“封装”按钮即可操作。
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点云封装前后对比图
3修复三角面片 点云封装后将点云数据转化为三角面片，某些三角网格曲面数据分为多个不相互关联的部分，其中一些部分仅由很少的一些面所组成，这些部分往往是一些噪声面的集合，因此对工件表面存在的一些孔以及多余面片等缺陷进行去除。
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4数据导出 系统可将最终得到的点云数据输出到文件，点云数据支持.asc，.ply，.wrl，stl格式输出。为了能够与下阶段的UG逆向建模相结合，选择以STL格式将模型进行导出。
2.4含气膜孔涡轮叶片的建模
建模采用的是截面曲线特征的模型重构方法，该方法是通过对二维截面曲线进行拉伸，然后再通过旋转或者蒙皮等方法进行处理，最后生成实体或者较为复杂的曲面模型。在逆向建模的过程中截面轮廓特征也会常被用到。将模型导入到UG三维建模软件中，以扫描模型为基础利用截面曲线特征的模型重构方法根据需求对所需模型进行建模。
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图 建模流程图
2.4.1文件导入及基准平面的创建
将光学扫描修复好的模型以STL格式导出，在本阶段将STL数据导入到UG软件中，进行UG的逆向建模。
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在导入的STL数据上创建所需的基准平面，用于构造工件的基本特征。基准平面的创建过程中适当的基准平面的截面切片厚度对模型进行剖切可以获得截面轮廓，然后对截面轮廓进行分离构建截面数据，最后通过截面方向提取截面轮廓的数据。在逆向重构涡轮叶片叶身时，以涡轮叶片的侧平面为基准。
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图19 创建基准平面
2.4.2截面曲线数据的提取与重构
在创建好截面曲线后，需要对截面数据进行提取，然后通过求交法获得一条截面数据。求交法的基本原理为：分别在切割平面 E 左右两侧取两个点，连接两点的直线段使其与切平面相交，该交点即为所求截面轮廓数据点中的一点。利用投影法和求交法计算得到的截面数据点。
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图 平面与截面求交示意图
通过所创建的基准平面与STL 数据创建截面曲线，得到逆向建模所需曲线。单击截面曲线，在选择“STL点云数据”，选择所需要的基准平面。会出现和STL数据轮廓大小形同的曲线。
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图20 创建截面曲线
截面的轮廓曲线一般由多种类型的曲线组成，在相邻的不同类型曲线间连接点处的过渡情况有很多种，将切矢不连续的点称为尖点，曲率不连续的点为这横店，位置不连续的点为跳跃点等，同意将这些点称为特征点。由于创建的截面曲线尾缘处断裂，曲线表面不光滑，所以采用B样条曲线进行重新表达。
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模型的求解过程为区间内的一维搜索问题。具体的求解过程为：①先确定分段点区左端点PL为边界电脑并提取直线数据拟合直线；②以端点Pr为边界点提取自有特征点列，用B样条曲线与相邻直线进行拟合，得到初始点P0；③在区间内利用黄金分割法迭代样条曲线控制点；④基于边界约束条件得到最优分段点。确定好搜索区间和分段点后，利用B样条曲线进行截面轮廓的重构。
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图21 绘制草图
2.4.3模型的创建曲面
1.曲面创建 创建完截面曲线以后，将线连接为曲面，得到所需的工件轮廓。创建曲面常用方法有：曲线组和曲线网格。在这里选择利用“通过曲线组”来创建曲面特征，选择“截面”中的“选择曲线”，根据相同的方法，依次连接曲线直至将所有曲线全部选择。
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图22 创建曲面
2.创建小特征 在工件体表面有多个小特征，创建完成曲面后，利用上述步骤创建基准平面、创建截面曲线以及拉伸等指令，对所有的小特征依次创建。
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图23 创建小特征
3.气膜孔的创建 在STL数据上，无法确定气膜孔的坐标位置，在气膜孔的位置处有凹坑，在凹坑处画球体与凹坑相切，连接球心和相切两点的连线，创建截面曲线对模型进行划分取交点处气膜孔的坐标，得到txt数据，将其导入UG模型中，将txt数据所表示的点投影到所创建的基准平面中，然后利用草图、拉伸等指令对气膜孔进行创建。在熔模铸造过程中，本实验的研究目标主要为圆孔，所以主要研究前缘、叶盆和叶背上的气膜孔，因此尾缘气膜孔在创建过程中不予考虑。
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图24 创建气膜孔
2.5逆向建模的精度检测
Geomagic Control具有完整GD&T检测功能，并通过向导式程序指导使用者进行位置公差测量。 可测量的位置公差类型有：垂直度、平行度、倾斜度、同轴度、实际位置度、对称度、圆跳度、全跳度、曲线轮廓度、直线轮廓度，完整的形位公差功能。因此，将建好模型以STP格式导出，然后导入Geomagic Control 软件中与最初在Geomagic studio 中修复好的模型进行对比，得到最终误差在正负0.1mm范围内，符合要求。
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图25 3D比较结果
3结论
采用的建模方式为逆向建模，提出了一种用现有的性能优秀的涡轮叶片利用光学扫描技术和UG建模技术，实现涡轮叶片的快速建模，在光学扫描阶段利用XTOM教育型面扫描系统对涡轮叶片进行光学扫描，然后利用Geomagic studio软件对模型进行修复，最后将模型导入UG软件中利用已知模型根据自己的需求实现模型的快速构建。利用Geomagic Control的GD&T检测功能对建立好的模型进行了检测，得到最终的精度测量结果。
参考文献
1.王海根;Cimatron软件在逆向工程中的应用[J];机械研究与应用;2005年03期
2.盛忠起,黄炜,蔡光起;集成虚轴机床逆向工程系统设计研究[J];现代制造工程;2002年01期
3.李应红;苏长兵;吴云;李益文;宋慧敏;;高超声速气流中MHD激励诱导与控制斜激波的实验研究[A];第三届高超声速科技学术会议会议文集[C];2010年;
4.吴云;李益文;宋慧敏;;高超声速气流中MHD激励诱导与控制斜激波的实验研究[A];第三届高超声速科技学术会议会议文集[C];2010年