周信安，宁 栋，徐家忠，潘俊兵

（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）

为积极响应国家“中国制造2025”的强国战略，培养技能人才的力度不断加大，特别是复杂部件多轴加工技能人才的培养工作迫在眉睫。在制造行业中，大量的企业和高校尤其是高职院校都不断加大投入力度，完善软、硬件配套设施。然而，在进行多轴设备的考察、选型、购置和验收等方面，一些企业和高校存在经验不足和方法不当的问题，具有一定的盲目性。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[1～3]。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[4，5]。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[6，7]。飞机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。因此该文以飞机叶轮为研究对象，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 飞机叶轮样件介绍

本文以航空飞机叶轮为研究对象，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。模拟飞机叶轮在外界力作用下的变形情况，对飞机叶轮进行了破坏，为飞机叶轮的修复研究提供模型，如图1 所示。

图1 飞机叶轮

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飞机叶轮的数据采集。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2 所示。

图2 扫描仪扫描系统及辅件

3 飞机叶轮的点云数据获取

三维数据获取的具体步骤[8，9]：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 个用来确定位置的点。针对体积较大工件一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。飞机叶轮的扫描数据采集工作现场如图3 所示。

图3 飞机叶轮的点云采集

完成点云采集后，首先需要封装点云，将飞机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。

4 建立飞机叶轮的参数化模型

将三维扫描仪采集的飞机叶轮模型点云数据，运用Geomagic Wrap 对点云数据进行参数化处理，封装成飞机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（图4）。

图4 飞机叶轮的逆向模型

5 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，针对飞机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飞机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，提高学生的创新设计能力，培养对大国制造的热情。