螺旋槳葉片的逆向設計方法研究*

翟歡樂，唐家興

（江蘇航空職業技術學院工程學院，江蘇鎮江212000）

0 引言

現如今，無人機已不像從前一樣單一的用在軍事方面，在民用領域也大放異彩，諸如農業植保、高空攝影、電力巡檢、特殊環境監測、災后救援等方面[1]。無人機螺旋槳，作為無人機動力裝置的重要部件，是保證無人機安全性能的重要組成部分，但同時也是無人機生產廠商嚴格控制和封鎖的重要核心技術。螺旋槳葉片如圖1所示，葉形呈空間自由曲面狀，通過正向設計方法很難得到葉片的三維CAD模型，利用逆向工程技術，獲取精確的螺旋槳葉片曲面模型，對螺旋槳再加工以及縮短新模型的研制周期及其制造成本有很大的現實意義[2]。

圖1 螺旋槳葉片

逆向工程技術的流程為點云采集、點云處理、模型重建及誤差分析。點云處理領域，劉宇[3]提出的基于法矢的點云拼合方法，由高斯映射不變量尋找對應點，再根據對應點間剛體變換的聚類特性來剔除錯誤的對應關系，通過迭代計算拼合的剛體變換；孫世為[4]提出的基于曲率RGB的多視點云拼合方法，遵循實物內部拓撲不變性，由曲率的RGB值來選取拼合的重疊子集，通過改進的ICP算法來實現重疊子集的拼合，實現了在目標點云中局部最優的整體拼和。模型重建領域，邢悅[5]針對曲面重構過程中存在曲面優化工作繁瑣且曲面精度難以達標等問題，提出一種以偏差檢測為指導的快速曲面優化方法；楊寶華[6]利用CATIA V5對航空發動機葉片進行了計算機輔助逆向設計，提出以“特征線”為中心進行完整連續的曲面重構的方法；馬榮影、儲江偉等[7]針對氣力推進艇螺旋槳葉片的逆向設計進行研究，通過提取輪廓線來構建曲面網格，然后進行擬合、建模及誤差分析；趙小敏[8]利用Geomagic Studio軟件中的形狀模塊功能和fasion功能模塊來修復原始損傷槳葉的各種缺陷，從而創建高質量的槳葉曲面。誤差分析領域，劉靜娜[9]建立了多個子曲面，通過對子曲面的誤差控制來提高曲面精度。本文選擇螺旋槳的一個葉片作為研究對象，借助Geomagic軟件研究點云的拼合過程、模型重建的不同方法。

1 點云拼合

對螺旋槳葉片前后面分別進行掃描及去噪處理，得到點云A與點云B，兩塊點云的重合區域僅為四周部分，如圖2所示。點云拼合有兩種方法，一是人為建立對應特征點進行拼合，具有較高的效率；二是根據點云的重合區域曲率特性進行拼合，具有較高的精度。為同時提高拼合效率及拼合精度，本文針對螺旋槳葉片點云的拼合采用兩步拼合法：第一步為利用特征點的點云粗拼合，第二步為利用曲率特性的點云精拼合。

圖2 螺旋槳葉片點云

1.1 特征點粗拼合

將點云A作為固定點云，點云B作為浮動點云。在點云A的四周重合區域選取5個特征點，并在點云B對應位置選取5個特征點，如圖3所示。

圖3 選取特征點

根據5對特征點的參數信息求解點云A與點云B的坐標變換旋轉矩陣R與平移矩陣T。

旋轉矩陣R可表示為：

平移矩陣T可表示為：

1.2 點云精拼合

利用Geomagic軟件自帶的點云整體對齊工具進行精拼合，設置迭代次數及最大平均偏差，依據點云重合區域的曲率相同特性，進行點云的對齊，選取葉片的兩個截面來評估拼合效果，如圖4所示，可判定兩塊點云的重合效果較好。

圖4 點云拼合效果

2 重建模型

重建模型采用兩種方法，一是刷取法，直接用點云去生成面片，再通過領域刷取生成曲面體；二是曲線法，由點云封裝、樣條曲線繪制等，對曲線分割后通過曲面填補來生成曲面體。

2.1 刷取法重建模型

（1）生成面片模型：通過對幾何形狀捕捉精度的調節，來提高面片模型準確度。

（2）進行輪廓提取：首先選擇與模型平行的平面作為基準平面進行輪廓投影，得到參考輪廓線，再使用直線、樣條曲線、圓角等盡可能平滑地繪制出葉片的閉合輪廓線草圖，最后使用Accuracy Analyzer檢查分離點。

（3）生成胚體：得到輪廓線后進入胚體生成階段。在面片模型的下方拉伸出一個完全覆蓋模型的實體矩形，再將上一階段得到的輪廓草圖拉伸為面片，作為工具切割該實體，最后將得到一個外輪廓與模型相同的實體。

（4）領域刷取：用筆刷工具在面片體的上下兩面進行領域的刷取與修正。根據不同位置的曲率將兩個面都分為若干個不同的領域，對每個領域進行面片擬合并調整曲面大小與角度，生成若干曲面。

（5）生成模型：將同一面的擬合面片進行曲面修剪合并生成一個完整曲面，將曲面體作為工具去修剪胚體，得到螺旋槳實體雛形，再進行局部細化處理即得到最終模型，如圖5所示。

圖5 刷取法重建模型

2.2 曲線法重建模型

（1）曲線繪制：沿著表面繪制樣條曲線，盡可能地繪制成閉合線圈。在曲率變化較小的區域繪制的曲線稀疏，在曲率變化較大的區域繪制的曲線密集，交錯形成四邊形。

（2）曲線分割：對曲線進行調整，使其更貼合面片體表面，且曲率變化盡可能的小；使用分割命令，對曲線進行交叉點處的分割，形成若干小四邊形。

（3）曲面填補：對每個小四邊形逐一進行面填補，全部填補完成后進行曲面縫合，得到曲面體。

（4）生成模型：將封閉的曲面體直接生成三維模型，再進行局部細化處理即得到最終模型，如圖6所示。

圖6 曲線法重建模型

3 誤差分析

針對兩種方法重建的模型進行直觀比較，曲線法重建的模型更加光順，與實物更相似；刷取法重建的模型在輪廓上有缺陷，主要是由于部分區域點云缺失導致。

針對重建模型與點云數據進行誤差分析，分別在刷取法和曲線法重建的曲面體上各截取了12條曲線，每一條曲線與點云的偏差如圖7所示，針對每一條曲線與點云的偏差取平均值，可得到重建模型與點云的誤差情況，如圖8所示。通過比較發現，兩種方法重建的模型與點云數據相比，誤差分布情況相差不大，但與實物相比，曲線法重建的模型誤差明顯小于刷取法重建的模型誤差。

圖7 截面曲線與點云的偏差

圖8 重建模型與點云的誤差

4 結束語

（1）先建立特征點進行粗拼合，再根據曲率特性進行精拼合，能夠使得螺旋槳葉片點云的拼合同時具有較高的拼合速度和拼合精度。

（2）刷取法重建模型的優點是操作簡單；缺點是僅適用于質量較高的點云，當點云質量不高時，生成的曲面體比較扭曲，邊緣處會產生許多缺陷。

（3）曲線法重建模型優點是由于操作時加入了正向設計理念，對點云的適用性較強，能克服局部點云缺陷問題，生成的曲面與實物更相符；缺點是操作過程比較復雜。

（4）誤差分析數據僅能體現模型與點云的誤差，無法表達出模型與實物的誤差，需要人為測量、判斷。