解 辉，雒钰花，徐家忠，宁 栋

（1.陕西国防工业职业技术学院 智能制造学院，陕西 西安 710300；2.西安近代化学研究所，陕西 西安 710065）

现阶段，我国在军工领域取得了长足进步。随着计算机技术的发展，机械设计方法也逐渐从传统的正向设计方法逐渐转向以逆向设计方法为主。逆向工程技术，又称反求工程技术，是指利用数字化扫描设备（如激光扫描仪等）得到物体的外形参数，再将该参数转化成数字化模型的方法[1，2]。该方法适用于任何零件的建模，对于复杂零件的建模和创新设计具有重要意义[3，4]，已被广泛应用于航空、汽车、电器、摩托车等产品的优化与创新设计。研究逆向工程的新理论、新方法，对推动工业化建设具有积极意义[5，6]。叶轮作为航空发动机、涡轮增压器、压缩机等现代机械动力装置的关键零部件，具有结构复杂、加工难度大的特点。因此该文以叶轮为研究对象，通过逆向工程技术，对缺损的部件进行修复，并建立参数化模型。

1 叶轮样件介绍及逆向设计流程分析

本文以航空叶轮为研究对象，所用仪器及设备有Win3D 型三维扫描仪，点云参数化处理及曲面封装软件Geomagic Wrap，逆向建模软件Geomagic Design X。模拟叶轮在外界力作用下的变形情况，对叶轮进行了破坏，为叶轮的修复研究提供模型，如图1所示。

图1 叶轮

逆向工程是将物体转化为数字化模型的专业技术，是新型产品设计的重要手段，尤其对于不规则曲面的设计，具有重要意义。因此，近年来得到了快速发展。逆向设计的流程如图2 所示。该方法结合了正、逆向设计的优势，是一种新型建模手段，可有效解决异形结构零件建模困难的问题。

图2 逆向设计的基本流程图

2 Win3D-M 扫描系统

本文以Win3D-M 扫描仪作为数据采集工具来进行注射叶轮的数据采集。采用先进的电外差光栅相移测量技术，首先将光栅条纹投射到被扫描工件表面，光栅条纹的幅度和相位被调制。被调制后的条纹经Win3DD 三维扫描系统相机采集到专用计算机，最后采用独特的解调方法将携带工件深度信息的相位解调出来，得到工件的三维信息，即三维世界坐标。对工件进行面扫描的非接触式三维光学扫描方式，可针对外观复杂、自由曲面、柔软易变形或易磨损的物体进行表面数据获取，超越传统激光扫描仪的精度低、效率差及行程限制等缺陷，增强的计算方法可对深色物体进行扫描，避免显影剂的喷涂与清洗工作。Win3D-M扫描仪随附的专业数据采集及优化软件Win3DD/Geomagic Wrap，为三维数据的扫描和测量提供了强大的支持Win3DD 扫描系统如图3 所示。

3 注射叶轮的点云数据获取

三维数据获取的具体步骤[7]：①对工件进行喷涂专用显像剂；②对设备进行调整；③对Win3D 扫描系统进行标定精度（0.020～0.040）；④将Win3D 扫描仪的附件二维转盘（规格为ø360×6mm）放置合适位置；⑤对二维转盘和工件贴专用标志点；⑥对工件进行扫描；获得数据。在工件表面均匀喷涂显像剂等待风干后，放置贴过标志点的二维转盘上（二维转盘上的标志点位置应无规律贴放，避免由于标志点对称而导致数据采集的失败等），如图3所示。将扫描仪头调整到合适的位置，投影仪到二维转盘的距离约为600mm（可用一张白纸测验：两十字重合约为600mm）。使用Win3D-M系统在扫描的过程中应注意扫描仪的视野内必须有3～4 用来确定位置的点。测量设备的单幅扫描时间＜3s，扫描空间误差为0.03 mm 以下，以满足工程要求，针对体积较大工件表面扫不完整的可在保持标志点扫描数量的前提下挪动二维转盘或用专用黑垫块适当垫起转盘底部一角使扫描盲区减小同时也减小数据偏差。扫描过程中必须保持实物和二维转盘之间的平稳性。如果扫描过程中工件和二维转盘之间的相对位置发生变化则会影响整个件的扫描精度甚至使扫描数据直接失败。注射叶轮的扫描数据采集工作现场如图4 所示。

图3 扫描仪扫描系统及辅件

图4 叶轮的点云采集

4 三维数据的封装、简化、修补、后处理

由于受外界光线和被测物体表面质量的影响，用Win3D-M 扫描仪采集数据时经常会出现一些异常数据（如“二维转盘表面杂点”、“扫描仪镜头灰尘点”等）。影响曲面重构的精确性。为保证后续曲面重构点云数据的精确性，我们需要将这些异常点除去，故在进行模型的逆向重构前需要先对扫描所得点云数据进行预处理。在去除异常数据过程中，以角度和弦高差作为判断依据，在平滑光顺过程中，采用平均值、高斯分布和中值滤波等方法。逆向工程研究的数据精简方法主要针对滤波过后的点云数据。首先是封装点云，将叶轮点云转为网格以点云对象转成多边形对象；第二步简化数据，减少三角形的数目但不影响曲面细节或颜色。扫描时为了得到更精确完整的数据模型，需要对物体的不同方位进行扫描采集，这就造成点云数据叠加。软件中利用功能简化保证点云数据必要精度的前提下，减少扫描采集时所得点云数据的数量。第三步破空修补，指定填充一个完整开口。扫描过程中被扫描物体因形状、光线、表面粉质量等原因，使扫描后的点云数据部分缺失，造成封装后三角网格面有孔洞或大型钉状物存在。利用Geomagic 软件功能修补和填充，根据曲面曲率等参数对缺失或有缺陷的部分三角网格进行修补、填充。后处理重划网格、松弛、删除钉状物、减少噪声。经封装后的点云数据由于数据缺陷等原因会导致网格曲面粗糙，表面质量不光顺。利用软件功能命令对工件点云数据三角网格面进行光顺、细化三角形和钉状物的处理。三维点云数据到曲面拟合过程如图5 所示。

图5 叶轮点云

5 建立参数化模型

将三维扫描仪采集的叶轮模型点云数据，运用Geomagic Wrap 对点云数据进行参数化处理，封装成叶轮的片体参数化模型，并保存为*.stl 格式；将该*.stl 片体模型导入Geomagic Design X 软件进行实体化参数建模，如图6 所示。

图6 叶轮的逆向模型

逆向工程技术不仅缩短了叶轮产品测量与研发周期，同时简化了复杂曲面产品CAD 模型的设计流程，有效解决了传统测量与设计模式的缺陷不足。通过叶轮的逆向设计，建立了高精度的曲面模型，实现了叶轮全面的参数化三维模型构建，并通过质量分析对叶轮重建模型进行了误差评估和检测，更好地满足了叶轮的产品改型和用户定制化化需求，有利于叶轮的创新设计和后期的CAM加工。本文研究内容为叶轮的设计与制造模式提供了新的思路，同时也为相关工业产品的逆向设计提供了重要参考。

6 在教学中的应用与推广

逆向技术设计的叶轮，通常需要3D 打印技术或五轴加工技术实现制造。从1+X 政策来看，逆向技术应用与机械制造中，设计出来自战斗机的整体式叶轮零件，融入了国防教育，以军工特色为背景，教师通过内容讲解、环境影响，将军工文化、传统文化、社会责任感、民族自信心、精益求精等渗透到课堂教学中，润物细无声，使学生学到知识的同时，获得相应的1+X 证书，提升学生素养。

7 结语

以三维扫描和曲面重构技术为支撑的产品逆向工程技术在新产品设计中应用广泛，尤其是对于以自由曲面为特征的零部件的设计，针对叶轮复杂曲面重构效率低和精度光顺度低等问题，论文采用逆向工程的多种曲面重构技术，通过多种测量技术采集多组点云数据，采用除噪、平滑等技术进行点云预处理，将多组点云数据统一到同一坐标系下，采用多种重构技术相结合的方法达到快速曲面重构的目的。结果表明，该方法能够方便快捷地达到复杂曲面重构的精度和光顺度要求，具有较好的实用性。运用了逆向和正向相结合的混合设计方法完成了叶轮的曲面逆向重构与曲面造型再创新设计。该方法可用于大专院校相关专业教学，将军工文化、传统文化、社会责任感、民族自信心、精益求精等渗透到课堂教学中，润物细无声，使学生学到知识的同时，获得相应的1+X 证书，提升学生思政素养，培养对大国制造的兴趣。