轴流风机的逆向建模

黄 丽，屈 坤，袁国强

（武昌工学院，湖北 武汉 430000）

1 主要研究内容

文章的主要研究内容是了解复杂零件的逆向方法，重点学习逆向工程的数据测量以及后续对点云数据的修复工作。先从叶片的数据测量开始，要能够得到相对全面的叶片表面数据，然后对点云数据去除杂点、精简、降噪等一系列处理，为后面的建模提供一个完整的表面点云。文章研究的风机叶片为圆筒式轴流风机叶片，叶片的直径为200mm，圆筒的直径为90mm，圆筒的壁厚2mm，圆筒的高度40mm。

文章是使用光栅扫描技术得到了风机叶片的点云数据，然后基于Geomagic Studio软件分析叶片的表面点云，并找到合理的建模方法。本设计以轴流风机叶片为例子，利用三维扫描仪对复杂曲面进行逆向测量，然后经过点阶段、多边形阶段等步骤的处理，得到了满意的风机叶片模型。最后通过误差的分析对比，最终得到了叶片CAD模型符合本次设计的要求。

（1）测量设备分析。经过对各种设备的分析对比，文章选用的是华科大研究开发的三维扫描仪。本设备采用光栅扫描技术，标志点全自动拼接，拥有速度快、准确度高、高解析度等优势。对风机叶片等外表复杂的工件建模效果很好。

（2）点云数据的获取。点云数据的获取是叶片逆向建模的第一步。收集叶片数据的质量对最后建立叶片模型起着十分关键的作用，文章选择的扫描仪采用光栅扫描，标志点全自动拼接。在使用前还需要对系统进行标定，标定后才能够通过标识点将每次扫描获取的数据建立起相互的位置关系，相对于手动拼接而言，大大节省了拼接的时间。根据扫描仪的特点以及风机叶片的特点，文章采用旋转扫描的方式来进行数据获取。扫描前还需要给风机叶片贴上标志点，以便于扫描识别，由于扫描时不易捕捉到图像，风机叶片已经被喷上显象剂。每完成一次扫描需要将平台转动一定的角度进行下一次扫描，当转过360°后风机叶片正面的数据获取就完成了，需要注意的是转动时风机叶片在平台上没有发生相对移动，否则获取数据会混乱。此时需要将叶片翻转过来，进行背面的数据扫描获取，此时需要注意的是让标志点对着摄像头以便点云数据的自动拼接，操作方法与正面一样。扫描后获取的点云数据，系统已经自行着色，图形显示的比较清晰。其中黑色部分相对较少，距离主体点云较远，为冗余点，后续处理需要去处，黄色部分为叶片数据缺失的部分，需要补齐，绿色部分为外表面，即本次扫描的有效点云。

（3）点阶段处理。因为风机叶片形状比较复杂，在扫描获取数据时难以避免死角的出现，这导致了数据有所缺失，需要对其进行修复；数据中含有很多冗余点，需要对其精简；另外，因一次扫描不可能获得完善的风机叶片点云，只能从多个角度分别扫描才能获得完善的点云，然后把这些点云拼接好就是一个整体的叶片点云了。本阶段的步骤有下面3点：①从初始的点云中分离出有用点，去除掉无用点；②不破坏外形的情况下精简点云；③封装成多边形对象。结果如图1所示。

图1 采样后的叶片点云数据

对比可以发现，点云数据中的杂点等不必要的数据得到有效减少，这有利于模型后续的修复处理。最后是对点云数据进行封装，选择工具栏中的“点”→“合并”，弹出“合并点”对话框，在“设置”栏中的“局部噪音降低”设置为“中间”，选中“保持原始数据”、“删除小组件”单选框，在“采样”一栏中选中“最大三角形数”单选框，然后将最大三角形数设置为50万。点击“确认”后，形成了叶片封装图，如图2所示。

图2 封装后的风机叶片

（4）多边形阶段处理。多边形网格化是将预处理过的点云集合用多边形连接起来，构成多边形网格，也就是将原来的点转换成面的形式反映出来，但是对点云进行多边形网格化后会导致网格化的模型产生很多问题，比如模型的合法性和正确性等等。因为点云数据的丢失、噪音点、顶点数据的错误、网格化运算错误等等原因，网格化后的模型有可能会出现网格退化、自交、孤立、重叠、空洞等缺陷。这些缺陷会严重影响到后续对模型的处理。

因此多边形阶段需要修复以上所述原因所产生的错误，通过松弛、去噪、拟合等方式将风机叶片的模型进一步优化。经过多次完善后，就拥有了相对完整的多边形对象，主要操作如下：①修复细微错误网格；②去处特征；③松弛网格；④填充孔洞。本次的修复效果较好。经过多次的填充空洞，修复表面光顺度等，最终得到的风机叶片模型如图3所示。

图3 风机叶片模型

2 叶片模型的误差分析

运用软件中的误差分析功能可以对比修复后模型的数据误差，分别将叶片三维扫描拟合后的点云模型和用软件修复完毕后的模型导入到程序中，以叶片测量模型为基准进行分析比对，通过自动生成的颜色偏差图实现了三维数据的精确度统计分析。分析和对比结果如图4所示：图中大部分为绿色，也是精度最高的一部分，误差几乎为零，少量部分为黄色和蓝色，最大误差接近0.08mm，整体来看，误差平均值是在-0.0019～+0.0028mm之间，标准偏差 0.0044mm，即在0.005mm以下，因此，本次设计实现了风机叶片的高精度测量和建模的目的。

图4 精度对比偏差图

逆向工程技术在很多行业都有了应用，例如物品的复制和创新，便于吸收先进的技术，降低产品的研发时间。风机叶片是风机的重要零部件，所以风机叶片的三维模型是决定产品质量的关键。文章实现了风机叶片的精密数字化测量，数据采集及处理，最后建模成功，为风机叶片的制造起到了很大作用。

［1］柯映林.反向工程CAD建模理论、方法和系统［D］.北京：机械工业出版社，2005.

［2］成思源，谢韶旺.Geomagic Studio逆向工程技术及应用［D］.北京：清华大学出版社，2010.

［3］成思源，杨雪荣.逆向建模技术及应用［D］.北京：清华大学出版社，2016.