基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的螺旋槳葉型數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)

徐曉棟+龔玉玲+印晶

摘 要：針對(duì)螺旋槳葉型檢測(cè)難、耗時(shí)多等問題，提出了采用手持式三維掃描儀獲取螺旋槳葉型表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，優(yōu)化精簡(jiǎn)后，導(dǎo)入到Geomagic Qualify軟件中，與螺旋槳原始三維模型進(jìn)行偏差比較的螺旋槳葉型數(shù)字化檢測(cè)新途徑。經(jīng)過實(shí)例驗(yàn)證，該方法可提高螺旋槳葉型檢驗(yàn)的效率和精度。

關(guān)鍵詞：螺旋槳；葉型檢測(cè)；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.24.023

螺旋槳作為船舶推進(jìn)器的關(guān)鍵部件，其制造水平直接關(guān)系到船舶的性能。隨著我國制造技術(shù)的高速發(fā)展，螺旋槳的數(shù)字化制造已經(jīng)成為發(fā)展的主流方向。但在螺旋槳的檢測(cè)方面，由于自身體積較大且葉型是復(fù)雜的空間曲面，檢測(cè)工作困難，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法難以滿足發(fā)展要求。因此，迫切需要尋找一種高效、高精的螺旋槳葉型制造精度檢測(cè)方法。

1 螺旋槳葉型數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)

目前，國內(nèi)外葉型檢測(cè)的方法主要有標(biāo)準(zhǔn)樣板法、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。標(biāo)準(zhǔn)樣板法是將標(biāo)準(zhǔn)樣板與實(shí)際葉片零件相比較，通過接觸部分的間隙大小來估算偏差。該方法操作簡(jiǎn)單，使用方便，但測(cè)量精度低，且制作標(biāo)準(zhǔn)樣板費(fèi)用較高。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量精度高，在葉型檢測(cè)中被廣泛使用，但三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量效率較低、測(cè)量范圍有限，在檢測(cè)大曲率、大體積的螺旋槳時(shí)，困難較大。

三維激光掃描技術(shù)使用非接觸的測(cè)量方法，具有數(shù)據(jù)采集范圍廣、精度高、速度快等特點(diǎn)，十分適合螺旋槳這種具有復(fù)雜曲面的大體積零件表面的數(shù)據(jù)采集。因此，本文提出了采用三維激光掃描儀獲取螺旋槳葉型表面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)和用于生產(chǎn)的螺旋槳原始三維模型一起導(dǎo)入到Geomagic Qualify軟件中，并通過軟件中的三維比較功能進(jìn)行偏差分析，提供一種螺旋槳葉型檢測(cè)的新途徑，具體流程如圖1所示。

2 螺旋槳實(shí)物模型的數(shù)據(jù)采集

螺旋槳實(shí)物模型的數(shù)據(jù)采集使用天遠(yuǎn)公司X3型手持式三維掃描儀，如圖2所示。

設(shè)備采用線激光陣列3D掃描技術(shù)，測(cè)量精度為0.03 mm，測(cè)量范圍達(dá)6 m，并可擴(kuò)展，且質(zhì)量輕、使用靈活方便，十分適合螺旋槳的測(cè)量，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

由于螺旋槳體積較大且表面特征較多，在數(shù)據(jù)采集之前，需要在螺旋槳表面標(biāo)定標(biāo)記點(diǎn)。標(biāo)記點(diǎn)是有特殊反光材料的標(biāo)記物，一般為圓形貼片。在掃描儀掃描過程中，通過捕捉標(biāo)記點(diǎn)定位，可以實(shí)現(xiàn)多次掃描結(jié)果的自動(dòng)拼接。一般按表面曲率大小決定標(biāo)記點(diǎn)的疏密程度，但要確保掃描儀在工作時(shí)能同時(shí)掃到3個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，以便于定位。使用掃描儀從不同方向?qū)β菪龢M(jìn)行掃描，掃描時(shí)應(yīng)注意掃描儀距離螺旋槳表面的距離大約保持在300 mm，即掃描儀工作指示燈為綠色。重復(fù)多次掃描，得到完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.2 點(diǎn)云預(yù)處理

手持式三維掃描儀得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在掃描過程中常會(huì)將邊界處的外部背景掃入數(shù)據(jù)，比如螺旋槳邊界部分的掃描數(shù)據(jù)等，需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Imageware軟件中，在不影響精度的前提下，通過手工操作去除零件點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的噪聲點(diǎn)。同時(shí)，可以采用Imageware軟件中空間采樣功能將掃描點(diǎn)云中的重疊數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化，設(shè)置空間采樣點(diǎn)間距為0.1 mm，簡(jiǎn)化后點(diǎn)云數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)減至3.07萬個(gè)，點(diǎn)云處理的后圖形如圖3所示。

3 螺旋槳葉型三維數(shù)模偏差分析

將簡(jiǎn)化后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和螺旋槳原始三維模型一起導(dǎo)入到Geomagic Qualify軟件中，設(shè)置原始三維模型為參考模型，點(diǎn)云數(shù)據(jù)為測(cè)試模型。

3.1 對(duì)齊數(shù)據(jù)

導(dǎo)入的原始三維模型和點(diǎn)云數(shù)據(jù)因?yàn)楦髯缘淖鴺?biāo)不一致，在Geomagic Qualify軟件中并不重合，無法比較，如圖4所示，因此應(yīng)以原始三維模型為基準(zhǔn)，統(tǒng)一兩者坐標(biāo)。Geomagic Qualify軟件中對(duì)象對(duì)齊可以采用最佳擬合對(duì)齊、特征對(duì)齊和RPS對(duì)齊等多種方法。螺旋槳葉型曲面為復(fù)雜自由曲面模型，采用最佳擬合對(duì)齊更適合，對(duì)齊后如圖5所示。

3.2 比較分析

利用Geomagic Qualify軟件中的3D比較功能，可以實(shí)現(xiàn)原始三維模型和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的比較，得到彩色偏差圖，全面、直觀地反映螺旋槳偏差狀況，結(jié)果如圖6所示；使用創(chuàng)建注釋功能，可以得到單個(gè)點(diǎn)的偏差分析對(duì)比，如圖7和表2所示。軟件統(tǒng)計(jì)計(jì)算得出平均偏差為-0.371～0.277 mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.382.

3.3 生成報(bào)告

利用創(chuàng)建報(bào)告功能，可自動(dòng)生成螺旋槳檢測(cè)報(bào)告，報(bào)告包括對(duì)齊統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、3D比較結(jié)果、注釋視圖等內(nèi)容，直觀反映螺旋槳偏差。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的螺旋槳葉型偏差檢測(cè)方法，闡述了手持式三維掃描儀的數(shù)據(jù)采集和Geomagic Qualify軟件的數(shù)據(jù)分析，通過將點(diǎn)云數(shù)據(jù)與螺旋槳原始三維模型進(jìn)行3D比較，直觀地反映了螺旋槳在各部分的制造偏差，實(shí)現(xiàn)了從整體上評(píng)價(jià)螺旋槳的質(zhì)量。該方法點(diǎn)云獲取快速快，3D比較結(jié)果直觀，檢測(cè)報(bào)告可自動(dòng)生成，相比于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法精度、效率更高。

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〔編輯：劉曉芳〕