1、 風機葉片特點

　　葉片是風機中非常重要的部件之一，約占風機總成本的15%-20%，現如今大型風力發電機的葉片材料均為復合材料。據有關統計，風機葉片尺寸每當增加6%時，獲得的風能可以增加12%。葉片的材料和加工工藝決定了最終的性能和成本。然而，風機中的葉輪為整體葉輪，而其葉片的形狀為復制的曲面，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人員。如今國內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仿形銑，但最終產品的精度和機械性能不佳，直到將數控加工技術應用到風機葉輪的加工中，這些問題才得到了進一步解決。

2 、逆向工程

　　逆向工程技術是最近幾年迅速發展起來的一門學科，也稱為反求工程。在機械學科中，逆向工程的應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，按照現有的零件，利用3D 測量系統獲取數字化信息，然后在通過CAD 技術重新構造實物，實現幾何模型重建，然后與數控機床相結合，通過幾何模型自動編程，最后在生產出該產品的過程。與傳統的先進行設計然后畫出圖紙到最后加工的過程相反。對于像風機葉片這種復雜曲面的零件用逆向工程解決提高了產品生產率。

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

　　逆向工程技術不是孤立的一個技術，與現有的CAD/CAM系統有著相輔相成的關系。逆向工程技術中用到的大量建模方法可以借鑒現有的CAD/CAM 系統。逆向工程在產品的開發設計、創新設計上也具有很高的應用價值，它可以在國內外已有的產品基礎上，進行結構分析、模型重構然后在設計優化等，吸取并且改進先進的產品和技術，為產品開發設計縮短了時間。現代逆向工程技術還廣泛用于廣告動畫、汽車工業、機械工業等，在醫學方面也有其應用價值。

3、 風機葉片表面數據獲取及處理

　　數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，探針尖端會產生微小的變形，觸發采樣開關，數據采集系統能記下尖端的坐標值。非接觸式即主要是基于光學、磁學等領域的基本原理，將物理模擬量通過一些適當的算法轉化為坐標點。隨著計算機技術的不斷發展，出現了很多的數據采集方法。大致可以分為光學測量、磁學測量、聲學測量等。

　　本文運用接觸式三坐標測量儀對風機葉片數據進行采集，可以高效準確地采集到產品表面三維幾何坐標數據，測量路徑是采用三坐標測量機進行測量獲取點云數據的前提。在本文風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，比較準確，操作方便。

　　通過三維測量獲取的原始數據是實物上面各點的坐標，但是這些數據并不全是有用的數據，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，必須先進行數據預處理。本文擬定根據圖3.1 所示流程來獲取較為精簡的數據。

　　（1）異常點也稱為誤差點，由于環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據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據的首末數據點，用最小二乘法擬合一條曲線，階次一般設為3-4 階，然后分別計算中間數據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或者隨機過程的影響。為了保證后續得到精確的曲面模型，必須降低或消除噪聲后，對測量點云進行平滑過濾。數據濾波包括：平均濾波，中值濾波及高斯濾波。

　　（3）數據精簡：由于風機葉片曲面復雜，要想獲得比較精準的數據，在測量過程中就要求把測量的步長設置非常短。但是這樣會導致獲得的點云數據巨大，生成風機葉片CAD 模型時需要花大量時間。因此，需要對點云數據進行合適的精簡，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）數據精簡：根據圖3.1 的葉片數據處理流程，數據得到了很大的精簡，去掉了大量的冗余點，為后續的曲面重構提供方便。

4、 葉片的自由曲面重構

　　曲面重構技術是逆向工程的核心之一，關于這方面國內外做了大量研究，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。對點云數據進行處理精簡后，截面上的點仍然很多，而且都很不均勻。所以必須要進行測量的數據進行二次采樣。采樣的方法：利用截面上的點云數據進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上進行二次采樣，得到曲面重構所需數據的方法。

　　在計算機輔助幾何設計中比較常用的方法是采用最小二乘逼近，進行曲線擬合時，頂點數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。所以在進行曲線擬合過程中，應該根據原始點云數據質量以及曲線變化趨勢，將數據分為若干段進行擬合、采樣。最后在進行整體擬合，采樣得到曲面重構的數據。

5 、風機葉片數控加工

　　目前數控加工主要應用有以下兩個方面：第一為了提高加工效率，避免人為因素影響的誤差，保證質量，加工常規的零件，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。這類零件數控機床通過使用數字化信息，與計算機輔助設計、制造系統連接，采用自動編程，完成加工。本文研究對象風機葉片曲面比較復雜，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雜的葉片，故采用合適的加工算法，在UG 中生成數控代碼。

　　采用逆向工程，通過前面的點云處理、曲面重構技術，風機葉片曲面復雜，需要利用四軸聯動或五軸聯動的數控機床加工，分別進行粗加工、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。根據風機葉片的材料來選擇刀具進給速度，一般葉片材料為鋁合金，允許刀具切削速度在180-300mm/min 之間，精加工時刀具進給速度取240mm/min，粗加工時取160mm/min。

　　隨著計算機及測量技術的不斷發展，利用CAD/CAM 技術實現了產品的逆向工程，已經成為一個研究熱點。尤其是對曲面比較復雜的零件加工提供了新的加工方法，具有很大的現實意義和研究價值，但是目前國內的基礎設備還不夠完善，如實物模型測量設備、數控制造設備等。另外對技術人員的素質還有待提高，專業技術人員應該掌握新的制造技術、先進的設計方法及其新的加工工藝方法等。