基于逆向工程的压缩机螺杆转子快速成形加工

李志峰， 何亚银， 王军利， 赵佳磊

(陕西理工大学 机械工程学院， 陕西 汉中 723000)

螺杆压缩机具有排气量稳定、高速性能平稳，并且结构紧凑、易于操作维护等优点，已被广泛应用于制冷、机械、矿山、冶金、建筑等工业领域。螺杆压缩机中的核心部件是一对相互啮合的螺杆转子，其精度和特性决定了每台螺杆压缩机的效率与磨损状况，而转子啮合情况的好坏直接取决于转子型线的优劣[1-2]。性能优越的螺杆转子，不仅要具有优良的设计型线，更离不开高精度的加工。

目前，大部分的螺杆压缩机先进技术都掌握在一些著名的国外压缩机公司中，并有知识产权保护[3]。国内压缩机技术起步较晚，螺杆转子的型线设计方法不成熟，加工方法相对比较落后。虽然我国螺杆转子的加工从铣削已经发展到磨削，但是受到型线精度、砂轮齿廓、砂轮安装位置等因素的影响[4]，无法满足精密螺杆转子的加工要求且效率较低，从而严重制约我国压缩机行业的进一步发展。因此，必须找到一种螺杆转子加工新方法，提高加工的精度和效率，快速成形技术能够根据三维设计数据在一台设备上快速而精确地制造出任意复杂形状的零件，从而实现“自由制造”[5-8]。本文基于逆向工程技术，获取了某典型压缩机阳转子的三维模型，并利用快速成形技术实现螺杆转子的快速成形加工。

1 螺杆转子实物的数字化测量与处理

1.1 三维数据采集

逆向工程研究的第一步就是通过专用仪器和专业的测量方式对零件表面进行测量，获得零件表面的点云数据[9-10]。目前，点云数据采集的方法主要有非接触式测量和接触式测量两类。测量时，测量仪器的测量头与被测零件表面接触，获得零件表面点云数据的方法，称为接触式测量方法，如三坐标测量机。而测量时，测量仪器与被测零件不接触，而是采用光、声、磁等介质来获取零件表面的点云数据方法，称为非接触式测量方法，如激光三角形测量法、面投影光栅法、数字照相系统等。本文采用天远激光手持式OKIO-FreeScanX3系列三维扫描仪对螺杆转子进行点云数据的测量。

为了防止产生过多的杂点，实验室光线要适当。由于该扫描仪的定标是通过拍摄识别标定系统在不同位置的图像来实现对系统的标定，因此，首先要对经过清洁的螺杆转子粘贴标志点，标志点是测量仪识别工件、点云数据定位、生成有效数据的基准。标志点太少会导致仪器无法识别，标志点太多会导致数据缺陷过大，因为标志点处无法生成点云资料，因此，需根据转子形状设计合适的标志点位置，将粘贴好标志点的工件放置在实验台上准备试验。选择好工件和扫描仪之间的距离，采用手持扫描仪对工件进行扫描，如图1所示。为了获取螺杆转子的所有表面点云数据，扫描仪可以在360°范围内移动，测量系统会自动将所测点云整合在一起，所测得的螺杆转子的轮廓点云数据如图2所示。

1.2 数据预处理

对于反求得到的点云数据处理的软件有Geomagic Studio、Imageware等，本文采用Geomagic Studio软件对所测量到的螺杆转子的点云数据进行处理。首先对点云数据进行前期处理，包括着色、去除杂点、去除错误数据、封装、处理简单缺陷等；然后进行曲面重构，包括对转子的主要特征线及轮廓线的提取、曲面片的构造、栅格构造等；最后结合三维建模软件，生成螺杆转子的实体模型并改进。

为了方便后期处理时对点云数据的观察，首先对数据进行着色处理；去除点云数据中的错误数据，并将所有的点拼接在一起；在点模块中，识别出“非连接项”和“体外孤点”，并删除。使用“点”模块中的“封装”功能将点云转为网格，以便于将点物件转为多边形物件，如图3所示。对于封装后的多边形对象，利用网格医生、填充孔等手段将其修复，并且将工件摆正。

2 螺杆转子的曲线曲面重构

在反求过程中，点云数据预处理后，进入曲线曲面重构阶段，关键就是要根据大规模散乱的点云数据，重新构造具有复杂曲面外形产品的三维模型，这也是反求过程中的关键技术之一，其效果直接影响所测零件的设计与制造。对于简单对象，利用Studio软件，可以直接使用“自动曲面化”自动创建NURBS曲面；但是由于转子具有空间曲面，其型面比较复杂，不能采用自动化创建曲面，需要经过多次处理才能生成曲面模型。首先调整“区域”数据，进行计算，“抽取”轮廓线，并修复；然后，通过轮廓线和边界线生成曲面片结构，如图4所示；再次，在每一个曲面片内构建一个有序的栅格，以栅格为基础，在对象上生成一个NURBS曲面；最后，在三维建模软件CREO中，将其转化为实体特征，如图5所示。

3 螺杆转子的快速成形

螺杆转子螺旋面的加工精度直接影响着螺杆压缩机的工作性能。目前，成形磨削法是国内外螺杆转子螺旋面加工采用的主要方法，该方法不仅受到转子型线方程精度的影响，还更多地受到砂轮轮廓、砂轮修整技术等因素的影响，因此加工的转子精度不高而且效率低。

由于螺杆转子具有复杂空间螺旋曲面的特点，本文将正在快速步入成熟期的3D打印技术引入到螺杆转子加工中。本文主要为了研究转子加工3D打印新工艺的材料堆积方式，所以选择了聚乳酸(PLA)作为原材料来试验。使用MakerBot Replicato型打印机，将逆向工程获得的压缩机螺杆转子三维模型完善修改后生成STL文件，提供给3D打印机。经过打印机喷头加热、机器调平等操作步骤后，导入转子的STL文件，机器开始打印，获得阳转子的实物原形，如图6所示。

4 结 论

本文结合逆向工程与快速成形两种技术的优点，研究了逆向工程在压缩机螺杆转子快速成形中的应用：

(1)利用三维扫描仪对某典型压缩机阳转子实体进行了反求测量；

(2)用Geomagic Studio软件对点云数据进行了处理，抽取轮廓线，结合CREO软件进行了曲面的拟合与完善，得到满足要求的螺杆转子的三维CAD模型；

(3)利用快速成形机实现了螺杆转子的反求产品。

研究方法为压缩机中新型螺杆转子的研发提供了快捷、方便的方法，对国内压缩机生产厂家设计制造新型螺杆转子提供了参考。