基于三维激光扫描的混流式转轮逆向建模方法

技术领域

本发明属于混流式转轮建模技术领域，特别涉及一种基于三维激光扫描的混流式转轮逆向建模方法。

背景技术

混流式水轮机的转轮是机组能量转换的关键部件，其结构一般包括上冠、下环、叶片和泄水锥。转轮的上冠、下环和泄水锥为一个旋转体，利用部件的剖面轮廓，通过360°旋转即能得到三维实体。但是转轮叶片则是由三维空间曲面组成的实体，目前常用的叶片为X叶片，叶片进口均有“负倾角”，靠近上冠处翼型为负曲率，叶片出水边不在轴面上，而成一空间曲线，从叶片进口看去，其进口边与出水边在平面的投影成X型，因此其结构复杂，要对其设计优化和建模非常困难。在转轮的生产制造过程中，人们主要依据平面木模图对其进行加工及放样。由平面木模图得到叶片的型值点，依据由点连线、由线成面、由面构体的实体建模方法来创建混流式叶片的三维模型。

随着我们水电开发的快速发展，大量混流式水电机组相继投产发电，同时也暴露出一些问题，如转轮空化空蚀、叶片裂纹、振动问题等。研究人员通过建模得到的转轮的叶片的三维实体，借助数值模拟模块进行流体和结构的仿真计算，是进行水轮机结构优化广泛采用的手段之一。由于叶片叶形数据是混流式水轮机生产厂家的核心保密数据，研究单位难以从混流式水轮机原生产厂获得，或者对于一些运行时间较长的转轮，已经无法找到转轮的原始数据。

随着测量技术和计算机技术的快速发展，可采用逆向技术对水电站现有的混流式水轮机转轮叶片进行现场测绘、建模、仿真计算、进而达到对叶片的性能进行优化的目的。逆向工程技术是指借助激光扫描仪非接触式测量设备和测量方法将混流式水轮机转轮叶片的物理模型转化为测量的数据点，然后根据这些数据点利用三维模块建立叶片的三维模型，并在此基础上对已有叶片实物进行分析和再设计的过程。

但是在实际工程现场，应用激光扫描仪对混流式水轮机转轮叶片进行扫描和利用建模模块进行数据处理时，由于对设备使用方法不当和经验不足，导致扫描的文件不收敛或定位不准确，出现扫描失败或难以获得令人满意的扫描精度问题。

发明内容

鉴于背景技术所存在的技术问题，本发明所提供的基于三维激光扫描的混流式转轮逆向建模方法，实现了对混流式转轮X型叶片的全方位精确扫描和空间定位，生成了逆向建模所需的网格文件，扫描精度达0.1mm，克服了传统测量方法的精度低弊端，并且操作简单，可以在转轮不拆除的情况下完成数据的采集。

为了解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案来实现：

一种基于三维激光扫描的混流式转轮逆向建模方法，步骤为：

步骤S1、收集待建模转轮的图纸资料，图纸包括转轮的上冠、下环及泄水锥的直径、高程在内的外轮廓尺寸；

步骤S2、选择三维扫描仪和逆向建模模块，并安装三维扫描仪和逆向建模模块；其中，三维扫描仪选择国内某厂家生产的KSCAN系列手持式三维扫描仪，逆向建模模块（或建模软件）选择常用的3D建模软件。

步骤S3、在机组检修期间，采用KSCAN系列手持式三维扫描仪进行水轮机转轮叶片三维扫描，得到后缀名为“.pj3”的激光面片工程文件；

步骤S4：将两个分段扫描的工程文件同时导入建模模块中，拼接成一个激光面片文件；

具体地，用Scan Viewer软件同时打开需要拼接的两个工程文件，主菜单中的“扫描”下选择“数据”，可以看到打开的两个工程文件。然后右键其中一个工程文件选择“设置reference”,另外一个工程文件“设置Test”，然后在主菜单中选择“点”-“拼接”，在窗口中分别选择2个文件中相同的标记点，相同标记点数量大于3。选择完后可观察合并质量，若存在明显偏差则重新选择标记点。合并完成后点击“应用”，并保存合并后的工程文件。然后对激光面片文件进行预处理，删除空间不连续的点及边缘扫描不清晰的部分。

步骤S5：将处理完后的激光面片文件进行网格化生成“.STL”网格文件；

具体地，使用软件主菜单“点”-“网格化”功能，生成网格文件“.STL”，然后对网格文件“.STL”进行编辑处理。选择主菜单“网格”，可以对文件进行补洞、简化、去除特征等操作，一般为了便于后期使用，还要进行“简化”，控制网格数量。到此，利用三维扫描仪及其后处理软件，得到了可以导入到逆向建模软件的“.STL”网格文件。

步骤S6：采用3D建模模块对“.STL” 网格文件进行叶片特征线提取和逆向建模，生成单个逆向叶片曲面及实体；

步骤S7：将生成的单个逆向叶片实体进行阵列，绕Z轴生成若干个均匀分布的叶片实体；

步骤S8：根据图纸数据，在XOZ草图平面上，补充上冠、下环及泄水锥的外部轮廓线，结合上冠回转曲线、下环回转曲线，将外轮廓线与回转曲线分别绕Z轴进行旋转生成转轮上冠体和下环体；

步骤S9：将上冠体和下环体与叶片体合并后生成完整的转轮实体，完成转轮逆向建模。

优选地，步骤S2中，所述的三维扫描仪分辨率最小达0.1mm，体积精度大于0.05mm/m。三维扫描仪内置蓝光和红外激光及摄影测量系统模块，具备蓝光高速扫描、蓝光精细扫描、红外激光扫描、蓝光深孔扫描以及全局摄影测量五种模式，配套有Scan Viewer软件。

优选地，步骤S3的子步骤为：

步骤S3.1、根据转轮图纸，确定三维扫描的范围：

扫描范围包括1个完整叶片、叶片正反面相邻的上冠和下环区域、泄水锥，分别得到叶片的数据、上冠及下环过流面曲线数据、泄水锥数据；其中泄水锥数据用于后期数据处理时，得到转轮中心线和基准高程；

步骤S3.2、对转轮扫描区域进行清理，去除表面的油迹和水分，保障扫描区域处于干燥状态；若为在线进行扫描，应在转轮室湿气降低后开展，并应搭设平台，供设备摆放和操作人员使用；

步骤S3.3、在扫描区域粘贴反光标记点：

选择直径6mm的标记点，反光标记点粘贴间距约6～10cm，粘贴时要随机分布，在曲率变化大的区域进行适当加密，确保扫描仪在该操作空间范围内能扫描到4个及以上的标记点；

步骤S3.4、标定扫描仪：选择合适长度的电源和数据线缆进行三维扫描仪的接线并启动设备，在与扫描环境温度和湿度相同的条件下进行快速标定，并得到标定精度；

步骤S3.5、预扫标记点；使用三维扫描仪的“扫描”功能，对工件表面的标记点进行采集扫描，建立工件的坐标、定位；

步骤S3.6、扫描激光面片，并生成工程文件。继续使用三维扫描仪中Scan Viewer软件主菜单中的“扫描”功能。扫描控制选择“激光面片”，并设置扫描参数，完成设定范围的扫描。扫描完全后保存后缀名为“.pj3”的工程文件。

优选地，步骤S3.3中，对于转轮叶片尺寸较大的情况，在后续进行扫描时，激光点文件数据量可能超过极限值，需要分两次完成扫描，在后续再对两个激光点文件进行合并。因此，可选择在叶片正反面的中部区域标记便于识别的标记点图案，如用标记点粘贴成“三角形”或“四边形”图案，用于在文件合并时便于选择相同的参考标记点。

优选地，步骤S3.6扫描过程包括以下情况：

1）扫描激光面片（点）时，扫描仪的角度和扫描仪与工件的距离，缓慢平稳移动和调整扫描仪角度，保持扫描仪信号灯为正常状态，使用激光将叶片数据采集完全；

2）对于尺寸较大的叶片，激光点数据超过三维扫描仪最大极限，应进行分段扫描；分段扫描时，两个文件扫描的边界要有一定范围重叠和可辨认出的3个及以上的相同位置的标记点；

3）对泄水锥出口的圆环进行“精扫”，以保证叶片定位的精度。

优选地，步骤S6的子步骤为：

步骤S6.1、将步骤S5的网格文件导入3D建模模块中，生成收敛体；

具体地，在3D建模模块中新建一个“建模”文件，导入步骤S5中生成的“.STL” 网格文件，导入时选择输出类型为“收敛”，导入后在建模软件中看到生成一个收敛体。若导入不成功，则是扫描文件质量不合格，需要返回进行处理。

步骤S6.2、建立坐标系，摆正收敛体；

具体地，在“曲线”菜单下，在收敛体的泄水锥底部圆周上画一个圆，并作出两条互相垂直的半径，使用移动命令，将收敛体移动到原始坐标下，使坐标原点与泄水锥底部的圆重合，X轴与其中一条半径重合，Y轴与另一条半径重合。并根据图纸中泄水锥底部与导水机构中心线距离，再将收敛体下移，使坐标系Z轴零点与导叶中心线高程一致。

步骤S6.3、提取上冠及下环回转曲线；

在“曲线”菜单中，选择“艺术样条”，在收敛体上拾取曲面上的点，分别作出上冠样条曲线、下环样条曲线，曲线选择为三次及以上的曲率。为了确保精度，拾取点应尽可能的密且应避免拾取收敛体上的不规则区域的点。然后分别将拾取到的上冠样条曲线和下环样条曲线通过旋转命令沿Z轴生成回转面，即为上冠过流面和下环过流面。

在原始坐标下创建一个与XOZ平面重叠且包含上冠和下环的范围的矩形拉伸平面，用该平面对上冠过流面和下环过流面进行切割，从而得到了位于XOZ平面上的上冠回转曲线和下环回转曲线；

步骤S6.4、在X0Z平面上的上冠和下环回转曲线之间作出数条与水流方向平行的叶片剖切面辅助曲线，然后将其绕Z轴旋转生成旋转面，并用该旋转面依次切割收敛体叶片，得到一组收敛体叶片剖切面曲线；

进一步的，在上冠和下环附近的叶片剖切面辅助线可采用“偏置曲线”工具，并进行加密确保叶片焊缝圆弧面光滑度，离上冠回转曲线和下环回转曲线最近一条辅助线距离一般小于10mm。其他辅助线可采用等距离的“艺术样条”曲线，之间的距离约10-50mm，以保证逆向建模的精确度。

步骤S6.5、以收敛体叶片剖切面曲线组为基础，使用“艺术样条”曲线工具在每一条剖切面线上作出叶片的逆向叶片剖切面曲线，曲线可以采用二次或三次曲线，作图时在圆弧过渡区域进行拾取点的加密；

进一步的，对于叶片进水边或出水边曲率比较大的叶片，也可以将逆向叶片剖切面曲线分几段作出，再将其进行合并，可以保证曲线与原始剖切面线组的精度。

步骤S6.6、分别利用上冠和下环附近的2组逆向叶片剖切面曲线生成“直纹”曲面，并将该曲面向外进行延伸扩大，扩大范围大于上冠及下环回转面；同时，在XOZ作图平面上使用“偏置曲线”命令分别将上冠和下环回转曲线往叶片以外方向5-10mm处偏置生成曲线，并用该曲线绕Z轴旋转生成旋转曲面，用该旋转曲面与之前生成的“直纹”曲面生成切割曲线；按照与步骤S6.5相同的方法，以切割曲线为基础生成2条叶片外的逆向叶片剖面曲线；

步骤S6.7、使用“艺术样条”曲线工具，作出与步骤S6.5和步骤S6.6生成的逆向叶片剖面曲线连接的若干条与水流方向垂直的“引导曲线”，引导曲线采用二次或三次样条曲线；其中在进水边附近和出水边附近的叶片正反面各作1条，在叶片中部的正反面各作1～3条；

步骤S6.8、使用曲面菜单中的“通过曲线网格”命令，以步骤S6.5和步骤S6.6的逆向叶片剖面曲线为基础曲线，以步骤S6.7的“引导曲线”为纵向引导线，生成逆向叶片曲面；

步骤S6.9、以步骤S6.3中得到的上冠回转曲线和下环回转曲线绕Z轴旋转生成回转面，并用“曲面”下的“修剪与延伸”工具，将回转面与叶片曲面进行相互修剪，去除叶片曲面多余部分，同时生成两个叶片与回转面相交部分的叶片上冠连接面和叶片下环连接面。

步骤S6.10、以步骤S6.9中得到的叶片曲面与叶片上冠连接面和下环连接面进行“缝合”，生成单个叶片体。

本发明可达到以下有益效果：

1）本发明成功运用了三维激光扫描技术，通过合理选择叶片、泄水锥、上冠及下环扫描范围，实现了对混流式转轮X型叶片的全方位精确扫描和空间定位，生成了逆向建模所需的网格文件，扫描精度达0.1mm，克服了传统测量方法的精度低弊端，并且操作简单，可以在转轮不拆除的情况下完成数据的采集。

2）本发明中充分利用泄水锥的定位功能，将泄水锥底面作为中心和基准高程面，保证了逆向建模中转轮叶片方位和高程的准确性。

3）本发明利用3D建模模块中的曲面特征拾取功能，获得了上冠过流曲线和下环过流曲线，采用曲面切割功能获得了收敛体叶片剖切面线组，通过逆向建模得到了转轮叶片进出水边及过流面的精确曲线特征，并成功生成叶片曲面，完成了对三维扫描仪生成的叶片STL文件的逆向建模。

4）本发明通过三维扫描技术可以完成对在线转轮过流面进行精确建模，只需根据转轮上冠和下环的外轮廓尺寸，可实现对整体转轮结构的建模，为水轮机的数值仿真和体型优化创造条件。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1 为混流式转轮逆向建模流程图。

图2 为三维扫描工程文件及拼接示意图。

图3 为生成的网格“.STL”文件示意图。

图4 为在收敛体叶片上拾取上冠及下环样条曲线示意图。

图5 为X0Z平面上的叶片剖切面辅助线。

图6 为收敛体叶片剖切面线示意图。

图7 为逆向叶片剖切面曲线及引导线示意图。

图8 为单个逆向叶片曲面及连接面示意图。

图9 为生成的阵列叶片体示意图。

图10 为整体转轮建模示意图。

图中：1-收敛体，2-上冠样条曲线，3-下环样条曲线，4-上冠回转曲线，5-下环回转曲线，6-叶片剖切面辅助曲线，7-收敛体叶片剖切面曲线组，8-逆向叶片剖切面曲线组，9-逆向叶片引导线，10-逆向叶片曲面，11-叶片上冠连接面，12-叶片下环连接面，13-逆向叶片体，14-转轮上冠，15-转轮下环。

具体实施方式

实施例1：

本发明以目前常用的三维扫描仪和建模模块为工具，以某电站已投产的混流式转轮为对象，详细介绍转轮逆向建模的步骤和方法，为水轮机的数值仿真和体型优化创造条件。本实施例为某电站为混流式转轮，转轮直径约6500mm，高2700mm,有14个叶片，转轮为X型叶片，在机组小修期间完成对转轮叶片的数据采集和建模。

步骤S1、收集待建模转轮的图纸资料，得到了转轮的上冠、下环及泄水锥的直径、高程等外轮廓尺寸等。

步骤S2、选择三维扫描仪设备和逆向建模模块（可选用现有的三维建模软件），并安装三维扫描仪软件和逆向建模软件。其中，三维扫描仪选择国内某厂家生产的KSCAN系列手持式三维扫描仪，逆向建模软件选择某3D建模软件。该三维扫描仪分辨率最小达0.1mm，体积精度大于0.05mm/m，内置蓝光和红外激光及摄影测量系统模块，具备蓝光高速扫描、蓝光精细扫描、红外激光扫描、蓝光深孔扫描以及全局摄影测量五种模式，配套有ScanViewer软件。

步骤S3、在机组检修期间，采用KSCAN系列手持式三维扫描仪进行水轮机转轮叶片三维扫描，得到后缀名为“.pj3” 的激光面片工程文件。

（1）根据转轮图纸，确定三维扫描的范围。扫描范围包括1个完整叶片、叶片正反面相邻的上冠和下环区域、泄水锥，分别得到叶片的数据、上冠及下环过流面曲线数据、泄水锥数据。其中泄水锥数据用于后期数据处理时，得到转轮中心线和基准高程。

（2）待机组停机排水后，搭建好转轮检修平台，对转轮扫描区域进行清理，去除表面的油迹和水分，保障扫描区域处于干燥状态。

（3）在扫描区域粘贴反光标记点，选择直径6mm的标记点，反光标记点粘贴间距约6～10cm，粘贴时注意要随机分布，在曲率变化大的区域可以适当加密，确保扫描仪在该操作空间范围内能扫描到4个及以上的标记点。由于该转轮叶片尺寸较大，采用分两次完成扫描，在后续再对两个激光点文件进行合并。因此，选择在叶片正面的中部区域标记便于识别的“三角形”标记点图案。

（4）在与扫描环境温度和湿度相同的条件下进行快速标定，并得到标定精度。

（5）使用Scan Viewer软件主菜单中的“扫描”功能，对工件表面的标记点进行采集扫描，建立工件的坐标、定位。

（6）继续使用Scan Viewer软件主菜单中的“扫描”功能，扫描控制选择“激光面片”，并设置扫描参数，完成设定范围的扫描。扫描时首先对泄水锥、叶片反面全面区域、叶片进水边正面局部区域、叶片出水边正面局部区域进行扫描，扫描时对泄水锥下部圆环进行“精扫”，生成“工程文件1.pj3”，然后再对叶片正面区域进行扫描，生成“工程文件2.pj3”。两个文件扫描的边界要有一定范围重叠和可辨认出的3个及以上的相同位置的标记点。

步骤S4:将两个分段扫描的工程文件同时导入Scan Viewer软件中，拼接成一个激光面片文件，如图3所示。

用Scan Viewer软件同时打开需要拼接的两个工程文件，主菜单中的“扫描”下选择“数据”，可以看到打开的两个工程文件。然后右键“工程文件1.pj3”选择“设置reference”, “工程文件2.pj3”选择“设置Test”，然后在主菜单中选择“点”-“拼接”，在窗口中分别选择2个文件中相同的“三角形”图案标记点，相同标记点数量大于3。选择完后可观察其他标记点是否重合，若存在明显偏差或重影情况则重新选择标记点。合并完成后点击“应用”，并保存合并后的工程文件。然后对激光面片文件进行预处理，删除空间不连续的点及边缘扫描不清晰的部分。

步骤S5：将处理完后的工程文件进行网格化，生成“.stl”网格文件。

使用软件“网格化”功能，生成网格文件“.stl”，网格点文件约有1亿个激光点数据。然后对网格文件“.stl”进行编辑处理，选择主菜单“网格”，对文件进行补洞、简化、去除特征等操作，并进行“简化”，将激光点数量简化为1000万个，便于后期处理。到此，利用三维扫描仪及其后处理软件，得到了可以导入到逆向建模软件的“.stl”网格文件，如图3所示。

步骤S6：采用3D建模软件对“.stl”文件进行叶片特征线提取和逆向建模，生成单个叶片曲面及实体。

（1）在3D建模软件中新建一个“建模”文件，导入步骤S6中生成的“.stl”文件，导入时选择输出类型为“收敛”，导入后在建模软件中看到生成一个收敛体。若导入不成功，则是扫描文件质量不合格，需要返回进行处理。

（2）建立坐标系，摆正收敛体。

在“曲线”菜单下，在扫描得到的收敛体1的泄水锥底部圆周上画一个圆，并作出两条互相垂直的半径，使用移动命令，将收敛体移动到原始坐标下，使坐标原点与泄水锥底部的圆重合，X轴与其中一条半径重合，Y轴与另一条半径重合。并根据图纸中泄水锥底部与导水机构中心线距离，再将收敛体下移，使坐标系Z轴零点与导叶中心线高程一致。

（3）提取上冠及下环回转曲线。

在“曲线”菜单中，选择“艺术样条”，在收敛体1上拾取曲面上的点，分别作出上冠样条曲线2、下环样条曲线3，曲线选择为三次及以上的曲率。为了确保精度，拾取点应尽可能的密且应避免拾取收敛体上的不规则区域的点。然后分别将拾取到的上冠样条曲线2和下环样条曲线3通过旋转命令沿Z轴生成回转面，即为上冠过流面和下环过流面。

在原始坐标下创建一个与XOZ平面重叠且包含上冠和下环的范围的矩形拉伸平面，用该平面对上冠过流面和下环过流面进行切割，从而得到了位于XOZ平面上的上冠回转曲线4和下环回转曲线5，如图5所示。

（4）在X0Z平面上的上冠和下环回转曲线之间作出数条与水流方向平行的叶片剖切面辅助曲线6，然后将其绕Z轴旋转生成旋转面，并用该旋转面依次切割收敛体叶片，得到一组收敛体叶片剖切面曲线7，如图5、图6所示。

在上冠和下环附近的叶片剖切面辅助线可采用“偏置曲线”工具，并进行加密确保叶片焊缝圆弧面光滑度，离上冠回转曲线和下环回转曲线的5条辅助线距离设置为10mm。其他辅助线可采用等间距的21条“艺术样条”曲线，之间的距离约为20-50mm。

（5）以收敛体叶片剖切面曲线组7为基础，使用“艺术样条”曲线工具在每一条剖切面线上作出叶片的逆向叶片剖切面曲线8，曲线可以采用二次或三次曲线，作图时在圆弧过渡区域进行拾取点的加密。

（6）分别利用上冠和下环附近的2组逆向叶片剖切面曲线8生成“直纹”曲面，并将该曲面向外进行延伸扩大40mm,同时，在XOZ作图平面上使用“偏置曲线”命令分别将上冠和下环回转曲线往叶片以外方向10mm处偏置生成曲线，并用该曲线绕Z轴旋转生成旋转曲面，用该旋转曲面与之前生成的“直纹”曲面生成切割曲线。按照与（5）相同的方法，以切割曲线为基础生成2条叶片外的逆向叶片剖面曲线8。

（7）使用“艺术样条”曲线工具，作出与（5）和（6）中生成的逆向叶片剖面曲线8连接的若干条与水流方向垂直的逆向叶片引导曲线9，引导曲线也采用二次或三次样条曲线。其中在进水边附近和出水边附近的叶片正反面各作1条，在叶片中部的正反面各作1条，如图7所示。

（8）使用曲面菜单中的“通过曲线网格”命令，以（5）和（6）中的逆向叶片剖面曲线8为基础曲线，以（7）中的逆向叶片引导曲线9为纵向引导线，生成逆向叶片曲面10，如图7、图8所示。

（9）以（3）中得到的上冠回转曲线4和下环回转曲线5绕Z轴旋转生成回转面，并用“曲面”下的“修剪与延伸”工具，将回转面与叶片曲面进行相互修剪，去除叶片曲面10多余部分，同时生成两个叶片与回转面相交部分的叶片上冠连接面11和叶片下环连接面12，如图8所示。

（10）将修剪后的叶片曲面10与上冠连接面11和下环连接面12进行“缝合”生成单个叶片体13。

步骤S7：将生成的单个叶片实体13采用“阵列”命令，绕Z轴生成14个均匀分布的叶片实体，如图9所示。

步骤S8：根据图纸数据，在XOZ草图平面上，补充上冠、下环及泄水锥的外部轮廓线，结合上冠回转曲线4、下环回转曲线5，将外轮廓线与回转曲线分别绕Z轴进行旋转生成转轮上冠体14和下环体15。

步骤S9：将上冠体14和下环体15与叶片体13并后生成完整的转轮实体，完成转轮逆向建模，如图10所示。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。