1绪论

1.1课题的研究背景及意义

随着社会经济的迅速发展，市场全球化使得各国家以及各企业之间的竞争愈演愈烈，这就使得如何在激烈的竞争中求生存和发展成为了各国家、各企业值得深思的问题。目前，为更快、更好发展各自经济和壮大各自制造实力，引进国外先进技术并加以消化吸收，同时在此基础上实现创新，进而发展成自己的技术已成为各国、各企业普遍采取的的技术手段。而事实也进一步证明了技术引进从一定程度上促进了国民经济的高速增长，而要掌握这些技术就需要通过逆向工程来实现。通过逆向分析可以了解到设计者的设计意图，再结合逆向工程技术，建立其三维数字化模型，在原有基础上进行再设计，来实现引进技术的消化吸收和二次创新。随着计算机、激光测量和数控加工技术的快速发展，逆向工程技术现已广泛的应用于各国的航空航天领域。而一个国家的国防力量、经济实力和科技水平主要是通过其航空航天制造业水平来体现的，因此逆向工程技术在航空航天领域的应用对各国都有着重要的经济意义和军事意义。航空发动机叶片，作为航空动力装置发动机的重要部件，是航空发动机研制的关键，但同时也是发达国家严格控制和封锁的核心技术。此核心技术目前只有美、英、俄、法等少数国家掌握，且叶型参数核心数据掌握在各自生产商手里，由于对别国技术的封锁，故无法得到其初始设计的三维 CAD 模型和相关参数。对现有的发动机叶片应用逆向工程技术，分析其叶型规律，在此基础上得到所需的三维 CAD 模型，对我国航空发动机叶片的设计制造水平的提高有着重要的意义。

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1.2逆向工程概述

逆向工程（RE，Reverse Engineering）又称之为反求工程、反向工程。它不同于传统正向工程从图纸→产品的过程，一般来说，它是一个由实物→图纸→ 零件的过程，即对现有的零件或实物原型，利用三维数字化测量设备准确、快速地测量出实物表面的三维坐标点，并根据这些坐标点通过三维几何建模方法重构实物 CAD 模型的过程[3-4]。但逆向工程不是对已有产品简单的“复制”，而是对技术的消化吸收以及在此基础上的改进、创新的过程。它是根据已经存在的产品或实物原型来构建产品或实物的数字化模型，在此基础上对已有产品进行分析、深化和改进，是对已有设计的二次设计[5]。逆向工程是在对已有的较先进产品的设计理念、结构组成和装配工艺等方面进行深入剖析的基础上，研发出结构、功能等方面类似原产品但却比原产品功能更强、更为先进的新产品的过程。简单来说就是一个“认识产品原型→再现产品原型→超越产品原型”的过程，其流程图如图 1-1 所示。逆向工程的设计过程可分为以下四个阶段[6]：

（1）实物原型数字化。一般采用三坐标测量机或三维激光扫描仪来获取实物原型表面的三维坐标点。

（2）提取实物原型的几何特征。对所采集到的数据按其几何属性进行数据分块，并采用几何特征匹配与识别的方法来提取实物原型所具有的设计与加工特征。

（3）实物原型的模型重构。通过 CAD 系统将分块后的点云数据分别做曲面片拟合，并通过各曲面片的求交和连接，来得到实物原型的重构模型。

（4）重构模型的检验与修正。对所得到的重构模型，采用重新测量和加工出样件的方法来检验重构模型的精度或其他试验性能指标的要求。对不满足要求的重构模型重复以上过程进行修改，直到满足设计要求。

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2三维数据信息的采集

2.1数据信息采集方法

逆向工程实现的第一个步骤就是对实物原型进行数据信息的采集，是后续数据处理、CAD 模型重建的基础。数据测量质量的好坏直接影响后续曲面重构和实体模型的质量，进而影响后面加工产品的质量，可能会使产品不能更真实的反映原实物原型的特征，因此数据采集是整个逆向设计的基础，也是很关键的一步。根据零件测量时测头是否与零件接触，通常可分为接触式测量和非接触式测量[18-19]。接触式测量方法常采用三坐标测量机或机械手臂式测量机进行测量。非接触式测量方法，常用的有激光三角形法、投影光栅法、激光干涉测量法、超声波法、自动断层扫描法、工业 CT 法等。逆向设计数据采集方法具体分类如表 2-1 所示。这种测量方法是测量设备利用测量探头与被测实体接触时触发一个记录信号，并通过相应的设备记录下当时的标定传感器数值，从而得到实体表面数据点的三维坐标值[20]。接触式测量方法一般是用三坐标测量机或机械手臂式对工件进行测量，其中以三坐标测量机的应用更为广泛。三坐标测量机有 X、Y、Z 三个方向的运动导轨，从而可以测出零件空间范围内表面点的坐标值。其具体测量原理是：将工件放在测量范围内的测量平台上，在三坐标测量空间，利用探针（大部分探头镶有一颗红宝石）去接触工件，取得工件上被测点的坐标置，然后根据这些被测点的三维坐标值，经计算求出被测工件的几何尺寸、形状和位置[21]。

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2.2三维数据信息获取方法的选择

不管是非接触式测量方法还是接触式测量方法都有其各自的优缺点，不同的实体原型由于其形状的不同及轮廓复杂程度的不同，所选择的测量方法和测量设备也不相同。所以对于要测量的零件，一定要先对零件进行分析，通过对不同测量方法和不同测量设备优缺点进行比较后，选择最优的测量方式。本课题所选用的零件是航空发动机叶片，叶身型面是由复杂的空间自由曲面组成，且呈扭曲状，又属于薄壁件。通过对以上测量方法进行比较再结合实验室现有测量设备条件，这里的测量方法选取非接触式的垂直入射式激光三角形测量法，测量设备采用深圳思锐测量技术有限公司生产的 Laser-RE 600Ⅲ型号的三维激光扫描机。本次采用的三维激光扫描机系统组成主要由机体、激光测头、控制箱和计算机四部分组成。配有激光测头的机体结构图见图 2-3。

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3 点云数据预处理及多边形优化处理.....17

3.1 多视点云数据对齐定位.........17

3.2 异常点处理.....19

3.3 点云数据精简.......21

3.4 点云三角网格化.........22

3.5 叶片多边形网格优化处理.....24

3.6 本章小结.........25

4 三维模型重构.....27

4.1 NURBS 曲线曲面基础 .....27

4.2 四边形网格生成方法概述.....30

4.2.1 直接生成方法.........30

4.2.2 间接生成方法.........31

4.3 重构曲面质量分析.....32

4.4 叶片三维模型重构及曲面光顺性分析.........35

4.5 本章小结.........44

5 航空发动机叶片重构模型误差检测.....45

5.1 重构模型误差来源.....45

5.2 Geomagic Qualify 逆向检测软件概述.....45

5.3 基于 Geomagic Qualify 的叶片检测.......46

5.4 本章小结.........54

6航空发动机叶片仿真加工

6.1叶片结构分析

本课题中所采用的航空发动机叶片是典型的薄壁零件，其叶身部分的型面是复杂的空间自由曲面，且叶身每处曲率变化比较大，同时扭曲角度变化也较大。由于叶片是航空发动机的重要部件，其工作环境相对恶劣，而叶片型面的加工质量又会影响到发动机的性能，所以对叶片加工的精度和光洁度要求比较高。由于三轴联动加工方式无法在一次装夹中完成叶片的加工，如果再进行二次装夹必然会影响叶片的加工精度，所以为了便于在一次装夹中完成叶片所有表面的加工，这里采用四轴三联动的四轴加工方式，利用第四轴的分度作用对叶片进行旋转定位。

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结论

航空发动机叶片，作为航空发动机的重要部件，是航空发动机研制的关键，也是发达国家严格控制和封锁的核心技术。其叶型复杂，多呈扭曲状，加工精度要求高且又是薄壁零件，因此其制造技术也成了各国航空航天制造业研究的一个核心技术。而逆向工程技术的引进，可以对现有技术封锁国家的叶片实现原始 CAD 模型重现，从而在引进国外叶片设计制造技术的基础上来提高本国的叶片设计制造水平，另外，也可以通过逆向工程技术来缩短叶片的研制周期。本文就是利用了逆向工程技术对一航空发动机叶片的逆向建模进行了研究，并在此基础上对构建的逆向模型进行了误差检测和仿真加工。主要完成的研究工作总结如下：

（1）通过对接触式和非接触式测量方法优缺点的比较，并根据零件自身特点确定了采用非接触式测量方法。根据实验室现有的设备条件，最终采用了三维激光扫描机完成了叶片的三维数据信息采集。

（2）在多视点云数据对齐定位理论的基础上，完成了对所采集的多片点云数据的拼合和坐标找正。在异常点处理技术和点云数据精简技术理论的指导下，完成了点云数据的除噪和精简，从而改善了测量数据的质量。通过对点云数据三角网格化即多边形化，以及相应的优化处理，达到了增强其可视化的效果，并获得了一个更加完整、光顺的多边形模型，为后续模型重构打好了基础。

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参考文献（略）