船用螺旋桨的逆向造型方法与研究.doc

船用螺旋桨的逆向造型方法研究Reverse model and analysis of marine propellers付大鹏1,王小旭1,程艳艳2FU Da-peng1 ,WANG Xiao-xu1 ,CHENG Yan-yan2（1.东北电力大学机械工程学院 吉林 吉林132012；2.吉林工业职业技术学院吉林 吉林132012）（School of Mechanical engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012）摘要：本文详细介绍了船用螺旋桨的三维实体逆向造型方法，包含了点云采集、模型重构以及偏差检验的全部过程。对逆向工程应用于复杂型面的重构进行了深入的探索和研究，为类似的复杂型面零件的造型提供了很好的思路。关键词：逆向工程；船用螺旋桨；偏差分析Abstract：This paper describes the three-dimensional solid reverse modeling approach of marine propeller, including the point cloud acquisition, model reconstruction, and the whole process of checking the bias. Conducted in-depth exploration and research of reverse engineering for the reconstruction of complex surfaces, provides a good idea for the similar parts of complex surface modeling.Keywords：reverse engineering; marine propeller; deviation analysis中图分类号：TH164 文献标识码：A0 引言螺旋桨是船舶推进器的核心元件，螺旋桨制造品质的优劣将直接影响船舶的整体性能1。船用螺旋桨叶片型面较为复杂，导致了其叶片的设计和检测难度大2。本文采用逆向工程技术对螺旋桨进行三维模型重构，这种方法大大缩短了叶轮的设计周期，并可以方便的进行偏差分析，有效地保证了重构模型的精度。本文介绍了应用逆向工程设计制造船用螺旋桨的方法，着重研究逆向工程应用于复杂型面零件再造的关键技术。1 型面点云数据采集点云数据采集是逆向工程中的一个重要环节，点云的质量将直接影响造型精度和偏差大小。逆向工程中物体表面三维数据的获取方法根据测量探头是否与零件表面接触，分为接触式和非接触式两类。由于螺旋桨型面相对复杂，应用接触式测量方法难度较大、且效率低下，故采用非接触是测量更方便、快捷。本文介绍了非接触式方法对叶轮型面数据进行采集的过程，我们所使用的设备为加拿大CREAFORM公司生产的EXAscan非接触式三维激光扫描仪，该扫描仪扫描精度可达两点间距0.2mm。其原理为光学三角形原理 3，测量速度快且不必逐点测量。所得点云如图1所示。图中点间隔为0.2mm,共有离散点13393个。图1 三坐标激光扫描仪获得点云2 对采集的点云数据进行处理点云数据的处理也就是点云截片的截取及去噪、光顺等过程。叶片点云截片的常用截取方法有两种。第一种为沿着叶轮轴向截取点云截片，这种方法所截取的点云截片中，其包含的叶片与浆毂连接处的数据过少，不利于三维模型的重构。第二种为沿着叶轮径向截取点云截片，按此方法截取的点云截片，不仅能全面的反映出叶片的型面特征，还包含了大量的叶片与浆毂连接处的数据，可保证重构模型的质量和精度。本文用第二种方法进行截取，应用Imageware软件截取一组点云切片如图2所示图2 Imageware截取的点云为提高点云截片的质量，以保证重构模型的质量，需要对已有截片进行删除噪音点、简化等处理，并应用高斯光顺法进行光顺，该方法在光顺的同时能较好的保持原数据的形貌。处理后的点云如图3所示图3 Imageware处理后的点云3.曲线、曲面拟合与CAD模型重构基于NURBS曲线、曲面原理利用Pro/E软件对已处理过的点云切片为基础拟合出叶片曲线如图4所示，进而得出叶片表面曲面如图5所示。图4 曲线拟合图5 叶片型面4 逆向模型3D偏差分析在点云数据采集、修整以及曲线曲面拟合过程中会出现偏差和模型失真，所以对重构模型进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等软件对逆向模型和数字化模型进行对比和分析,为零件是否合格提供有力依据。由于叶轮类零件在逆向设计过程中的偏差要求及标准尚未有眀却规定，此处以螺旋桨修理后的偏差要求对重构模型进行偏差评定，即偏差小于整体尺寸的0.5%视为级，本文所用叶轮尺寸为140mm，计算得偏差值在-0.7 +0.7mm之间便为级。在Geomagic Qualify软件中将原始点云与逆向模型进行3D偏差比较并输出报告。图6为比较结果直方图。图6 修改前偏差分析直方图由图可见重构三维模型与原始点云偏差在-2mm+2mm之间，模型与原始点云偏差较大。通过进一步对点云进行光顺、调整曲线控制点等修改后得出重构叶轮模型，再次进行偏差检验得3D偏差分析直方图如图7所示。此时重构 模型与原始点云偏差绝大数在-0.5+0.5mm之间，已满足精度要求。图7 修改后偏差分析直方图以偏差分析合格为依据最终得出重构CAD模型如图8所示，并据此CAD模型应用快速成型机制造出实体如图9。图8 三维CAD模型图9 快速成型的叶轮模型5 结论 本文以船用螺旋桨为例，详细阐述了逆向工程应用于复杂型面零件造型的全部过程，结合应用多种软件，大大缩短了设计周期，提高了设计精度。对其它复杂型面零件的逆向设计具有一定的指导和借鉴意义。 参考文献1 孙自立.船舶用螺旋桨原理及修理M.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2009,1-53.2 张德海,梁晋,郭成,高军伟. 三维数字化尺寸检测在逆向工程中的研究及应用J.机械研究与应用,2008(8).3 程俊廷,张树林,韩明,黄树槐.反求工程在快速成型中的应用J.精密制造与自动化,2003(1)4 赖喜德,周树琴.叶片式流体机械的数字化设计与制造M.成都:四川大学出版社,2007,74-107. 5 侯跃谦,谭庆昌,史尧臣. 汽车后视镜的逆向造型设计