叶轮零件的逆向建模和加工仿真

0 引言

    逆向工程是通过对实物模型的几何尺寸、特征、材料等属性进行分析，利用实物测量和曲面造型技术对零件进行CAD模型重建，最终实现对零件的改进及再加工。整个逆向工程的过程为:利用激光扫描仪、三坐标测量机(CMM)或者计算机断层扫描(CT)机等设备获取零件的三维几何点数据，经逆向建模软件及CAD软件实现零件的CAD模型重构，然后再利用CAD/CAM以及CIMS等先进技术进行处理，最后通过数控加工技术或快速成型技术实现零件的再制造］。

    整体叶轮广泛应用于航空航天、船舶运输、能源开采、涡轮机械等领域。传统叶轮生产方法是铸造成型然后抛光。但由于整体叶轮通常是在高温高压的环境下工作，因此铸件的性能往往不能满足使用要求。五轴联动数控机床的刀具运动更加灵活，且加工出的零件具有很好的机械性能及优良的尺寸精度，因此非常适合加工整体叶轮这种复杂零件。

    本文将逆向工程技术应用于车用增压器压气机叶轮的加工中，将Imageware、NX、VEＲICUT软件有机结合，实现了叶轮零件的逆向建模、数控加工自动编程以及数控加工全过程仿真，最终得到准确高效的数控代码，并进行了实物加工验证。

1 零件点云数据的获取

1.1 压气机叶轮的几何构成

    压气机叶轮是一个回转体零件(如图1所示)，由轮毂和叶片两部分组成，其中压气机叶轮的轮毂部分可看成是由轮毂曲线绕中心轴旋转得到的回转型实体，叶片部分的形状是空间曲面。叶轮的包覆曲面决定了叶轮的整体外形轮廓。

图1 整体叶轮示意图

1.2 测量方案的确定

    本文使用的测量设备为海克斯康(HEXAGON)Global Classic 9128 活动桥式三坐标测量机，通过接触式测头逐点扫描叶轮零件表面获得叶轮表面的点云信息，如图2所示，根据叶轮的造型特点，对轮毂曲线和包覆曲线采用点位测量的方法测量。对叶片的吸力面和压力面采用扫描测量法，只测量其中的一对大小叶片即可。前缘部分只需在最高点处测6～7个点。

图2 三坐标测量示意图

2 零件CAD模型的重建

    压气机叶轮的CAD建模包括叶片的曲面建模和轮毂的实体建模两部分。其中曲面建模部分由Imageware软件完成，实体建模部分由NX软件完成。

    根据曲面拓扑形式的不同，目前的逆向工程研究中自由曲面建模方法分为两大类:一种是以三角贝赛尔(Bezier)曲面为基础的曲面构造方法;另一种是以NURBS(非均匀有利B样条)曲线、曲面为基础的矩形域参数曲面拟合方法。由于叶轮叶片曲面通常是通过空气动力学以及流体力学计算得到的，其点云数据不是无规则的散乱数据点。因此本文在Imageware软件中采用先将测量点拟合成曲线，再通过曲面造型的方式将曲线构建曲面(曲面片)。通过Imageware的曲面构造及NX软件实体建模最终得到如图3a所示的零件模型，图3b的零件毛坯。