船用螺旋桨的逆向造型方法与研究

2011-05-10付大鹏王小旭程艳艳

制造业自动化 2011年16期

付大鹏，王小旭，程艳艳

（1. 东北电力大学机械工程学院，吉林 132012；2. 吉林工业职业技术学院，吉林 132012）

0 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。

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。

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。

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。

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明确规定，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Ⅰ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Ⅰ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。