发动机叶轮的逆向建模与3D打印研究.pdf

第 卷第期年月杨 凌 职 业 技 术 学 院 学 报J o u r n a l o fY a n g l i n gV o c a t i o n a l&T e c h n i c a lC o l l e g eV o l N o M a r,收稿日期:作者简介:张 晶(),女,江苏淮安人,讲师,硕士,主要从事机器人技术应用、机械制造技术及快速成型技术等方面研究.D O I:/j c n k i c n /G 发动机叶轮的逆向建模与 D打印研究张晶(江苏联合职业技术学院 无锡机电分院,江苏 无锡 )摘要:为了高效地生产出高精度的叶轮,采用激光扫描仪对发动机叶轮原件进行扫描,对点云数据进行处理,利用逆向建模软件G e o m a g i cD e s i g nX对其进行模型重构,将重构的数据与原件相比较,并进行 D打印,最终得出逆向建模能够获取较高精度的叶轮模型,D打印能够快速高效地打印叶轮模型,从而为解决叶轮加工难度大、工序复杂等问题提供了一种新方法,也为缩短产品生产周期提供了便捷.关键词:G e o m a g i cD e s i g nX;叶轮;逆向建模;D打印中图分类号:TH 文献标识码:A文章编号:()R e s e a r c ho nR e v e r s eM o d e l i n ga n d DP r i n t i n go fE n g i n e I m p e l l e rZ H A N GJ i n g(W u x iE l e c t r o m e c h a n i c a lB r a n c h,J i a n g s uU n i t e dC o l l e g eo fT e c h n o l o g y,Wu x i,J i a n g s u ,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t op r o d u c eh i g h p r e c i s i o n i m p e l l e r e f f i c i e n t l y,t h e l a s e r s c a n n e r i su s e d t os c a n t h eo r i g i n a l i m p e l l e r o f e n g i n e,t h ep o i n t c l o u dd a t a i sp r o c e s s e d,a n dt h em o d e l i sr e c o n s t r u c t e db yu s i n gt h er e v e r s em o d e l i n gs o f t w a r eG e o m a g i cD e s i g nX,c o m p a r i n gt h er e c o n s t r u c t e dd a t aw i t ht h eo r i g i n a l,a n dt h e n Dp r i n t i n gi su s e d,i t i sc o n c l u d e dt h a t t h e i m p e l l e rm o d e lw i t hh i g hp r e c i s i o nc a nb eo b t a i n e db yr e v e r s em o d e l i n g,a n dt h e i m p e l l e rm o d e l c a nb ep r i n t e dq u i c k l ya n de f f i c i e n t l yb y Dp r i n t i n g T h u s,i tp r o v i d e san e wm e t h o dt os o l v e t h ep r o b l e m so fd i f f i c u l tm a c h i n i n ga n dc o m p l e xw o r k i n gp r o c e d u r eo f i m p e l l e r,a n d i t a l s op r o v i d e sc o n v e n i e n c e f o r s h o r t e n i n gt h ep r o d u c t i o nc y c l eo f t h ep r o d u c t K e yw o r d s:G e o m a g i cD e s i g nX;i m p e l l e r;r e v e r s em o d e l i n g;Dp r i n t i n g随着智能制造水平的提升,新工艺新技术必将逐渐淘汰低端制造.如何快速的进行产品创新设计与制造,提升生产效率,降低生产成本,满足市场需求,显得尤为重要.逆向工程技术能够快速地实现产品的改型与创新设计,完成新产品的开发,是实现新产品、新工艺、新技术的重要纽带,在工业生产中应用越来越广泛.本文以发动机叶轮为例,利用先临 D扫描仪对叶轮原件进行扫描,获取点云数据并进行数据预处理,利用正逆向设计软件G e o m a g i cD e s i g nX进行模型重构,再利用G e o m a g i cC o n t r o lX软件进行误差检测分析,最后利用 D打印技术打印出叶轮模型,完成逆向建模及打印的研究.逆向建模 逆向建模的含义逆向工程(R e v e r s eE n g i n e e r i n g,R E)也称反求工程,根据获取已有产品的数字模型,反向推算出其设计参数,进而做出合理的逆向研究和分析,完成“从实物到C A D模型,再到实物”的生成过程,能快速实现产品的创新优化设计,得到新产品.逆向建模主要包括原产品点云数据的获取,数据处理,C A D模型重构几个阶段,其技术领域发展较为完善,尤其对于建模难度较大的产品,如叶片等零件,能够降低其产品开发的难度,缩短开发周期.逆向建模软件G e o m a g i cD e s i g nX介绍G e o m a g i cD e s i g nX是美国 DS y s t e m s公司推出的三个模块(即G e o m a g i cD e s i g nX、G e o m a g i cC o n t r o lX和G e o m a g i cW r a p)之一,主要用于参数化逆向建模,对处理好的点云进行三角面片化处理,通过领域划分、面片拟合等方式,形成几何曲面,再对封闭的曲面进行修剪缝合,形成与点云相一致的实体.G e o m a g i cD e s i g nX的重点是逆向功能,可以在点云数据的基础上将重构模型的曲面生成实体;同时具备正向功能,通过创建二维或三维草图生成实体,最终实现正向建模与逆向建模的相辅相成.点云数据的采集与处理为了进行模型重构,实现逆向建模,先要获得较高精度的点云数据.本文采用的扫描仪器是先临 D扫描仪E i n S c a nS P高精度扫描仪(如图(a)所示),该设备采用激光扫描.首先要对叶轮进行喷涂处理,避免零件反光,然后将零件放在全自动转台上(如图(b)所示),设置对应的参数,如转动的周数,转台旋转结束即完成扫描过程.根据叶轮结构特征采用拼合扫描方式,将两次不同方位的扫描结果进行拼合,借助其对应软件对扫描结果进行处理(如图(c)所示),最终将预处理好的点云数据以S T L格式导出.叶轮模型重构对叶轮模型重构,逆向建模的一般流程如下(如图所示).图数据采集图叶轮逆向建模流程图 导入模型将叶轮的S T L格式的点云数据导入到逆向建模软件G e o m a g i cD e s i g nX中,进行模型重构操作.坐标系对齐导入的叶轮模型,通过切换视角工具发现,模型自身的坐标系与软件中的坐标系不匹配(如图(a)所示),需 进 行 坐 标 系 对 齐 处 理,让 模 型 坐 标 与G e o m a g i cD e s i g nX坐标重合.对齐方式有两种,分别是 对齐(也叫面线点对齐)和XYZ对齐.根据叶轮的结构特征,本文选取 对齐方式.通过多点法创建叶轮模型的底座所在平面,在面片草图设置中,选择刚建好的平面,拖拽箭头,切割出叶轮底部特征轮廓,对特征轮廓进行编辑,画出一条中心线.点击手动对齐按键,依次选择创建好的面线点,勾选对齐.操作完毕后,切换视角,发现模型的自身坐标系与软件的坐标系重合,即完成叶轮模型的对齐(如图所示).图坐标对齐 回转体创建叶轮结构由传动轴和叶片两部分组成,本文先进行传动轴回转体的创建,再进行叶片的创建.面片草图中选择回转投影,先获取回转体的投影,并创杨 凌 职 业 技 术 学 院 学 报第 卷建草图,再通过回转命令,创建实体.点击体偏差命令,将创建好的回转体与其原始扫描数据进行比较,来判断建模的精度,如果体特征偏差太大,可以及时对模型的草图尺寸等参数进行调整,以确保创建的实体都在合理偏差范围内(如图所示),从而获得较精确的模型.图回转体创建 领域划分领域是指模型表面的色块,色块附着于S T L三角面片之上,反映了模型的特征.领域可以提取出S T L模型的形状和尺寸信息,是拟合面片的重要依据,领域划分的准确程度,直接影响拟合面片的精度.领域划分有自动分割和手动分割两种方法.自动分割是系统自动识别点云数据 D特征,直接进行特征领域划分,对于敏感度的设定,参数值越大,分割领域越精细.如果模型大面较多,比较规整,即可使用自动分割以快速获得领域.由于叶轮的结构较为复杂,采用手动划分领域较为合适.手动分割简单便捷,借助工具栏的画笔、涂刷、延伸至相似等工具进行手动选择划分,灵活性强,可根据自己需求自主地进行领域划分.选择叶轮中一个点云质量最好的叶片,对其曲面特征进行手动领域划分(如图所示),点击插入领域进行确认.面片拟合对叶片两个主要曲面插入的领域进行面片拟合,对于其他轮廓表面,则采用创建两个叶片的回转面片,最终形成将一个完整叶片完全包裹着的面片(如图(a)所示),再进行修剪等操作,生成一个由面片包围着的叶片(如图(b)所示).叶片实体创建将修剪好的面片进行缝合,由于包裹着一个完整叶片的所有面片是封闭的,缝合好后即生成叶片的实体(如图(a)所示).叶轮实体模型导出对单个叶片实体进行阵列操作,再与之前生成的回转体进行合并,最终完成叶轮的逆向建模(如图(b)所示).通过体偏差功能可以看出,该实体误差都在可接受的范围以内(如图(c)所示).图手动划分领域图面片拟合图叶轮实体第期张 晶:发动机叶轮的逆向建模与 D打印研究数据对比将叶轮模型的s t l扫描文件与通过逆向软件建模得到的叶轮实体s t p文件,导入到G e o m a g i cC o n t r o lX软件中进行比对.选择叶片上有典型特征的几个点(如图所示),将逆向结果与初始的点云数据进行对比,得出可视化的误差分析,如表所示,数据显示两者的偏差值较小,最大偏差 ,最小偏差 ,均在可以接受的误差范围内.图特征点数据表比对结果名称最小最大平均RM S标准偏差离散平均平均 D比较 名称公差偏差参考位置XYZ测试位置XYZ D比较 D比较 D比较 D比较 D比较 D比较 D打印将逆向建模重构的叶轮实体转化成S T L格式的实体数据,导入到S H I N I NG D软件中,对打印的参数如选材、层厚、填充物、温度、支撑等进行设置.一旦设置好参数,点击准备,可以看到打印的相关状态,如成品的尺寸大小、层数、打印时间、所需的耗材等等,拖拽层数,可以看到分层堆叠的打印的状态.预览没有问题时,点击保存,打印的文件数据将直接存储到移动硬盘中,其数据类似机床加工的刀路,打印机可直接打印.按下开始键进行打印,打印出成品如图 所示.图仿真打印过程图 成品(下转第 页)杨 凌 职 业 技 术 学 院 学 报第 卷P E N GDY,R O B I N S ONDBAn e wt w o c o n s t a n t e q u a t i o no f s t a t eJ I n d u s t r i a l&E n g i n e e r i n gC h e m i s t r yF u n d a m e n t a l s,():G R A B O S K IMS,D AU B E R TTEA m o d i f i e ds o a v ee q u a t i o no f s t a t e f o rp h a s ee q u i l i b r i u mc a l c u l a t i o n s S y s t e m c o n t a i n i n gh y d r o g e nJI n d u s t r i a l&E n g i n e e r i n gC h e m i s t r yP r o c e s sD e s i g na n dD e v e l o p m e n t,():F A U R EF,R O U S S E A UB,L A C HA T V,e t a l M o l e c u l a r s i m u l a t i o no f t h e s o l u b i l i t ya n dd i f f u s i o no f c a r b o nd i o x i d ea n dh y d r o g e ns u l f i d e i np o l y e t h y l e n em e l t sJ F l u i dP h a s eE q u i l i b r i a,():S A F AM I R Z A E I M,MO D A R R E S S H,MOH S E N N I A MM o d e l i n gt h eh y d r o g e ns o l u b i l i t yi n m e t h a n o l,e t h a n o l,p r o p a n o la n d b u t a n o lJF l u i dP h a s eE q u i l i b r i a,():S A F AM I R Z A E IM,MO D A R R E S SHH y d r o g e ns o l u b i l i t y i nh e a v yn a l k a n e s;m o d e l i n ga n dp r e d i c t i o nb ya r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kJF l u i dP h a s eE q u i l i b r i a,():ME R K E RT,V R A B E CJ,HA S S EH G a s s o l u b i l i t yo fc a r b o nd i o x i d ea n do fo x y g e ni nc y c l o h e x a n o lb ye x p e r i m e n t a n dm o l e c u l a r s i m u l a t i o nJ T h eJ o u r n a lo fC h e m i c a lT h e r m o d y n a m i c s,:L A LD,O T T OFD,MA THE R A E S o l u b i l i t yo fh y d r o g e n i nA t h a b a s c ab i t u m e nJF u e l,():R ON Z ED,F ON GA R L AN DP,P I T AU L TI,e ta l H y d r o g e ns o l u b i l i t y i ns t r a i g h t r u ng a s o i lJ C h e m i c a lE n g i n e e r i n gS c i e n c e,():朱天星,凌开成,申 峻,等氢气在煤液化油中溶解度的测定J煤炭转化,():牟学春,凌开成,张海军氢气在煤焦油中平衡溶解度的研究J煤炭转化,():C A IH Y,S HAWJM,CHUNGK HT h e i m p a c to f s o l i da d d i t i v e so nt h ea p p a r e n ts o l u b i l i t yo fh y d r o g e n i np e t r o l e u mf r a c t i o n s a n dm o d e l h y d r o c a r b o n l i q u i d sJ F u e l,():D I N GFX,CH I AN GSH,K L I N Z I NGGE H y d r o g e ns o l u b i l i t y i nc o a l l i q u i d(S R C)F u e l,():L I A W SJ,C H I A N GSH,K L I N Z I N GGEH y d r o g e ns o l u b i l i t yo fh y d r o g e n m e t h a n e t e t r a l i n a n d h y d r o g e n e t h a n e t e t r a l i n s y s t e m s a t e l e v a t e d t e m p e r a t u r e s a n dp r e s s u r e s F u e l,():B R UN N E RE S o l u b i l i t yo fh y d r o g e n i n o r g a n i cs o l v e n t sa t ,a n d KJ J o u r n a l o fC h e m i c a l&E n g i n e e r i n gD a t a,:P A R KJ,R O B I N S ONRLJ,GA S EM KA S o l u b i l i t i e so fH y d r o g e n i nH e a v yN o r m a lP a r a f f i n s a tT e m p e r a t u r e sf r o m t o Ka n dP r e s s u r e st o MP aJ J o u r n a lo fC h e m i c a la n dE n g i n e e r i n gD a t a,():P A R KJ,R O B I N S O NRLJ,G A S EMKA S o l u b i l i t i e so fH y d r o g e n i nA r o m a t i cH y d r o c a r b o n s f r o m t o Ka n dP r e s s u r e st o M P aJ J o u r n a lo fC h e m i c a l&E n g i n e e r i n gD a t a,():(上接第页)结论对于叶轮等复杂结构的零件,使用传统的加工方式难以实现其完整加工,这时候就需要借助逆向建模以及 D打印这些新型的加工技术.本文以案例的形式重点讲述了利用逆向工程软件G e o m a g i cD e s i g nX对 发 动 机 叶 轮 进 行 模 型 重 构,借 助G e o m a g i cC o n t r o lX软件对模型与原件进行比对,再结合 D打印技术完成产品快速制造,有效地降低了其产品开发的难度,缩短开发周期,为同类产品的生产与制造提供思路和方法.参考文献:刘芳芳浅谈基于G e o m a g i c的逆向建模及 D打印J机械装备研发,():李小明基于G e o m a g i cD e s i g nX的产品建模研究与 D打印成型 以内燃机连杆为例J内燃机与配件,():汪 勇,王沙晶基于G e o m a g i cD e s i g nX的工业产品逆向建模技术研究J信息技术,():何秀超,夏会芳吹风机的逆向建模及 D打印J机械工程与自动化,():陈恩雄基于G e o m a g i c航空发动机叶片逆向建模与误差检测分析J现代制造技术与装备,():夏亚涛基于G e o m a g i cD e s i g nX中面片拟合、放样向导的研究J机械管理开发,():白宇翔基于G e o m a g i cD e s i g nX的航空活塞发动机机匣逆向建模J机械工程师,():第期吉顺峰,等:高温高压条件下石油馏分中氢气溶解度测定的研究