船用螺旋槳的逆向造型方法與研究

螺旋槳是船舶推進器的核心元件，螺旋槳制造品質的優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雜，導致了其葉片的設計和檢測難度大。采用逆向工程技術對螺旋槳進行三維模型重構，這種方法大大縮短了葉輪的設計周期，并可以方便的進行偏差分析，有效地保證了重構模型的精度。下面介紹應用逆向工程設計制造船用螺旋槳的方法，著重研究逆向工程應用于復雜型面零件再造的關鍵技術。

1 型面點云數據采集

點云數據采集是逆向工程中的一個重要環節，點云的質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據的獲取方法根據測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復雜，應用接觸式測量方法難度較大、且效率低下，故采用非接觸是測量更方便、快捷。本文介紹了非接觸式方法對葉輪型面數據進行采集的過程，我們所使用的設備為非接觸式三維激光掃描儀，該掃描儀掃描精度可達兩點間距0.2mm。其原理為光學三角形原理，測量速度快且不必逐點測量。所得點云間隔為0.2mm，共有離散點13393個。

2 對采集的點云數據進行處理

點云數據的處理也就是點云截片的截取及去噪、光順等過程。

葉片點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云截片，這種方法所截取的點云截片中，其包含的葉片與漿轂連接處的數據過少，不利于三維模型的重構。第二種為沿著葉輪徑向截取點云截片，按此方法截取的點云截片，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據，可保證重構模型的質量和精度。

為提高點云截片的質量，以保證重構模型的質量，需要對已有截片進行刪除噪音點、簡化等處理，并應用高斯光順法進行光順，該方法在光順的同時能較好的保持原數據的形貌。

3 曲線、曲面擬合與CAD模型重構

基于NURBS曲線、曲面原理利用軟件對已處理過的點云切片為基礎擬合出葉片曲線，進而得出葉片表面曲面。

4 逆向模型3D偏差分析

在點云數據采集、修整以及曲線曲面擬合過程中會出現偏差和模型失真，所以對重構模型進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等軟件對逆向模型和數字化模型進行對比和分析，為零件是否合格提供有力依據。

由于葉輪類零件在逆向設計過程中的偏差要求及標準尚未有明確規定，此處以螺旋槳修理后的偏差要求對重構模型進行偏差評定，即偏差小于整體尺寸的0.5%視為I級。

如果重構三維模型與原始點云偏差在-2～+2mm之間，模型與原始點云偏差較大。通過進一步對點云進行光順、調整曲線控制點等修改后得出重構葉輪模型，再次進行偏差檢驗。此時重構模型與原始點云偏差絕大多數在-0.5～+0.5mm之間，已滿足精度要求。

以偏差分析合格為依據最終得出重構CAD模型，并據此CAD模型應用快速成型機制造出實體。