基于Geomagic Design X的螺旋槳逆向建模

摘 要：本文闡述了逆向建模技術在螺旋槳三維模型重構上的應用。通過對螺旋槳的三維掃描生成原始點云數據，利用Geomagic Wrap 進行點云數據的前處理，重點論述了基于 Geomagic Design X軟件中的境界擬合、回轉實體、面片擬合功能，完成了螺旋槳三維模型的重構任務。同時可以看出，逆向建模技術針對復雜曲面的產品與零件具有重構精度高、設計周期短的特點，該方法也為今后的產品結構優化、創新設計提供了方法和依據。

關鍵詞：Geomagic Design X;螺旋槳;逆向建模;槳葉;境界擬合

前言

逆向建模技術，也稱為反求技術，主要是通過數字化技術、幾何模型重構技術將產品實物轉變為CAD模型，進行結構優化，創新設計，最后制造出新產品的過程[1]。

螺旋槳作為輪船的動力推進裝置，而螺旋槳的槳葉很大程度上影響了輪船的推力，槳葉模型是不規則的曲面結構，設計時需要選擇螺距比、后傾角、厚度、截面半徑等參數，只有經過精確的計算、測量、反復實驗才能保證螺旋槳模型的精度[2]。為了縮短產品的設計周期，降低投入成本，可以采用逆向建模技術，使用掃描儀采集實物數據和Geomagic Design X軟件逆向建模技術，從而完成螺旋槳三維模型的重構任務。

1 點云數據采集與前處理

本文采用非接觸式雙目三維掃描儀，它是基于紅外光柵深度成像原理，能夠完成數據模型的自動拼接，主要步驟包括：掃描儀標定、噴涂顯像劑、制定掃描策略、掃描處理等，最后將點云數據保存為.asc文件。

由于掃描過程中會受到光照、場地環境和振動等因素的影響，得到的點云數據會有大量的冗余和噪點。在進行逆向建模之前需要將.asc文件導入 Geomagic Wrap 進行數據的前處理。Geomagic Wrap 擁有強大的點云處理能力，能夠快速完成點云到三角面片的過程。首先是點云階段，經過將點云著色、刪除非連接項、去除體外孤點、減少噪音、封裝數據，使點云數據轉換為多邊形模型。其次是多邊形階段，經過刪除釘狀物、填充孔、去除特征、網格醫生。最后將多邊形數據保存為.stl文件。

2 逆向建模

2.1逆向建模思路

螺旋槳是由槳葉與其相連結的槳轂組成。槳轂部分可以通過繪制輪廓草圖進行回轉實體生成。槳葉主要由葉面、葉背、導邊、隨邊組成，通過產品實物可以看出槳葉的葉面和葉背是復雜的不規則曲面，導邊、隨邊過渡圓的圓弧大小對螺旋槳的性能有極大的影響[3]。對于槳葉這樣復雜的曲面，一般可以利用Geomagic Design X提供的“面片擬合”功能，通過手動劃分多個領域進行面片擬合，利用3D樣條曲線裁剪面片，面片之間利用放樣功能連接，最后對邊緣處進行可變圓角。通過嘗試使用這種方法發現擬合精度比較低，特別是面片連接處和邊緣處誤差較大。另一種方法是利用境界擬合建模，境界擬合是通過3D面片草圖模式里的3D樣條曲面網格定義境界，根據面片運用的擬合運算來創建曲面，這種方法為自由形狀面片創建提供了一種簡單、快速的方法，但是使用境界擬合命令對于網格曲線的劃分要求比較嚴格，直接影響建模的品質，因此，在繪制境界線時應盡量使網格曲線為四條相似曲線組成的矩形特征。通過以上兩種建模方法的比較分析，本文采用第二種方法來建立槳葉的模型。

2.2逆向建模過程

（1）坐標對齊? 將處理好的.stl文件導入Geomagic Design X，通過手動繪制領域對槳轂進行領域組劃分，選擇手動對齊命令，找正坐標系。

（2）槳葉的建模? ?通過3D面片草圖中的樣條曲線來繪制其中一個槳葉的網格曲線，繪制過程中盡量保證網格曲線均勻分布，具有四條相似曲線組成的矩形特征。然后選擇境界擬合命令完成網格曲線曲面的創建。最后將境界擬合完成的曲面進行放樣連接。由于三個槳葉圍繞中心軸呈120度均勻分布，其他兩個槳葉可以通過陣列特征命令來完成建模。

（3）槳轂的建模? 選擇面片草圖命令，截出槳轂回轉體的截面輪廓，繪制出完整的草圖輪廓，然后回轉形成實體，對于整流帽上的特征處理可以利用手動劃分領域，進行面片擬合，利用面片擬合得到的曲面剪切回轉實體的方法。

（4）偏差分析? 將槳葉和槳轂合成一個實體，對槳葉根部進行圓角處理，最終重構出螺旋槳的三維模型，如圖1所示。利用Accuracy Analyzer偏差分析命令將生成實體與原始點云數據進行偏差分析，將偏差的上限設為0.03mm，下限設為-0.03mm，得到偏差分析色圖，如圖2所示。從偏差分析色圖可以看出模型整體上處于平均偏差內，面片擬合程度比較高，滿足精度要求。

3 結論

本文以螺旋槳為例，利用非接觸式雙目三維掃描儀和Geomagic Wrap軟件完成產品的點云數據采集與前處理，將處理好的.stl文件導入Geomagic Design X軟件進行槳葉和槳轂的模型曲面重建，得到螺旋槳的三維模型。本文通過產品逆向建模的方法，快速、高效完成實物建模和分析，而且重構精度高，接下來就可以對產品在正向軟件里進行結構優化及創新設計提供方法和依據，從而可以有效地縮短復雜曲面產品的設計周期，降低企業成本，具有較好的市場應用價值。

參考文獻：

[1]楊曉雪，閆學文.Geomagic Design X三維建模案例教程[M].北京：機械工業出版社，2016.

[2]程東，朱新河，鄧金文.基于 UG/Grip 的船用螺旋槳三維建模關鍵技術[J]，大連海事大學學報，2009，35 （ 4）：121-123.

[3]王知行，陳輝.并聯機床加工船用螺旋槳及CAM技術研究[J].機械設計與研究，2003，19（6）：55-58.

作者簡介：

李亞永（1987-），山東滕州人，碩士研究生，現任教于山東化工技師學院，主要研究方向：機械設計，3D打印技術及應用。