基于Geomagic Design X的轴流式风机叶片逆向建模

孔艳艳

(闽西职业技术学院 机械工程系，福建 龙岩 364021)

基于Geomagic Design X的轴流式风机叶片逆向建模

孔艳艳

(闽西职业技术学院 机械工程系，福建 龙岩 364021)

以轴流式风机叶片为例，详细阐述了逆向建模的思路和流程，并利用逆向工程软件Geomagic Design X对点云数据进行处理，得到了高质量的三维模型，并通过LiveTransfer技术将模型导入到Solidworks软件中。该方法既可获得高质量的三维模型，还可缩短产品开发周期，具有较好的应用价值。

Geomagic Design X软件；逆向建模；轴流式风机叶片

轴流式风机具有结果简单、稳定可靠、噪声小的特点，通常用在流量要求较高而压力要求较低的场合。风机叶片作为轴流式风机的关键部件，其设计与制造精度直接关系到风机的使用性能。目前逆向工程的研究主要以几何形状重构的逆向建模技术为导向，以产品原型的数字化模型重构为中心，以反求产品的几何形状等为主要目标，这种方式在增强设计能力、提升效率和质量等方面具有极大的优势。[1-2]本文以风机叶片为例对零件进行逆向建模研究，通过使用扫描仪和Geomagic Design X软件快速创建零件的三维模型，这对于提高零件的设计质量和缩短产品研发周期具有重要意义。

1 风机叶片数据扫描

1.1 Win3DD三维扫描仪简介

逆向的基础是数据采集，一般是通过3D激光扫描仪来快速获取产品表面点云数据。本文使用的Win3DD扫描仪是北京三维天下公司依据德国光学扫描仪检验标准VDI/VDE2634开发的三维测量装置。该装置采用独有的相机数学模型，充分考虑各类图像畸变对数据采集的影响，结合高性能的图像处理技术及高精度的亚像素边缘检测技术，将各类误差产生的可能性降到最低；还具有易学、易用、便携、安全、可靠等特点，扫描精度达0.01～0.1mm，配套的扫描操作软件用户界面简单明了；灵活的快捷按钮和导航功能使扫描、编辑数据非常轻松方便；还具有全自动的点云拼接功能，无需用户干预，无需第三方软件，一键完成扫描过程，并且达到极高的识别精度。扫描数据支持多种数据格式输出，可与Rapidform、Imageware、Geomagic、Polyworks、CATIA、UG等软件兼容。

1.2 风机叶片数据采集

叶片几何形状数据的采集是逆向建模的关键技术之一，完整性与精度是点云性能的两个重要指标。如果边界残缺不全且表面细小，这种状况下的数据重构是无法进行下去的。为保证数据采集的完整性和精度，结合叶片形状的结构特征，扫描前应先拟定最优的扫描方案。如图1所示的叶片，一个视角无法获得叶片的全部三维数据，因此在采集过程中，需将叶轮放到三维转台上，从多个视角进行扫描。测量过程中，需将2个叶片和部分叶轮轮廓喷显像剂。为保证测量精度，先做好清洁工作再均匀喷涂，然后在贴上测量标志点，该点主要用于点云的自动拼接。在扫描时，应用扫描仪软件的全自动拼接功能和三维转台，获得风机叶片的点云数据。扫描完成后，通过删除孤点、统一采样、降噪、多边形封装、网格医生、去除特征、填充孔等功能对点云数据进行优化处理，最后得到精确的点云数据，如图2 所示。

图1 风机叶片的贴点

图2 风机叶片点云数据

2 风机叶片的逆向建模

2.1 Geomagic Design X软件简介

Geomagic Design X软件是美国3D Systems公司推出的一款功能强大的逆向设计软件，是业界最强最有效的基于3D扫描的CAD解决方案。该软件具有结合实体数模、高级曲面建模、网格编辑和点云数据处理等功能；[3]还使用独特的LiveTransfer技术，可传输完整数模包括特征树；并且能够其将模型数据传输到主流CAD软件中，如SolidWorks、Siemens NX、Autodesk Inventor和PTC Creo等。[4]

2.2 叶片的建模思路

依据风机叶片的形状特征，首先以叶轮中心孔的对称平面为水平基准面，以叶轮中心孔的轴线为基准轴线，创建逆向建模坐标系；然后使用Design X软件的领域组功能，将点云依据敏感度划分为若干个小的曲面特征领域；在应用面片草图、曲面拟合、实体剪切功能将叶片的三维数据拟合为一个实体，在使用“Accuracy Analyzer”的偏差分析功能分析曲面与网格之间的偏差；最后在完成其它特征的创建。

2.3 叶片的建模过程

(1)将风机叶片点云导入到软件环境中，在使用领域组划分功能将点云分成多个特征领域，根据需要可进行重新分割，[4]如图3所示。

图3 领域组划分

(2)创建基准平面和基准轴，在使用手动对齐坐标系功能创建风叶逆向建模坐标系，如图4所示。

图4 基准坐标系

(3)使用“面片草图”功能，投影出叶片的截面轮廓，在此基础上拟合出完整的草图轮廓，并标注尺寸，然后使用拉伸功能创建叶片轮毂。

(4)创建叶片，首先用面片草图功能投影出叶片的截面轮廓并拟合草图创建截面草图实体，在使用“曲面拟合”和 “曲面偏移”功能，创建出单个叶片的曲面，最后使用 “实体剪切”功能，创建出单个叶片的实体模型，如图5所示。

图5 单个叶片的实体模型

(5)使用“圆周陈列”命令完成其它叶片的创建，最后在创建出叶轮的其它特征，如图6所示。

图6 Design X逆向建模模型

2.4 模型的偏差分析

偏差分析主要是从定量的角度实现对逆向模型的质量检查，即原有模型与逆向模型之间到底偏离了多少，在实际应用中是否可被接受。[5]本文所用的偏差分析是通过比较扫描获得原始数据与逆向模型的吻合程度来实现。具体操作是选中“Accuracy Analyzer”面板上的“偏差”功能，将偏差的上、下限分别设为0.1、-0.1，软件就自动计算出拟合曲面和原始数据之间的偏差云图，将在许可公差范围内的用绿色显示；误差越大，颜色越接近红色，如图7所示。从图中可以看出叶片的最大偏差值都小于0.1mm，因此采用该方法构建的模型精度较高。

图7 Design X偏差分析

2.5 模型输出

该软件的LiveTransfer功能具有将逆向的叶轮模型按正向建模的方法输出到正向CAD软件中，如Solidworks、Inventor、UG等，实现逆向建模与正向建模的无缝对接。本文所使用的方法是通过Geomagic Design X软件中的LiveTransfer功能将拟合得到的曲面模型导入到Solidworks软件中，Solidworks软件是目前应用广泛的参数化设计、分析及制造软件，具有较强的曲面造型功能，能对前面创建的曲面进行修改，然后得到完整的参数化模型，如图8所示，图中左侧为参数化的命令特征树。

图8 叶轮的Solidworks参数化模型

结语

随着计算机应用技术的快速发展，逆向工程在企业中的应用越来越广泛，已成为新产品设计与制造的重要技术手段，是企业进行新产品开发的法宝。本文通过使用三维扫描仪和逆向工程软件，以轴流式风机叶片的逆向建模为例，介绍了叶片逆向建模的思路和过程，最终使用Geomagic Design X软件的LiveTransfer功能将逆向建模的模型输出到Solidworks软件中，实现了叶轮参数化的三维模型的创建。

从整个逆向过程可以看出，该方法逆向速度快，建模误差小，因此利用Geomagic Design X软件对产品进行逆向设计，不仅可以提高产品设计质量，还可以缩短产品开发周期，具有较好的应用价值。

[1]王月婷，刘文萍，董玉婷．基于Geomagic Design X 砂型铸件的逆向设计[J]．机械工程师，2016(2)：29-30.

[2]成思源，杨雪荣．Geomagic Design Direct逆向设计技术及应用[M]．清华大学出版社，2015.

[3]王旭辉．基于Geomagic Design逆向设计与制造技术研究[J]．中央民族大学学报(自然科学版)，2016，25(1)：46-48.

[4]杨晓雪，闫学文．Geomagic Design X三维建模案例教程[M]．机械工业出版社，2016.

[5]丁恩伟，蔡勇，梁晋,等．基于Geomagic和UG的快速参数化逆向建模方法[J]．机械研究与应用，2012(3)：173-175.

Class No.:TH432.1 Document Mark：A

(责任编辑：蔡雪岚)

Reverse Modeling of Axial Fan Blades Based on Geomagic Design X

Kong Yanyan

(Minxi Vocational & TechnicalCollege, Longyan, Fujian 364021，China)

This paper illustrates the application of the reverse modeling ideas and processes in the process of the reversing model based on the case study of axial fan blades, and the point cloud data was processed with Geomagic Design X software, and then the 3D model with was obtained. The model was imported to the Solidworks software by the LiveTransfer technology. With this method, it not only can get high quality 3D models, but also shorten the product development cycle and has good application value.

Geomagic Design X software; reverse modeling; axial fan blades

孔艳艳，硕士，讲师，闽西职业技术学院。研究方向：数字化设计与制造。

福建省中青年教师科研资助项目(项目号: JAT160886)。

1672-6758(2017)07-0044-4

TH432.1

A