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基于PRO/E“逆向工程”的三元叶片测绘设计

徐纪高 周礼新 张洪昌 / 开封空分集团有限公司工艺部    

摘要:因三元叶片为空间曲面,无法用普通方法测量,故尝试应用光笔测量仪测取闭式三元叶轮叶片及相关表面坐标点,应用PRO/E“逆向工程”等曲面功能,处理测取的坐标点,进行三元叶片“复制”设计,并通过几何分析验证了“复制”的叶片曲面曲率变化平稳,与原始数据基本吻合。该方法能够很好地满足三元叶轮叶片的测绘要求。
关键词:光笔测量仪;三元叶片;坐标点;逆向工程

中图分类号:TH452 文献标志码:A
Surveying Design of Three Dimensional Blades Based on PRO/E Reverse Engineering
Abstract: Since it is a space curved surface, the three dimensional blade cannot be measured in ordinary ways. The light pen measuring instruments are tried to measure the coordinate points of its blades and relevant surface. The advantage of the curved surface function of the PRO/E reverse engineering is applied to process the coordinate points and make “duplication” design for three dimensional blade. Further, through geometric analysis, the curvature variation of the “duplicated” blades is verified to be stable and approximately tally with the primal data. Therefore, it is a quotable method because it can fully satisfy the measurement requirements of the three dimensional blades.
Key words: light pen measuring instrument; three dimensional blade;coordinate point; reverse engineering
0 引言
  对现有的透平空压机叶轮进行测绘设计,在工程领域的多个方面都十分必要。但是,由于三元叶片为空间曲面,无法用普通方法测量。我们尝试借助光笔测量仪测取三元叶片及相关表面坐标点,再应用PRO/E逆向设计功能“复制”三元叶片,从而找到一条测绘设计三元叶片简便有效的途径。
1 对叶轮相关表面测取坐标点
1.1 光笔测量仪简介

  进行叶轮测绘的仪器为一台迈卓诺SOLO型单镜头光笔测量仪(图1为工作示意图)。迈卓诺光笔测量仪主要由传感器系统(相机)、采点系统(碳纤维测量光笔及测针)、电脑与测量软件组成。采用摄影测量技术,相机通过摄取镶嵌在光笔上的多个红外发光二极管(LED)的三维坐标,得到光笔在空间的位置和姿态。光笔底端的测针经过精确校准,与光笔的几何关系唯一确定,这样,测针底端被测点的三维坐标就可以由电脑精确地计算出来。
测量仪的测量距离为1.5~30m,分辨率为1μm ,测量精度为0.09mm,完全能够满足三元叶片测绘要求。针对叶轮结构,订制多种规格的测针,能够对出口宽度大于15mm的闭式及所有半开式三元叶轮的流道各表面进行无盲区测量。

1.2 测量方案的制定
  图2为一台DH型空压机的二级叶轮,本文借助此叶轮对测绘设计方法作一简述。

  为了准确进行叶片“复制”设计,不仅要测绘叶片表面坐标点,还要测绘叶片相关表面坐标点。图3为被测叶轮简图,对各测量表面的要求如下:A为轮盖进口端面,在圆周范围内测取3点以上,以确定叶轮轴线垂直平面;B为被测叶片进口边,在长度方向上测取不少于2点,以确定叶片的进口边线;C为三元叶片吸力面,相隔约5~10mm测取多点,测取叶片点时须避开焊缝等部位;D为轮盘内弧面,在不同半径处测取不少于8点,以确定叶片的轮盘侧边线;E为轮盖内弧面,测取方法与轮盘相同,以确定叶片的轮盖侧边线;F为叶轮外径,在圆周范围内测取3点以上, 以确定叶片的出口边线,同时还与A面一起新建坐标系,确定叶轮轴线。

  光笔测量仪默认的坐标系原点为相机镜头,其Z轴与叶轮回转中心不重合,会给以后叶轮实体造型带来很大麻烦。因此,要进行坐标系转换。首先测量A面与F面,按图3中所示位置新建坐标系,坐标系XY平面与A面重合,Z轴与叶轮回转中心重合,作为叶轮各测量面的原点坐标系。将测量仪设置为云点测量功能,按图3要求进行测量,得到叶轮相应表面的坐标点为:A.pwi,B.pwi,C.pwi,D.pwi,E.pwi,F.pwi。表1为测得的轮盘内面坐标点。

表 1 轮盘内面坐标点表


1

2

3

4

5

6

7

8

  X    Y     Z

-34.8602 -33.4968 -61.9058

-69.2795 -26.6759 -96.5850

-94.9478 -25.0532 -115.5277

-120.7555 -12.9236 -126.7084

-147.3171 6.9365 -133.5215

-170.5214 27.8599 -134.2859

-188.3091 82.9883 -134.4369

-192.6287 122.4661 -134.6650

2 确定叶片进口、出口边和轮盘、轮盖边范围——“回转面组”
  新建一个PRO/E零件设计文件,将文件设置为mmns制。将测量仪测得的坐标点转化为pts格式,分别为:a.pts.1,b.pts.1,c.pts.1,d.pts.1,e.pts.1,f.pts.1。
  绘制“回转面组”的作用在于确定叶片的有效数据范围,以便准确“复制”叶片。
  1) 绘制轮盘内面回转面。测取的轮盘坐标点不在同一子午面上,无法直接作出轮盘内面回转母线。因此,要用下面方法绘制轮盘内面回转面:a.导入坐标系转换后的轮盘内面坐标点d.pts.1;b.用“草绘曲线”工具绘制各点以Z轴为圆心的曲线圆;c.用“基准点”工具求出各圆与RIGHT基准面的交点(各交点在同一子午面上);d.用“旋转”工具以RIGHT基准面作为绘图平面,以Z轴为回转中心,将上一步求得的交点连接成样条曲线作回转母线,作出轮盘内面回转面,见图4。

  2) 分别作出轮盖内面及叶片进口、出口边回转面,作图方法与轮盘内面相同。
  运用曲面“延伸”、“合并”工具将叶片进口、出口边和轮盘、轮盖边回转面合并成“回转面组”,图5是被RIGHT基准面分割的“回转面组”。

3 应用PRO/E“逆向工程”进行叶片曲面设计
  PRO/E“逆向工程”由“小平面特征”工具和“重新造型”工具结合完成。“小平面特征”和“重新造型”工具内又各包括多个功能。
3.1 创建叶片小平面特征
  1) 使用“小平面特征”工具导入坐标系转换后的叶片数据点c.pts.1。此时进入“小平面特征”工具界面。
  2) 用“填充孔”功能增加“点集”中点的密度,同时点集向“回转面组”之外延伸,多次重复此功能。此时会在“回转面组”范围之外产生大量无用点。为避免“点集”中无用点过多,应用“删除选定项”等功能删除部分“回转面组”以外的点。
  3) 用“删除界外值”和“降低噪音”功能进行点集修整,使小平面更加平滑。注意叶片进口、出口和轮盘、轮盖边角附近的点不得随意“删除”;“降低噪音”时选用“机械”方法,以减少失真。
  4) 用“示例”功能抽取点集中的点,减少点的数量,避免文件过大。
  完成上述步骤,得到的叶片点集见图6。

  5) “换行”生成“小平面”,见图7。

3.2 对小平面进行处理
  1) 如果小平面边沿的缺口“进入”到“回转面组”内,会影响到后面“重新造型”时叶片边界曲线绘制,需要用“添加小平面”功能对缺口进行小平面添加、补齐。
  2) 用“分割边”功能将边长过大的小平面进行分割。
  3) 为得到更加平滑的小平面模型,可以用“精整”功能将其进行精整,但要用“固定边界”选项。
3.3 以小平面模型数据为基础绘制叶片曲面
  进入“重新造型”工具界面:
  1) 用“插入投影到小平面特征上的线”功能沿“回转面组”的4个曲面在小平面上作出4条曲线,注意各曲线端点重合。查看曲线曲率,对曲线进行微调。
  2) 用“插入4条曲线形成边界的矩形曲面”功能绘制出叶片曲面,见图8。

  检查曲面,效果理想后,点选“确定”完成并退出“重新造型”工具。“复制”完成三元叶片。
3.4 对叶片曲面进行几何分析
1) 用PRO/E“测量”工具测量原始坐标点与曲面的距离,见图9。
2) 用“着色曲率分析”工具对曲面进行曲率分析,见图10。

  用PRO/E“测量”工具随机抽查,测得原始坐标点距曲面的距离最大不超过0.5mm,说明“复制”的曲面“失真很小”、能够较好地保持与叶片原始曲面的一致性。高斯曲率反映了曲面的光滑程度,是三维绘图软件分析曲面质量的主要依据,曲面的高斯曲率变化大、变化快意味着曲面的光滑程度低、曲面质量差,反之,说明曲面的光滑程度高、曲面质量好。用PRO/E“着色曲率分析”工具进行分析,曲面高斯曲率在-0.003 960×10-5 与-4.220 171×10-5 之间,颜色变化平缓,说明“复制”的曲面曲率变化方向一致、平滑,符合透平空压机叶片曲面特征要求。通过以上两方面分析可以看出:利用PRO/E“逆向工程”处理叶片坐标点数据、复制叶片曲面能够很好地满足测绘要求。
4 结论
  1) 光笔测量仪使用灵活、测针规格多,能够深入到封闭叶轮流道内部测取坐标点,是进行三元叶片逆向设计的前提。

  2) PRO/E强大的曲面功能,特别是“逆向工程”工具为三元叶片“复制”设计提供了必要的解决平台。
  3) “逆向工程”的求解并不唯一。也就是说同样的数据点,由于软件功能运用的不同,绘制的曲面差异较大。因此,需要在实践中不断完善逆向设计方法。
                参 考 文 献
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  评论人:不锈钢网   打分:0 分  发表时间:2015-7-4 12:02:48
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