渦輪葉片是渦輪增壓器的關鍵部件之一，其外形曲面比較復雜，對發動機的整體性能有重要的影響。葉片一般通過葉根的隼齒成組安裝在壓氣機轉子的輪轂上。在工作的過程中，如果某個葉片損傷，可對其單獨進行置換，保證渦輪增壓器的正常運轉。渦輪葉片中的葉身部位是由復雜的曲面組成的，其截面是變化的，沿輻射線方向在空間也是扭曲的，其設計圖紙描述十分復雜。
逆向工程是指從實物樣件獲取產品數學模型、進而開發出同類的先進產品的技術。渦輪葉片的逆向設計是指在缺乏圖紙、三維數模及相關資料的基礎上，如果需要修復或者重新生產制造葉片時，可以通過激光掃描設備使葉片的表面數字化，應用逆向設計技術處理獲取的點云數據，最終設計出可以應用于生產制造的三維數模。就目前的情況來看，逆向設計技術是快速實現渦輪葉片外形曲面數字化的主要途徑。
渦輪葉片逆向工程流程
渦輪葉片的逆向工程是一項系統工程，需要涉及制造業的諸多領域。一般是指以現有的渦輪葉片為基礎，選擇合適的三維數字化測量設備（接觸式或非接觸式）使葉片的表面數字化，依靠逆向設計軟件（CATIA、Geomagic和Polyworks等）構建葉片的外形曲面及CAD模型，根據設計結構進行CFD計算優化外形設計，并根據使用要求選擇合適的材料和加工工藝完成渦輪葉片的生產制造的過程。狹義的渦輪葉片逆向設計過程僅僅指構建渦輪葉片外形曲面CAD模型的過程，如圖1所示。
圖1 渦輪葉片逆向工程的一般流程
測繪規劃屬于逆向工程的前期流程，規劃結果決定了測繪工作的效率，直接影響著點云的誤差。一般來說，主要是根據被測物體的外形尺寸、結構復雜程度及逆向設計要求確定點云采取接觸式還是非接觸式，測繪設備是否需要在不同的站位對零件進行測繪及激光掃描線的密度等工作。經過分析確定采用非接觸式基于激光跟蹤儀和Polyw orks測量軟件的T-scan對該葉片進行掃描，獲取點云數據。由于葉片尺寸不大，可以通過翻轉葉片兩次將整個葉片的表面全部數字化，兩次采集的數據可以通過數據多視拼合得到完整的點云數據。
在測繪的過程中由于測量者手持設備的姿態、零件本身的清潔度及環境條件等的影響，會采集到一些與點云整體偏離值較大的孤立點或噪點，數據過濾就是為了剔除這些與逆向設計無關點。STL封裝是將采集的離散的點云作為三角形的頂點連接形成分片線形曲面，能夠表示測點的臨接關系和模型的正確全局拓撲。數據分塊是根據葉片的表面特征，將其點云分為不同的數據塊分別進行逆向曲面設計，提高逆向設計效率，消除無關聯數據對待處理區域的影響。
渦輪葉片逆向設計的目標是根據離散的數據點構造出光滑、連續的CAD模型，因此模型重建技術是逆向工程的關鍵技術之一。根據葉片的表面特征構建逆向設計基準面，應用逆向設計軟件構建輪廓曲線線架，再由輪廓截面線構造外形曲面。在逆向設計過程中，要實時運用檢測命令檢測點云數據與構造曲面間的偏差值。如果不符合要求，就需要調整NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline)的控制點，直到滿足要求，這是一個反復的過程，也需要大量的逆向設計經驗，所需要的逆向設計技巧很多，需要在實踐中根據不同的實際情況采用相應的曲面構建方法，以達到滿意的效果。
分塊構造的曲面結合后可以生成CAD模型。如果僅僅是維修、復制某渦輪葉片，此時就可以進行工藝設計完成零件的生產制造。如果需要對某一渦輪增壓器進行改造設計，提高其工作效率，就需要以逆向設計獲取的CAD模型為基礎，進行CFD氣動計算，可根據不同的計算結果和需求進行優化設計。根據使用環境的要求，選擇合適的材料和機械加工工藝，完成渦輪葉片的改型優化設計制造。這個過程是渦輪葉片逆向工程的一般流程，具體的實施過程中還有更多的細節需要考慮。
某渦輪葉片逆向設計實例
1.渦輪葉片外形分析
渦輪壓氣機某一葉片在工作中損傷，生產廠家已停止對該葉片的供應，渦輪壓氣機要正常運行，就迫切需要應用逆向設計對其外形進行建模，通過數控加工中心對其進行生產制造。如圖2所示，經過分析，該葉片屬于整體機加件，由葉冠（肩臺）、葉身（葉型）和葉根(T型)3部分組成，其葉冠與葉根的端面屬于平整的平面，葉身的葉型是由復雜的葉背曲面和葉盆曲面構成，屬于扭葉片，進氣邊與出氣邊都是光滑的圓角。扭葉片是葉根到葉冠的型線部規則，是變截面葉片。
圖2 某渦輪葉片外形組成及葉型截面曲線圖
2.葉片表面點云數據的采集
本次點云數據的獲取采用的設備為T-scan，屬于非接觸式測量方式，也不需要在葉片的表面噴涂顯影劑或粘貼標示點，其數據采集精度可以達到20μm。T-scan是一種基于激光三角法的非接觸式手持激光掃描測量工具，設備發射的激光光束通過一個高速旋轉的棱鏡反射到待掃描的渦輪葉片外形曲面上。激光光束被渦輪葉片外形表面反射并被T-scan接收。根據葉片反射表面距離的不同，反射到CCD線性傳感器的位置也不同。T-scan在掃描過程中不會對被測渦輪葉片的外形曲面產生影響，其測量精度高、測量速度快，能滿足渦輪葉片外形曲面重構的要求。T-scan自身的空間定位系統可以定位掃描儀的空間位置，獲取被掃描部位表面的空間采樣點的三維坐標，形成點云數據，使渦輪葉片的表面數字化，并使所有點云處于同一坐標系下。
由于葉片的尺寸不大，可將三維測繪掃描儀放置某一固定的站位，翻轉葉片2次就能完成整個葉片的表面數字化掃描工作。在軟件中通過2次掃描的公共區域將點云對齊至統一坐標系下。通過T-scan獲取的點云是以單點的三維坐標形式存儲，要對其進行逆向設計，需要將其進行三角面片封裝，封裝成（*.stl）格式，便于CATIA的識別。
由于掃描獲取的點云數據的坐標數據是機器坐標系(MCS)下的數值。為了便于進行逆向設計，可以根據渦輪葉片葉根端面平面及底部安裝孔位為基本特征建立零件坐標系(PCS)，通過CATIA軟件中的定位變換命令將其坐標值轉換至零件坐標系下，如圖3所示。
圖3 采集的葉片點云圖（2種格式）
3.葉型曲線與曲面的構建
在渦輪葉片逆向設計過程中，如果對采集的點云數據直接進行處理，過密的渦輪葉片外形曲面點云量不僅對計算機的性能要求很高，而且會降低外形曲面重構的效率。數據抽稀是在保證掃描精度的前提下，根據葉片外形曲面的重構需求，適當的壓縮掃描數據量，便于提高曲面的曲面質量和重構效率；數據分塊是指對采集的渦輪葉片的外形曲面點云數據進行分塊處理（分為葉冠、葉身、葉根3部分），分塊進行曲面構造，最后拼合和縫合成渦輪葉片外形曲面的過程。曲面重構過程實際上就是根據實物模型的點云，重建其幾何和拓撲信息，再現曲面產品特征的過程。采集的點云數據經過數據填充、數據過濾剔除噪點后的點云數據位逆向設計的基準數據。分析渦輪葉片后，由于其葉冠和葉根的端面為平面，可以通過數據分塊分別對其進行外形曲面設計。根據葉片外形的自身特點將其分為葉冠、葉身和葉根3部分數據分別進行外形曲面設計，最后通過CATIA中的縫合命令將其結合為整體。如圖4所示，葉身曲面的逆向設計過程最為復雜，需要通過與PCS中XY平面平行的一系列截面與點云數據進行相交計算，獲取截面曲線，通過放樣計算、外插延伸、橋接及修飾得到葉身的外形曲面。葉冠和葉根的外形可以將CATIA中的零件設計模塊、創成式曲面模塊、點云編輯模塊與快速曲面重構模塊等結合使用，得到葉冠與葉根的外形數據。
圖4 逆向構建的葉身外形曲面
4.葉片的三維實體模型設計
以逆向設計構造的葉身曲面理論外形為基礎，將其兩端封閉，填充為實體數模。將葉根與葉冠的端面的點云激活，分別應用CATIA軟件中的Quick SurFace Reconstruction模塊下的特征識別命令構建端面基準平面。將基準平面與點云做相交運算，根據相交獲得的截線為基礎，在基準平面上構造草圖，并在點云上創建草圖的拉伸方向，應用Part Design中的凸臺命令分別構建葉冠與葉根的三維實體模型。由于渦輪葉片樣件是一個整體零件，故應用布爾運算將三個零件幾何體合并為一個三維實體模型，并將相交區的棱角倒圓，使葉冠、葉根與葉身之間光滑過渡，具有良好的數控加工工藝性，如圖5所示。
圖5 基于逆向設計的渦輪葉片三維數模圖
結束語
在缺乏相關設計資料數據的前提下，根據某渦輪葉片的維修需求，應用三維數字化測繪設備獲取葉片的表面數據，結合逆向設計的一般程序及葉片自身特點，分塊完成該葉片的葉冠、葉身及葉尾的外形曲面，并應用布爾運算將曲面結合為一體并填充成可用于數控加工的三維實體模型，得到了令人滿意的設計結果，對該葉片的可維修性和再制造性奠定了基礎。隨著材料技術、數字化測量技術、逆向設計技術及流體力學計算技術的不斷發展，我國渦輪葉片生產制造領域將會迎來突破性的發展，這對經濟的快速發展和國防現代化建設具有重要的意義。
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本文標題：逆向設計技術在渦輪葉片建模中的應用研究
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