船用螺旋槳的逆向造型方法與研究

付大鵬，王小旭，程艷艷

（1. 東北電力大學 機械工程學院，吉林 132012；2. 吉林工業職業技術學院，吉林 132012）

0 引言

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[1]。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[2]。本文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。本文介紹了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加拿大CREAFORM公司生產的EXAscan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[3]，測量速度快且不必逐點測量。所得點云如圖1所示。圖中點間隔為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。本文用第二種方法進行截取，應用Imageware軟件截取一組點云切片如圖2所示。

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。處理后的點云如圖3所示。

3 曲線、曲面擬合與CAD模型重構

基于NURBS曲線、曲面原理利用Pro/E軟件對已處理過的點云切片為基礎擬合出葉片曲線如圖4所示，進而得出葉片表面曲面如圖5所示。

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[5]。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，本文所用葉輪尺寸為140mm，計算得偏差值在-0.7 +0.7mm之間便為Ⅰ級。在Geomagic Qualify軟件中將原始點云與逆向模型進行3D偏差比較并輸出報告。圖6為比較結果直方圖。

由圖可見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，再次進行偏差檢驗得3D偏差分析直方圖如圖7所示。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模型如圖8所示，并據此CAD模型應用快速成型機制造出實體如圖9所示。

5 結論

本文以船用螺旋槳為例，詳細闡述了逆向工程應用于復雜型面零件造型的全部過程，結合應用多種軟件，大大縮短了設計周期，提高了設計精度。對其它復雜型面零件的逆向設計具有一定的指導和借鑒意義。

[1] 孫自立. 船舶用螺旋槳原理及修理[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學出版社, 2009: 1-53.

[2] 張德海, 梁晉, 郭成, 高軍偉. 三維數字化尺寸檢測在逆向工程中的研究及應用[J]. 機械研究與應用, 2008(8).

[3] 程俊廷, 張樹林, 韓明, 黃樹槐. 反求工程在快速成型中的應用[J]. 精密制造與自動化, 2003(1).

[4] 賴喜德, 周樹琴. 葉片式流體機械的數字化設計與制造[M]. 成都: 四川大學出版社, 2007: 74-107.

[5] 侯躍謙, 譚慶昌, 史堯臣. 汽車后視鏡的逆向造型設計與分析[J]. 工程與試驗, 2010(12).