发动机压气机叶轮叶型曲面造型误差分析研究

2015-11-28蔚敬斌

山西电子技术 2015年5期

蔚敬斌

(山西交通职业技术学院，山西太原 030031)

在逆向过程中，从产品的实物模型，重建得到了产品的CAD 模型，根据这个模型，一方面可以对原产品进行仿制或者重复制造，另一方面可以对原产品进行工程分析、优化结构、实现改进、创新设计。两个方面都存在这样一个问题，即重构的CAD 模型能否表现产品实物，两者之间的误差有多大?因此，通过误差分析主要解决以下问题:

1)由逆向工程中重建得到的模型与实物样件的误差到底有多大;

2)所建立的模型是否可以接受;

3)根据模型加工的零件是否与数学模型相吻合。

前两个问题评价数学模型的精度，即重建得到的CAD模型，第三个问题是评价加工零件的加工误差。在产品逆向模型重建过程中，从形状表面数字化到CAD 建模都会产生误差，评价一个逆向工程过程的精度或误差大小，通常采取的做法是将最终的逆向加工产品与原实物进行对比，计算其间的总误差来判断决定逆向工作的有效性和准确性。

发动机压气机叶轮叶型曲面误差主要包括测量误差(环境误差、标定误差、摩擦引起的误差)、半径补偿误差、数据处理误差和造型误差等。本文主要从造型误差对叶轮叶型曲面质量进行分析。

UG 软件可实现对模型的评价，一是通过比较数据模型和CAD 模型的差异来评价模型精度，二是对模型的光滑性能，即曲面光顺性。

1 曲线拟合误差

根据点云数据的变化情况，采用最小二乘逼近法(指定一个允许的公差，软件会自动根据公差范围和曲线形体尺寸来设置曲线控制点的数目，从而得到曲面的边界曲线，即最小二乘曲线逼近)进行曲线构建。在想出一条曲线前，需指定一个允许的误差值。从曲面造型的角度出发，为保证曲面的光顺性，曲线必须完整、连续、光滑，因而将误差允许值在0～0.2 mm 之间逐一设定，分析各种情况下边界线曲率变化，能否保持曲率连续(曲线无拐点)，同时要兼顾曲线的精度，经过多方比较，由图1 可知，当曲线精度高时，曲线曲率变化存在拐点，曲率不连续;如图2 所示，当曲线曲率非常连续时，曲线精度就不能保证，因此将误差允许值设定在0.05～0.10 mm 间比较合理，如图3、4、5，点云拟合得到的曲线，其精度控制在0.06 mm 以内，曲线连续性和精度都得到兼顾，压气机叶轮叶型曲面边界线的创建为重构高质量的曲面奠定了基础。

图1 曲率突变的曲线精度

图2 曲率连续的曲线精度

图3 进口圆角处边界线的拟合误差

图4 出口圆角处边界线的拟合误差

图5 叶型曲面边界线的拟合误差

2 曲面重构误差

叶型曲面通过四条逼近的边界与点云来构建，采用最小二乘逼近法(首先构造一个初始曲面，此初始曲面是对最终拟合曲面的第一次逼近，先将测量点分别投影到初始曲面，再把各投影点作为测量点曲面拟合的位置参数，进行最小二乘曲面拟合)对曲面进行拟合，考虑到曲面光顺性和高精度的要求，根据叶型曲面的特征，以进口到出口处的多条等Z(压气机叶轮高度方向尺寸)截面线与轮缘到轮毂处的多条等R(压气机叶轮回转半径范围内尺寸)截面线曲率为参考，通过调整曲面控制点使各条截面线的曲率变化光滑、连续，且无突变产生，最终可使曲面与点云之间的误差保持在0.15 mm 以内，如图6、7、8、9 所示。

图6 大叶片叶型曲面与点云间的误差

图7 小叶片叶型曲面与点云间误差

图8 进口圆角处曲面与点云间误差

图9 出口圆角处曲面与点云间误差

3 光顺性检测

通常曲面光顺程度的好坏可按组成曲面网格的曲线的光顺准则判断。

一般曲线满足以下四条准则，可认为曲线是光顺的:

1)曲率连续;

2)不存在奇点与多余的点;

3)曲率变化较小;

4)应变能较小。

对曲面光顺性评价方法有多种，最常用的有以下三种:

1)反射线检测方法

主要是根据光源打在曲面法向量上的反射比来产生等高线图，依据流线的平顺程度来判断曲面品质，如果曲面上有细微的缺陷，流线就会通过不规则扭曲表现出来。图10、11 为曲面光顺性检测的结果，流线顺畅，曲面的光顺性程度较高。但叶片压力面、吸力面与进出口圆角曲面拼接处，由于仅保持相切连续，其曲面光顺程度相对差一些。