液力變矩器工作輪的測(cè)繪與反求

1、液力變矩器工作輪的測(cè)繪與反求七一一研究所 張錫杰 何 芳 林 義摘 要：本文介紹了液力變矩器復(fù)雜葉柵測(cè)繪和反求的具體過(guò)程，通過(guò)硅橡膠制模、光柵掃描測(cè)繪、三坐標(biāo)測(cè)量等方法獲得流道的形狀和位置，使用Imageware處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，用UG完成最終的葉輪造型。關(guān)鍵詞：液力變矩器 曲面反求 測(cè)繪 硅橡膠鑄模 光柵掃描1 前 言 開(kāi)發(fā)新型液力變矩器最大的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于它工作輪的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的好壞直接決定了變矩器性能的優(yōu)劣。按照傳統(tǒng)的一維束流設(shè)計(jì)理論，工作輪葉片的設(shè)計(jì)具有很大的隨意性。設(shè)計(jì)過(guò)程中要設(shè)置的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)多達(dá)幾十個(gè)，很多都要取決于設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，最終的設(shè)計(jì)結(jié)果還需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行多次修改。而國(guó)際上對(duì)于真

2、實(shí)流場(chǎng)三元流的設(shè)計(jì)方法還處于研究和探討階段，直接應(yīng)用于生產(chǎn)廠家還為時(shí)尚早。目前，國(guó)內(nèi)液力變矩器廠家的設(shè)計(jì)水平參差不齊，相對(duì)于國(guó)際先進(jìn)水平有較大差距。對(duì)于我們，首先要做的是消化和吸收國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)而迎頭趕上。以先進(jìn)的實(shí)物作為研究對(duì)象，應(yīng)用現(xiàn)代先進(jìn)的反求方法、液力設(shè)計(jì)等專業(yè)知識(shí)對(duì)之進(jìn)行深入的分析和研究，探索并不斷掌握其關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)用到我們的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。2 測(cè)繪方案的選擇 通常的測(cè)繪方法是使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)繪。而液力變矩器的工作葉片均是由復(fù)雜的空間三維扭曲不可展曲面構(gòu)成，葉片間的流道狹小而扭曲，葉柵流道遮擋嚴(yán)重。三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的探針無(wú)法進(jìn)入流道內(nèi)部，只能測(cè)得入、出口段的流道數(shù)據(jù)點(diǎn)，而且每更換

3、一次探頭的測(cè)量角度都要進(jìn)行零點(diǎn)校正。也有人用自制的彎曲探針進(jìn)行測(cè)量，效果良好，但精度無(wú)法與測(cè)量探頭相比。用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量，速度慢、勞動(dòng)強(qiáng)度大、數(shù)據(jù)點(diǎn)較少而且分布有較多人為干預(yù)，不采用破壞式的葉輪剖切很難將葉片完整、精確測(cè)繪出來(lái)。近年來(lái)，隨著機(jī)器視覺(jué)技術(shù)和光電技術(shù)的發(fā)展，用非接觸式的光電方法對(duì)曲面三維形貌、形狀進(jìn)行快速測(cè)量成為大趨勢(shì)。非接觸式測(cè)量方式特點(diǎn)是：測(cè)量過(guò)程中測(cè)頭不接觸被測(cè)表面，避免了接觸式測(cè)量中測(cè)頭半徑補(bǔ)償帶來(lái)的麻煩和被測(cè)表面的劃傷，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各表面進(jìn)行高速測(cè)量。相對(duì)于三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x，光柵掃描具有曲面數(shù)據(jù)量大、曲面精度高、勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)。在本次測(cè)量中每個(gè)流道約由8萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)成，這是

4、傳統(tǒng)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x所不能企及的。 為了不破壞工作輪，我們選取制模的方法獲得葉片的曲面形狀。擬將幾個(gè)葉輪流道的出口處封死，灌入工程塑料或硅橡膠，待其固化后取出，進(jìn)行光柵掃描。由于流道扭曲程度很大，在取模過(guò)程中，固化的材料會(huì)受到流道的嚴(yán)重?cái)D壓。因而要求灌入的材料具有非常好的彈性和抗拉強(qiáng)度，在受壓嚴(yán)重變形后能夠很好恢復(fù)原有的形狀，鑒于此，我們選取彈性好的硅橡膠作為制模的材料。 經(jīng)過(guò)深入探討和理論分析，我們最終采擇了硅橡膠制模、光學(xué)三維測(cè)量系統(tǒng)掃描、三坐標(biāo)入出口標(biāo)記、參考入出口厚度的反求策略。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)該方法是切實(shí)可行的，總體效果良好，值得借鑒。3 具體測(cè)繪過(guò)程a測(cè)量工作輪測(cè)量葉輪的外圓、長(zhǎng)度、深度、孔

5、徑、螺孔、花鍵等常規(guī)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確獲得葉輪入出口流道的直徑、深度。b 硅橡膠制模：1）硅橡膠的選擇：硅橡膠要選擇質(zhì)量好的專業(yè)硅橡膠，最好是進(jìn)口的模具硅橡膠。要求材料線性收縮率小，拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度大。顏色最好是純白色，這樣有利于光學(xué)三維掃描儀進(jìn)行掃描。2）將變矩器的三個(gè)工作輪去污漬，清洗干凈，晾干。仔細(xì)查看各個(gè)流道，選擇無(wú)鑄造缺陷、流道壁比較光順的相鄰兩個(gè)流道作為取模的對(duì)象，并做好標(biāo)記。3）將流道下端密封好4）將硅橡膠倒入攪拌容器，按配比加入膠粘劑、固化劑，充分?jǐn)嚢杈鶆?。將攪拌均勻的硅橡膠慢慢倒入密封好的流道型腔中。5）確認(rèn)硅橡膠完全固化后，在葉片入、出口方向的圓弧頂端做好標(biāo)記，用美工刀沿標(biāo)記仔細(xì)

6、將硅橡膠剖開(kāi)，從流道上端將硅橡膠取出。取出的硅橡膠模如圖1、圖2、圖3所示。 圖1 泵輪硅橡膠模 圖2 渦輪硅橡膠模圖3 導(dǎo)輪硅橡膠模c掃描硅橡膠模 用光學(xué)三維測(cè)量系統(tǒng)對(duì)硅橡膠模進(jìn)行掃描，準(zhǔn)確獲得硅橡膠模的三維幾何信息。 我們使用的是德國(guó)“GOM”公司生產(chǎn)的ATOS移動(dòng)式光學(xué)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x（也叫光柵掃描儀、視覺(jué)測(cè)量?jī)x，圖4），該設(shè)備利用二組CCD鏡頭從不同方位取數(shù)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，對(duì)于硅橡膠模的定位精度可以精確到0.003。測(cè)量時(shí)，不斷變換測(cè)量攝像頭的位置和角度，逐漸獲得所有所需的三維幾何信息。掃描最后的數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)為十幾種格式，建議存儲(chǔ)為asc和iges格式，大部分的點(diǎn)云處理軟件都可以進(jìn)行讀取。

7、圖4 光學(xué)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x圖5 掃描獲得的泵輪型芯點(diǎn)云圖 圖6 掃描獲得的渦輪型芯點(diǎn)云圖d對(duì)入出口位置進(jìn)行測(cè)量 將工作輪去除硅橡膠殘?jiān)?，清洗干凈。用三坐?biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量入出口圓弧的位置。在每一個(gè)位置可以測(cè)量34條線，每條線取45個(gè)點(diǎn)，以便準(zhǔn)確獲得入出口的形狀和位置。e測(cè)量入出口的厚度 由于工作輪是鑄造件，為了避免測(cè)量的偶然性，應(yīng)該選擇不同葉片，進(jìn)行多次測(cè)量取平均值。4 數(shù)據(jù)處理和反求a處理點(diǎn)云數(shù)據(jù) 使用EDS公司的Imageware逆向工程處理和設(shè)計(jì)軟件，將點(diǎn)云擬合成曲面。該軟件是UGNX2.0的一個(gè)分支模塊，可以和UG進(jìn)行數(shù)據(jù)互通。下面以泵輪為例，簡(jiǎn)述反求的過(guò)程。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理時(shí)，需要把每個(gè)面單獨(dú)處

8、理。利用放大、旋轉(zhuǎn)、剪切等命令把每個(gè)面上的點(diǎn)云處理光順，擬合成曲面，并用空間樣條線畫(huà)出點(diǎn)云的邊界線，以供曲面對(duì)齊用。如圖7所示。察看點(diǎn)云與曲面的距離分析，如果點(diǎn)云與曲面的距離過(guò)大，就應(yīng)該繼續(xù)修剪點(diǎn)云，再次生成曲面。如圖8。 圖7 泵輪點(diǎn)云生成的曲面 圖8 點(diǎn)云、曲面距離分析bCAD三維建模這項(xiàng)工作比較繁重，是本次工作中的重頭，決定最終測(cè)繪與反求的結(jié)果，需要造型者具有液力變矩器工作輪的造型經(jīng)驗(yàn)和部分設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。 1）使用UGNX2.0 先把工作輪的三維外形（葉片除外）建立起來(lái)，循環(huán)圓的數(shù)據(jù)可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)大體自己手畫(huà)一個(gè)，接下來(lái)還要修改的。2）讀入Imageware建立的外環(huán)和內(nèi)環(huán)曲面和曲線。根據(jù)入出

9、口的尺寸和曲面相對(duì)于圓環(huán)面的貼合度，利用UG的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等命令，確定內(nèi)環(huán)和外環(huán)的曲面定位，繼而獲得循環(huán)圓的形狀，如圖9。用這個(gè)循環(huán)圓形狀替代原來(lái)的循環(huán)圓，得到?jīng)]有葉片的工作輪外形。圖9 在UG中對(duì)齊曲面 3）畫(huà)出三坐標(biāo)測(cè)量的入出口位置線段。4）讀入葉片凹面、凸面和他們相鄰的內(nèi)外環(huán)面，根據(jù)內(nèi)外環(huán)面的位置和入出口位置定位好凹面，然后定位凸面，如圖10所示。最后根據(jù)葉片入出口的厚度進(jìn)行微調(diào)。圖10泵輪曲面定位過(guò)程線框圖 5）求出內(nèi)外環(huán)面和葉片凹、凸面的交線（如果沒(méi)有交線可將凹、凸面進(jìn)行曲面延拓），作為葉片的流線數(shù)據(jù)。 6）將葉片的每條流線等分成若干段（在這里我等分了12段），根據(jù)流線的光順性和入出口

10、的位置、厚度，并結(jié)合以往同類型葉片的造型經(jīng)驗(yàn)，對(duì)各段進(jìn)行微調(diào)，特別是入出口處的流線段。 7）以過(guò)點(diǎn)的方式將等分的13個(gè)點(diǎn)擬合成B樣條曲線，結(jié)合截面線進(jìn)行葉片的曲面造型。 8）將葉片的各個(gè)曲面結(jié)合成為一個(gè)葉片實(shí)體，如圖11。并重新察看入出口的位置，如果偏離則返回到第6步重新微調(diào)，如果偏離的較嚴(yán)重則應(yīng)返回到第4步重新調(diào)整葉片流道面的定位。圖11 泵輪葉片圖 圖12泵輪圖 9）將造型好的葉片實(shí)體繞葉輪的中心旋轉(zhuǎn)線旋轉(zhuǎn)復(fù)制，最終完成工作輪的造型。如圖12、圖13、圖14所示圖13渦輪圖 圖14導(dǎo)輪圖5總結(jié)和展望本次測(cè)繪相對(duì)以往的三坐標(biāo)接觸式測(cè)量，大幅度減少了測(cè)繪時(shí)間，而且UG的三維模型可直接用于模具的造型和數(shù)控機(jī)床加工，大大減輕了測(cè)繪和設(shè)計(jì)人員的工作量。但是也應(yīng)該看到：我們所用來(lái)測(cè)繪的工作輪是鑄件，本身就存在誤差，即使是用游標(biāo)卡尺來(lái)測(cè)量工作輪，每次測(cè)量的結(jié)果都會(huì)存在不同，這就給后續(xù)的造型工作統(tǒng)一數(shù)據(jù)帶來(lái)困難，而且我們選擇用來(lái)制模的流道也存在很大的偶然性。在造型過(guò)程中很大程度要依賴造型者的對(duì)于變矩器的經(jīng)驗(yàn)和理解。任何反求的結(jié)果都不可能100%與原