基于逆向工程的船舶螺旋槳數字化設計及數控加工技術探討*

張鵬程，嚴 陳，張 軼，季 惠

（江蘇食品藥品職業技術學院，江蘇淮安 223003）

0 引言

近年來，全球各國持續推行經濟全球化措施，其中的典型代表便是我國提出的“一帶一路”建設倡議，這極大地推動了各種產品在世界范圍內的流通，而運載量大、安全性高、經濟性好的“水運”，已然成為了全球商品貿易的主要運輸途徑。船舶在運行時，會受到各種極端惡劣條件的影響，船身結構及主要零部件也會受到水的沖擊和侵蝕，特別是曲面結構相當復雜的螺旋槳[1]。船舶發動機通過帶動螺旋槳在水下高速旋轉將動力轉化為其推進的作用力，而旋轉產生的空泡效應等又會破壞螺旋槳的結構。此外，為了提高船舶的主機動力轉化率、質量及使用壽命，除了優異的流體動力學特性是螺旋槳所必須具備的，在生產加工時也應該更多采用硬質合金材料，故針對船舶螺旋槳設計與制造技術的研究是目前全球行業內的熱點[2]。

螺旋槳設計與加工技術作為船舶工業的核心，其復雜曲面的設計、加工技術一直都被發達國家嚴格封鎖、控制著，由于我國船舶工業發展起步晚，相關技術相對落后，大功率螺旋槳的核心設計數據以及制備工藝相當缺乏[3]。而逆向工程技術就可以借助三維數據采集設備、傳感器、三維建模軟件等從實際螺旋槳出發，通過數據預處理、模型重構等最終獲得螺旋槳的參數化三維模型[4]。本文以逆向工程技術的主要流程與關鍵環節為導向，研究了船舶螺旋槳的逆向建模、曲面擬合以及自動化加工技術等問題，這對于螺旋槳設計水平的改善提高，制造加工先進核心技術的獲取皆有著重要的意義。

1 逆向工程技術

目前來看，全球主流逆向工程技術大致可以分為以下3 種：幾何逆向、工藝逆向以及材料逆向。其主要技術路線是從實物出發，借助三維數據采集裝備（三維掃描儀或三坐標測量儀等）以及建模軟件，最終獲取實物的詳細幾何參數和加工模型。同時，依據所研究的實際對象不同，相應地有3 種不同的研究方法：實物反求、影像反求以及軟件反求[5]。在本文研究中，主要采用的逆向工程方法是實物反求法，即從實體螺旋槳出發，借助三維數據采集設備及建模軟件，對某船舶螺旋槳開展數字化設計及數控加工技術研究，如圖1 所示為本文研究的流程。如圖所示的逆向工程流程中，包括數據采集與測量、數據預處理、數字化模型設計以及自動數控加工技術開發等在內的均為關鍵環節[6]。

圖1 逆向工程流程Fig.1 Flow chart of reverse engineering

1.1 數據采集與測量

在逆向工程中最基本的環節就是工件實物三維數據的采集與測量，為了保證后續CAD 模型構建的精度，必須要獲得準確的實物參數信息。在進行工件實物逆向工程數據測量與采集時，按數據獲取方式的不同，一般有接觸式和非接觸式2 種方法，在下文中將對這兩種數據測量技術的異同點作詳細闡述。

1.2 數據預處理

逆向工程中所采集的原始三維數據含有大量的“噪點”，即干擾信息。測量過程中的設備噪聲、環境干擾等因素均可導致上述“噪點”的產生，可以通過“噪點”過濾、數據拼合等方式對三維數據進行預處理從而將所獲得的三維數據中的干擾信息剔除掉[7]。若不對逆向工程中所獲取的三維數據進行預處理或處理效果不好，則都會對后期三維模型構建的質量產生直接影響。

1.3 數字化模型設計

在做好前期工作的基礎上，實體數字化模型的構建才是逆向工程的最終目標。在進行實體數字化建模時仍然存在較多關鍵問題需要注意，比如當模型比較復雜時，僅用一張曲面很難描述完整，那么就需要多張曲面組合來進行表達；因實體的三維參數信息非常龐大，故可對數據進行分割并建立數據子集，然后分別針對各數據子集進行模型的構建[8]。

1.4 數控加工技術

目前，在行業內配合逆向工程的主流曲面加工技術主要包括：數字化曲面加工、STL 快速成型（3D 打印）以及CAD∕CAM 系統和數控機床加工3 種。其中，數字化曲面加工技術可以實現測量與加工的一體化，去除數據采集、處理及模型重構等中間環節，顯著提高逆向工程效率，但諸如異形曲面難以加工、刀具補償效果差等問題依然存在；而3D打印技術盡管可以有效縮短逆向工程周期，但成型技術還不完善，產品精度不夠高后期需要進一步精加工處理[9]。

2 船舶螺旋槳三維數據采集

本文中針對船舶螺旋槳的逆向工程，充分利用了諸如傳感器、圖像處理等技術，本節中將重點介紹螺旋槳三維數據的采集與測量方法。

在進行實體數據測量時，可以運用有損測量和無損測量技術，其中有損測量顧名思義會對測量實體造成一定的損壞，故該技術不常用于逆向工程領域；相反無損測量不僅不會損壞實體，且測量精度很高，因此在逆向工程領域應用非常廣泛，無損測量技術按其測量工作原理的不同又可分為接觸式和非接觸式兩種。

2.1 接觸式測量

接觸式測量方法的基本原理是：利用測量探頭與被測實體表面進行接觸，隨著探頭在實體表面的“游走”，信號觸發并在輔助計算機中記錄下任一時刻標定的傳感器數值，從而獲取實體表面的任一位置的三維坐標值，圖2所示為接觸式測量中常用的三坐標測量儀。

圖2 三坐標測量儀Fig.2 3D coordinate measuring machine

2.2 非接觸式測量

所謂非接觸式測量，就是測量設備與被測實體表面不直接接觸，而是通過光電技術獲取得到三維實體參數。非接觸式測量方法主要包括：電渦流、超聲測量、計算機視覺測量、激光干涉等[10]。相對于2.1 節介紹的接觸式測量方法而言，非接觸式能避免被測物體表面發生輕微形變，這樣即可保證三維數據采集的高精度。圖3～4 所示為目前逆向工程中廣泛使用的三維掃描儀及其工作系統組成圖。

圖3 三維掃描儀Fig.3 Three-dimensional scanner

圖4 三維掃描儀工作系統組成Fig.4 Working system of three-dimensional scanner

本文研究中，在對某船舶螺旋槳實體的三維數據采集與測量時，采用了無損測量技術中的非接觸式測量法，圖5 所示為掃描儀掃描并經去燥、平滑等預處理后得到的船舶螺旋槳三維數據點云圖。

圖5 船舶螺旋槳三維數據點云圖Fig.5 Three-dimensional point cloud of ship propeller

3 船舶螺旋槳三維模型自由曲面擬合

因螺旋槳槳葉部分的曲面非常復雜，所以在針對螺旋槳的逆向工程求解過程中，最復雜、最關鍵的步驟是對槳葉三維數字模型的構建[7]。而在構建槳葉模型時特別需要注意的是曲面擬合問題，可以說曲線擬合效果的好壞決定了整個螺旋槳三維模型構建的精度。在構建三維模型時，目前常用的曲面擬合方法包括以下幾種。

3.1 基于NURBS樣條曲線曲面擬合法

所謂NURBS 即非均勻有理B 樣條，具體指的是一個頂點控制力，且其范圍可變，在對不規則曲面進行擬合的時候能對曲線度有很好的控制，使構建的三維模型更加逼真。

NURBS樣條曲線函數表達式為：

式中：Ni,k(t)為k階樣條基函數。

3.2 基于Bezier曲線曲面擬合法

Bezier 曲線由可拖動節點和可伸縮線段組成，可以根據實際情況非常精確的繪制出所需的曲線，其主要應用于二維圖形的構建。

Bezier曲線函數表達式為：

3.3 基于B-Spline曲線和多面體逼近曲面擬合法

B-Spline曲線函數表達式為：

其中，si與曲面的函數模型如圖6所示。

圖6 三次B-Spline曲線的函數模型Fig.6 The function model of the three B-Spline curve

將B-Spline 樣條曲線與多面體逼近算法相結合，構建的復雜三維模型不僅精度較高，而且整體渲染效果也非常好，目前針對復雜實體曲面的逆向工程多運用多面體逼近的曲面擬合技術[11]，如圖7 所示為螺旋槳三維重構模型。

圖7 船舶螺旋槳三維重構模型Fig.7 Three-dimensional reconstruction model of ship propeller

4 船舶螺旋槳自動化加工技術研究

長期以來，針對船體表面、螺旋槳等具有復雜曲面結構件的生產加工一直是困擾船舶工業的重難點，隨著我國的逆向工程與數控加工技術不斷發展，對船舶螺旋槳復雜曲面的加工不僅質量得到了保障，加工效率也大幅度提升[12]。在本文研究中，除了對船舶螺旋槳進行了數字化設計研究，還做了螺旋槳復雜曲面自動化加工技術開發的相關研究工作，其中主要重點環節有以下兩條。

4.1 曲面數控加工方法

由于船體、螺旋槳等結構件工作環境惡劣，綜合性能要求高，故通常采用硬質合金材料，另外船舶螺旋槳的表面曲面復雜，所以數控加工方法的選擇需要慎重考慮。在本文研究中采用的數控加工方法是：銑削加工行切法[13]。所謂行切法指的就是刀具平行于零件輪廓切點軌跡，編程簡單、去除材料效率高等是該切削方法主要優點。

4.2 數控加工模塊開發

在進行數控加工CAM 模塊設計時采用參數設計思路，圖8 所示為本文研究中數控加工模塊工作流程，該流程具有良好的開放性、容錯性等特點。

圖8 船舶螺旋槳數控加工模塊流程Fig.8 CAM procedure for ship propeller

5 結束語

所謂逆向工程即從實際工件出發，輔助以對其關鍵特性的數據測量和采集，從而獲得數字化模型的系統工程。艦船及其相關部件的數字化逆向工程難度較大，為提高船舶部件復雜曲面結構件的設計、加工效率及質量，本文以某型船舶螺旋槳為對象探討了基于逆向工程的復雜曲面數字化設計及數控加工技術，重點闡述了螺旋槳的三維參數采集、分析、處理以及CAD 模型構建等內容，同時還對相關自動化加工技術作了說明。研究結果表明，逆向工程技術可顯著提高船舶復雜曲面部件的自動化加工精度和效率，具有很高的應用價值及推廣意義，同時對其他復雜結構件的數字化設計、加工技術研究也有著積極的促進作用。