1、 風(fēng)機葉片特點

　　葉片是風(fēng)機中非常重要的部件之一，約占風(fēng)機總成本的15%-20%，現(xiàn)如今大型風(fēng)力發(fā)電機的葉片材料均為復(fù)合材料。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，風(fēng)機葉片尺寸每當(dāng)增加6%時，獲得的風(fēng)能可以增加12%。葉片的材料和加工工藝決定了最終的性能和成本。然而，風(fēng)機中的葉輪為整體葉輪，而其葉片的形狀為復(fù)制的曲面，比較難加工。所以整體葉輪的加工一直困擾著機械工程技術(shù)人員。如今國內(nèi)外加工葉片的方法有很多，由最初的鑄造成型后修光，到后來的熔模鑄造，精度相對提高了，但加工效率較低，用熔模鑄造加工葉片一套工序需要2-3天。其中也有廠家利用三坐標(biāo)仿形銑，但最終產(chǎn)品的精度和機械性能不佳，直到將數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)機葉輪的加工中，這些問題才得到了進(jìn)一步解決。

2 、逆向工程

　　逆向工程技術(shù)是最近幾年迅速發(fā)展起來的一門學(xué)科，也稱為反求工程。在機械學(xué)科中，逆向工程的應(yīng)用主要集中在實物逆向，即在沒有零件圖或者圖紙信息不完整的情況下，按照現(xiàn)有的零件，利用3D 測量系統(tǒng)獲取數(shù)字化信息，然后在通過CAD 技術(shù)重新構(gòu)造實物，實現(xiàn)幾何模型重建，然后與數(shù)控機床相結(jié)合，通過幾何模型自動編程，最后在生產(chǎn)出該產(chǎn)品的過程。與傳統(tǒng)的先進(jìn)行設(shè)計然后畫出圖紙到最后加工的過程相反。對于像風(fēng)機葉片這種復(fù)雜曲面的零件用逆向工程解決提高了產(chǎn)品生產(chǎn)率。

　　近幾年來，逆向工程的內(nèi)涵有了很大發(fā)展，已成為產(chǎn)品開發(fā)中不可或缺的一環(huán)，其應(yīng)用范圍包括：（1）在產(chǎn)品外形的美學(xué)有特別要求領(lǐng)域，設(shè)計師們用油泥、木頭等先將設(shè)計想法已實物的形式表現(xiàn)出來。（2）在模具領(lǐng)域，經(jīng)常需要反反復(fù)復(fù)修改原始的型面，得到復(fù)合要求的模具。（3）一些不規(guī)則的物體比如流線型產(chǎn)品、藝術(shù)浮雕等用正向設(shè)計方式比較困難。（4）在沒有圖紙或者因為設(shè)計圖紙不夠完整的情況下，通過對零件進(jìn)行測量，形成零件圖紙或者模型，然后以此為依據(jù)自動生成數(shù)控NC 代碼，在數(shù)控機床上加工一個相同的零件。

　　逆向工程技術(shù)不是孤立的一個技術(shù)，與現(xiàn)有的CAD/CAM系統(tǒng)有著相輔相成的關(guān)系。逆向工程技術(shù)中用到的大量建模方法可以借鑒現(xiàn)有的CAD/CAM 系統(tǒng)。逆向工程在產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計、創(chuàng)新設(shè)計上也具有很高的應(yīng)用價值，它可以在國內(nèi)外已有的產(chǎn)品基礎(chǔ)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、模型重構(gòu)然后在設(shè)計優(yōu)化等，吸取并且改進(jìn)先進(jìn)的產(chǎn)品和技術(shù)，為產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計縮短了時間。現(xiàn)代逆向工程技術(shù)還廣泛用于廣告動畫、汽車工業(yè)、機械工業(yè)等，在醫(yī)學(xué)方面也有其應(yīng)用價值。

3、 風(fēng)機葉片表面數(shù)據(jù)獲取及處理

　　數(shù)字化測量按照其特點可以分為兩大類：接觸式測量和非接觸式測量。所謂接觸式就是采樣測頭的探針剛接觸試樣表面，探針尖端會產(chǎn)生微小的變形，觸發(fā)采樣開關(guān)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能記下尖端的坐標(biāo)值。非接觸式即主要是基于光學(xué)、磁學(xué)等領(lǐng)域的基本原理，將物理模擬量通過一些適當(dāng)?shù)乃惴ㄞD(zhuǎn)化為坐標(biāo)點。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了很多的數(shù)據(jù)采集方法。大致可以分為光學(xué)測量、磁學(xué)測量、聲學(xué)測量等。

　　本文運用接觸式三坐標(biāo)測量儀對風(fēng)機葉片數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，可以高效準(zhǔn)確地采集到產(chǎn)品表面三維幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)，測量路徑是采用三坐標(biāo)測量機進(jìn)行測量獲取點云數(shù)據(jù)的前提。在本文風(fēng)機葉片中表面測量采用截面線法，即在葉片軸線等高度平面上，測量多個空間點，然后對這些空間點作曲線就可以得到一個截面線，通過不同高度上一系列截面可以生成葉形曲面。這種方法測量的點多，覆蓋面比較大，比較準(zhǔn)確，操作方便。

　　通過三維測量獲取的原始數(shù)據(jù)是實物上面各點的坐標(biāo)，但是這些數(shù)據(jù)并不全是有用的數(shù)據(jù)，因為在測量過程中不可避免的會引入很多誤差，尤其在物體的尖銳處或者邊界處。對于采集到的壞點，必須先進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。本文擬定根據(jù)圖3.1 所示流程來獲取較為精簡的數(shù)據(jù)。

　　（1）異常點也稱為誤差點，由于環(huán)境因素或者測量人員操作造成，常用直接查看法和曲線檢查法剔除。直接查看法就是用肉眼觀察數(shù)據(jù)點集除去偏離較大的點或者弧點；曲線檢查法是通過截面數(shù)據(jù)的首末數(shù)據(jù)點，用最小二乘法擬合一條曲線，階次一般設(shè)為3-4 階，然后分別計算中間數(shù)據(jù)點到樣條曲線的歐式距離。

　　（2）實際測量中，總是包含很多噪聲，由于在測量過程中受到各種任務(wù)或者隨機過程的影響。為了保證后續(xù)得到精確的曲面模型，必須降低或消除噪聲后，對測量點云進(jìn)行平滑過濾。數(shù)據(jù)濾波包括：平均濾波，中值濾波及高斯濾波。

　　（3）數(shù)據(jù)精簡：由于風(fēng)機葉片曲面復(fù)雜，要想獲得比較精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，在測量過程中就要求把測量的步長設(shè)置非常短。但是這樣會導(dǎo)致獲得的點云數(shù)據(jù)巨大，生成風(fēng)機葉片CAD 模型時需要花大量時間。因此，需要對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行合適的精簡，原則是：對于曲率變化較大的地方，測量點要多保留；曲率變化小的地方測量點少留點。

　　（4）數(shù)據(jù)精簡：根據(jù)圖3.1 的葉片數(shù)據(jù)處理流程，數(shù)據(jù)得到了很大的精簡，去掉了大量的冗余點，為后續(xù)的曲面重構(gòu)提供方便。

4、 葉片的自由曲面重構(gòu)

　　曲面重構(gòu)技術(shù)是逆向工程的核心之一，關(guān)于這方面國內(nèi)外做了大量研究，提出了很多種方法，本文采用的自由曲面生成算法是非均勻有理B 樣條。對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理精簡后，截面上的點仍然很多，而且都很不均勻。所以必須要進(jìn)行測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次采樣。采樣的方法：利用截面上的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差控制下的最小二乘非均勻B 樣條曲線擬合，然后再在擬合曲線的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次采樣，得到曲面重構(gòu)所需數(shù)據(jù)的方法。

　　在計算機輔助幾何設(shè)計中比較常用的方法是采用最小二乘逼近，進(jìn)行曲線擬合時，頂點數(shù)目的控制和誤差的選取對曲線的精度影響較大，控制頂點的數(shù)目選取的越多，曲線誤差越小，但是這樣曲線的光滑性比較差。所以在進(jìn)行曲線擬合過程中，應(yīng)該根據(jù)原始點云數(shù)據(jù)質(zhì)量以及曲線變化趨勢，將數(shù)據(jù)分為若干段進(jìn)行擬合、采樣。最后在進(jìn)行整體擬合，采樣得到曲面重構(gòu)的數(shù)據(jù)。

5 、風(fēng)機葉片數(shù)控加工

　　目前數(shù)控加工主要應(yīng)用有以下兩個方面：第一為了提高加工效率，避免人為因素影響的誤差，保證質(zhì)量，加工常規(guī)的零件，如二維車削、箱體類零件的銑削等。第二用于加工形狀比較復(fù)雜，精度要求較高，用普通機床很難加工完成的零件。這類零件數(shù)控機床通過使用數(shù)字化信息，與計算機輔助設(shè)計、制造系統(tǒng)連接，采用自動編程，完成加工。本文研究對象風(fēng)機葉片曲面比較復(fù)雜，形狀長而薄，從工藝的角度來看，葉片用普通的機械加工比較困難，為了可以精確加工出形狀復(fù)雜的葉片，故采用合適的加工算法，在UG 中生成數(shù)控代碼。

　　采用逆向工程，通過前面的點云處理、曲面重構(gòu)技術(shù)，風(fēng)機葉片曲面復(fù)雜，需要利用四軸聯(lián)動或五軸聯(lián)動的數(shù)控機床加工，分別進(jìn)行粗加工、精加工。粗加工時選擇圓柱形平底立銑刀，刀具半徑應(yīng)該小于葉片最小曲率半徑，這樣才能保證輪廓的尺寸精度。粗加工刀具路徑一般選擇單向切削，刀具在一條軌跡加工完成后抬刀到安全位置，然后在快速運動到下一個起刀點下刀。根據(jù)風(fēng)機葉片的材料來選擇刀具進(jìn)給速度，一般葉片材料為鋁合金，允許刀具切削速度在180-300mm/min 之間，精加工時刀具進(jìn)給速度取240mm/min，粗加工時取160mm/min。

　　隨著計算機及測量技術(shù)的不斷發(fā)展，利用CAD/CAM 技術(shù)實現(xiàn)了產(chǎn)品的逆向工程，已經(jīng)成為一個研究熱點。尤其是對曲面比較復(fù)雜的零件加工提供了新的加工方法，具有很大的現(xiàn)實意義和研究價值，但是目前國內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)備還不夠完善，如實物模型測量設(shè)備、數(shù)控制造設(shè)備等。另外對技術(shù)人員的素質(zhì)還有待提高，專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)該掌握新的制造技術(shù)、先進(jìn)的設(shè)計方法及其新的加工工藝方法等。