船用螺旋槳的逆向造型方法與研究

螺旋槳是船舶推進(jìn)器的核心元件，螺旋槳制造品質(zhì)的優(yōu)劣將直接影響船舶的整體性能。船用螺旋槳葉片型面較為復(fù)雜，導(dǎo)致了其葉片的設(shè)計(jì)和檢測(cè)難度大。采用逆向工程技術(shù)對(duì)螺旋槳進(jìn)行三維模型重構(gòu)，這種方法大大縮短了葉輪的設(shè)計(jì)周期，并可以方便的進(jìn)行偏差分析，有效地保證了重構(gòu)模型的精度。下面介紹應(yīng)用逆向工程設(shè)計(jì)制造船用螺旋槳的方法，著重研究逆向工程應(yīng)用于復(fù)雜型面零件再造的關(guān)鍵技術(shù)。

1 型面點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集是逆向工程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，點(diǎn)云的質(zhì)量將直接影響造型精度和偏差大小。逆向工程中物體表面三維數(shù)據(jù)的獲取方法根據(jù)測(cè)量探頭是否與零件表面接觸，分為接觸式和非接觸式兩類。

由于螺旋槳型面相對(duì)復(fù)雜，應(yīng)用接觸式測(cè)量方法難度較大、且效率低下，故采用非接觸是測(cè)量更方便、快捷。本文介紹了非接觸式方法對(duì)葉輪型面數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的過程，我們所使用的設(shè)備為非接觸式三維激光掃描儀，該掃描儀掃描精度可達(dá)兩點(diǎn)間距0.2mm。其原理為光學(xué)三角形原理，測(cè)量速度快且不必逐點(diǎn)測(cè)量。所得點(diǎn)云間隔為0.2mm，共有離散點(diǎn)13393個(gè)。

2 對(duì)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理也就是點(diǎn)云截片的截取及去噪、光順等過程。

葉片點(diǎn)云截片的常用截取方法有兩種。第一種為沿著葉輪軸向截取點(diǎn)云截片，這種方法所截取的點(diǎn)云截片中，其包含的葉片與漿轂連接處的數(shù)據(jù)過少，不利于三維模型的重構(gòu)。第二種為沿著葉輪徑向截取點(diǎn)云截片，按此方法截取的點(diǎn)云截片，不僅能全面的反映出葉片的型面特征，還包含了大量的葉片與漿轂連接處的數(shù)據(jù)，可保證重構(gòu)模型的質(zhì)量和精度。

為提高點(diǎn)云截片的質(zhì)量，以保證重構(gòu)模型的質(zhì)量，需要對(duì)已有截片進(jìn)行刪除噪音點(diǎn)、簡(jiǎn)化等處理，并應(yīng)用高斯光順法進(jìn)行光順，該方法在光順的同時(shí)能較好的保持原數(shù)據(jù)的形貌。

3 曲線、曲面擬合與CAD模型重構(gòu)

基于NURBS曲線、曲面原理利用軟件對(duì)已處理過的點(diǎn)云切片為基礎(chǔ)擬合出葉片曲線，進(jìn)而得出葉片表面曲面。

4 逆向模型3D偏差分析

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、修整以及曲線曲面擬合過程中會(huì)出現(xiàn)偏差和模型失真，所以對(duì)重構(gòu)模型進(jìn)行偏差分析并修改是必不可少的。在偏差分析中多借用Geomagic Qualify、Polyworks、Copycad等軟件對(duì)逆向模型和數(shù)字化模型進(jìn)行對(duì)比和分析，為零件是否合格提供有力依據(jù)。

由于葉輪類零件在逆向設(shè)計(jì)過程中的偏差要求及標(biāo)準(zhǔn)尚未有明確規(guī)定，此處以螺旋槳修理后的偏差要求對(duì)重構(gòu)模型進(jìn)行偏差評(píng)定，即偏差小于整體尺寸的0.5%視為I級(jí)。

如果重構(gòu)三維模型與原始點(diǎn)云偏差在-2～+2mm之間，模型與原始點(diǎn)云偏差較大。通過進(jìn)一步對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行光順、調(diào)整曲線控制點(diǎn)等修改后得出重構(gòu)葉輪模型，再次進(jìn)行偏差檢驗(yàn)。此時(shí)重構(gòu)模型與原始點(diǎn)云偏差絕大多數(shù)在-0.5～+0.5mm之間，已滿足精度要求。

以偏差分析合格為依據(jù)最終得出重構(gòu)CAD模型，并據(jù)此CAD模型應(yīng)用快速成型機(jī)制造出實(shí)體。