本站原创[关键词] 逆向设计；闭式叶轮；数据采集；模型重构
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1 引言
逆向设计的关键技术是逆向对象的坐标数据采集和数据处理及模型重构。逆向对象的坐标数据测量是进行实物逆向设计的前提，对结构复杂、表面不规则，尤其是含有内腔复杂空间曲面的零件，比如离心泵的闭式叶轮，这是很困难的事情。
大部分测量设备，只能反映零件的外表面坐标数据，只有工业CT机既可以采集零件的外表面坐标，也可以采集零件的内腔表面数据。但目前工业CT机非常昂贵，对中小型企业来说，也是难以实施的测量策略。
在长期的工作实践中，摸索出了一种针对离心泵闭式叶轮的逆向设计策略，该策略仅需要一台有三维坐标轴和带刻度旋转工作台的机械加工设备（例如坐标镗床或坐标铣床等），以及一些简单的测量工具即可进行数据采集。而后再利用Solidworks软件，对数据进行整理，重建模型。这种设备和工具，一般中小企业都可找到，所以说是一种经济易行的逆向设计策略。
2 闭式叶轮的坐标数据采集
叶轮是泵类产品的核心零件，主要由空间扭曲的叶片、前盖板和后盖板组成。泵的技术性能参数，如流量、扬程、效率、抗汽蚀能力等均与叶轮的水力设计有重要关系，尤其是叶轮叶片的型线决定了离心泵的水力性能，所以准确地采集叶片的坐标数据是叶轮逆向设计的关键技术。2.1 数据采集所需设备和工具
本文所介绍的逆向设计策略，数据采集的关键设备是坐标床或坐标铣床等，只要有带刻度的旋转工作台，横向、纵向以及高度方向的行进标尺即可。测量还需要的其他工具有：百分表、万能电表、钢丝探针、压板、螺栓、螺母、中心定位顶尖等。
2.2 数据采集操作策略
为了保证采集数据的准确性，在测量前必须选择一表面光滑、规则的叶片，清理、擦拭干净，必要时在叶片表面的缺陷处涂上石膏或环氧树脂，待干燥后用砂布打磨平整。具体操作策略，如图1：
2.2.1 将叶轮放置在测量设备的旋转工作台上。因为叶轮轮毂的内圆与泵轴配合，加工精度很高，所以用叶轮轮毂内圆为基准，百分表找正，保证叶轮的中心轴线与旋转工作台的回转中心一致。
2.2 用压板、螺栓、螺母等工具，将叶轮固定在旋转工作台上。
2.2.3 选一长度适宜，直径3 mm左右的钢丝，一端在砂轮机上打磨成尖状，做成探针，另一端固定在坐标镗床的立轴上。探针的长短以及固定的位置等，以方便测量叶片的型线为宜。2.2.4 将万能电表的一个电极接在设备床身上，另一个电极接在立轴上。原理是只要探针的尖端轻轻接触叶轮表面，便与设备床身形成一个电流回路，电表的指针即会摆动。也就是说，用电表指针的摆动来显示探针是否接触到零件。
2.2.5 按照叶片扭曲形状，并兼顾叶轮的前、后盖板，弯曲制成探针，使其可以顺利穿过叶轮流道。并且在探针进出叶轮流道的过程中，只有探针的针尖可以接触叶轮，而其他任何部位都不能接触到零件。实际操作中，可以根据叶轮流道的形状修整探针，再通过旋转工作台、纵向进给、横向进给、高度进给各方向的同时调整，反复实验，直到探针能适合进出叶轮流道。对流道较窄的离心泵叶轮来说，往往不能一次测量出一条完整的型线，这时可以分两段，甚至三段，从叶轮的进口和出口分别测量。
2.2.6 将探针的针尖与叶轮中心的定位顶尖对齐，锁紧横向或纵向的进给坐标，同时记录另一坐标的中心位置数值。这样可以保证在其他几个方向的运动中，探针一直在叶轮的直径方向。
2.2.7 高度基准的选定，一般以叶轮轮毂端面为基准，读取其在高度标尺上的数值并做好记录，这便是叶轮高度坐标数据的基准值。
2.2.8 通过旋转工作台、纵向进给或横向进给、高度进给各方向的同时调整，将探针探入流道内。注意：探针不到测量点，不能接触叶轮，保证其对中的位置不变。分5度或10度转动旋转工作台，这样相当于通过叶轮中心线做一组轴面，在同一轴面上取几个高度曲线，分别测出角度平面与高度曲线交点的坐标值，如图2。这样测得叶轮的柱面坐标值，即每一测量点的角度、半径、高度数值。
2.2.9 用这样的策略，分别测量叶轮的前盖板、后盖板曲线，叶片的工作面、非工作面型线坐标数据。在叶片的工作面和非工作面上，按照不同的高度分别测一种经济易行的闭式叶轮逆向设计方法由专注毕业论文与职称论文的www.shuoshilunwen.com提供,转载请保留.出至少3条型线，最好是工作面、非工作面分别与前盖板、后盖板的交线以及其中间曲线。测得型线越多，建造的模型越准确。
2.2.10 将测得的数据记录在预先制成的表格中，此表格即是叶轮模型的重构数值依据。
3 叶轮模型的重构
3.1 测量数据的初步处理
由于系统误差和随机误差的存在，尤其是本文介绍的这种简易测量策略，难免存在误差较大的数据点，也可能出现测量遗漏和数据重复等现象。通过三维建模软件（如Solidworks）提供的各种视图和编辑工具，可以从多个角度观察原始型面数据，找出上述缺陷。对于误差明显偏大的数据点，需将其剔除，以免影响模型的精度。3.2 建造叶轮模型
3.2.1 在三维设计软件（如Solidworks）中，按样条曲线的方式输入采集的坐标数据。首先从多个角度观察原始曲线，对特别突出的离散点予以剔除。其次用软件的曲线编辑功能，如曲线拟合，曲率检查等，对曲线进行修正。3.2.2 前盖板、后盖板的曲线修正后，各自按叶轮轴心线为轴旋转，生成前、后盖板曲面。3.2.3 叶片工作面上的各条曲线修正后，放样生成叶片的工作面曲面；非工作面上的各条曲线修正后，生成叶片的非工作面曲面，如图3。
3.2.4 将叶片的工作面和非工作面分别延伸到前盖板和后盖板，形成闭合的曲面空间，再用曲面缝合功能，形成叶片实体模型。
3.2.5 按图2所示策略，以不同的角度平面和不同的高度平面切割叶片实体，所形成的叶片断面都应流线顺滑，否则须重新修正曲线，重新生成曲面。
3.2.6 根据手工测量的数据，建造前、后盖板实体。按实物叶轮叶片的数量，圆周阵列叶片。
至此，离心泵闭式叶轮的模型重构完成。
4 设计验证
叶轮的逆向设计完成后，应该进行设计验证。校验重建模型是否与原件相符；按照该模型制造的叶轮是否可以满足原水泵的技术参数。常用的设计验证策略有三种：4.1 计算验证。利用Solidworks软件的测量功能，在模型中测量影响叶轮水力性能的一些重要数据，比如：叶轮的进口宽度、出口宽度，叶片在进口、出口处的厚度，叶片的进、出口安放角等等。按照《现代泵技术手册》中的有关策略和公式对上述关键参数进行计算校核，只有各参数都基本符合才能进行制造，如果有较大的偏差应对所测量的结果进行重新验证。
在Solidworks软件中，将叶轮流道按5°或10°均分，通过叶轮中心作其轴向截面，测量每个截面上的流道面积，此面积应变化均匀，并与上述计算结果基本相符。
4.2 分析验证。利用流体分析软件对重建的叶轮模型内部流场进行分析，得出叶轮出口的液体流速和压力，其结果应与原水泵叶轮的性能参数相符。
4.3实验验证。制作按一定比例缩小的实物叶轮，在水泵试验台上进行台架式试验，其水力性能参数应与原水泵基本相符。
5 结论
叶轮逆向设计是一种对进口泵产品消化吸收和备件国产化的实用技术，可以克服进口泵叶轮备件昂一种经济易行的闭式叶轮逆向设计方法相关论文由www.shuoshilunwen.com收集,如需论文查抄袭率.贵、订货周期长的弊端，有利于国内泵产品设计制造技术的提高。本文通过这种经济易行的逆向工程实用策略研究，利用中小型企业中常见的坐标床和Solidworks软件，完成了离心泵闭式叶轮的逆向设计。经过多次的实践验证，这种策略设计的离心泵与原泵的水利性能吻合，各项技术数据均可满足使用要求。
参考文献：
[1]苏春.数字化设计与制造[M].北京：机械工业出版社，2006，1.
[2]关醒凡.现代泵技术手册[M].北京：宇航出版社，1995.
[3]王春香.基于逆向工程的注射模CAD/CAE的应用研究[J].模具制造，2009，8.