空气螺旋桨逆向建模

任建勋

（武警工程大学 装备工程学院，西安 710086）

0 引言

当前，随着CAD/CAM 技术、测量技术和先进制造技术的发展，使研究人员更容易实现产品实物的逆向工程。开展逆向工程的主要目的是研究人员在不易获得现有产品必要信息的条件下，直接从成品的分析中推导出产品的相关信息。因此逆向工程是一系列分析方法和应用技术的结合，是一个“认识原型→再现原型→超越原型”的过程［1］。

螺旋桨是多旋翼无人机的主要推进器，其设计性能和制造精度直接决定多旋翼无人机功率的利用效率、飞行性能、噪声等性能。为满足设计中不断改进、制造及研究中节约成本的需求，并且获取旋翼更多的相关信息，本文采用逆向工程的方法，获得已有的旋翼几何外形的点云数据并处理数据，用Pro/E 重构旋翼的CAD 模型，

1 空气螺旋桨三维点云数据的获取

用逆向工程方法进行空气螺旋桨曲面的重构。三维光学扫描仪采用的是天远OKIO-400 型，如图1。天远OKIO-400 型具有扫描精度高、数据量大、扫描速度快、非接触式扫描等优点。关键部件有计算机、光栅发射器CCD摄像机两架、1394卡及线缆、标定块、标志点等，如图2。

由于螺旋桨是薄壁件，所以在测量过程中采用“建立框架拼接”测量模式来降低测量过程中的误差。由于每相邻两次之间的公共标志点至少为4 个，对螺旋桨一面三维扫描测量完后需要借助其他的参照物过渡到另一面，从而获取曲面的点云数据如图3。数据预处理是模型重构前的必要准备，是逆向工程的重要一步。运用Geomagic Studio12 软件对采集点云数据的显示，去除噪声点，修复缺损数据，精简点云数据，分割点云数据，得到预处理的点云数据如图4。

图1 天远OKIO-400三维扫描仪

图2 系统组成框图

图3 点云图

2 模型重构

2.1 曲面模型重构

曲面模型重构是逆向工程中最为重要的一步［3］。拟合曲面的过程中需要选择合适参数，从而可用最少的曲面片建立较为精确的曲面模型，因此在曲面重构之前需要了解其曲面的特性和曲面的数学模型。反求软件加Imageware 采用的是NURBS 曲面模型。NURBS 方法不但较好地处理了自由型曲线曲面，与B 样条方法相统一，而且又能精确表示二次曲线弧与二次曲面的问题。非均匀有理B 样条线（Non Uniform Rational BSPline，简称NURBS）数学描述为［2］：

图4 预处理点云图

式中：Pi为控制顶点；ωi为权因子；t 为参数值；m 为m 阶B-Spline 的阶次；Ni，m（t）为m 阶B-Spline 基函数；Ri，m（t）为有理基函数。

根据几何变形和投影变换的不变性，可以将NURBS 曲线应用到二维平面，可以得到NURBS 曲面，其数学描述为：

式中：Pi，j为矩形域上特征网格控制点列；ωi，j为一控制点上的加权因子；（u）为m1阶B 样条基函数；（v）为m2阶B 样条基函数。

从点云数据中提取特征线，曲线误差分析，构建螺旋桨叶片曲面，如图5。

图5 螺旋桨叶片曲面图

2.2 三维模型重构

完成螺旋桨曲面重构后将文件保存为IGES 格式，并导入到Pro/E 内，对壳体进行填充、实体化，得到螺旋桨的三维模型。

3 结论

本文结合应用多种软件，大大缩短了设计周期，提高了设计精度。为螺旋桨做FLUENT 虚拟风洞实验提供了实物依据，为研究螺旋桨的空气动力学特性提供了支持，并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。

［1］刘伟军，孙玉文.逆向工程原理方法及应用［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［2］王继群.基于无动力排风扇叶片曲面的逆向设计及关键技术研究［D］.北京：北方工业大学，2009.

［3］陶彦辉.光学扫描方法在曲面重构中的应用［J］.新疆有色金属，2011（6）：89-90.