基于逆向工程的船用螺旋槳數(shù)字化檢測(cè)方法

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(大連理工大學(xué) a.船舶CAD中心；b.工程裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

由于大型船用螺旋槳體積較大而且槳葉曲面復(fù)雜，迫切需要找到高效準(zhǔn)確的檢測(cè)方法以滿足測(cè)量精度的要求[1]。

大多數(shù)廠家對(duì)螺旋槳的檢測(cè)都是用螺距儀、螺距三角板等工具進(jìn)行手工測(cè)量，這些傳統(tǒng)的測(cè)量方法測(cè)量效率低、易受人為因素干擾，檢測(cè)精度有限。學(xué)者提出將測(cè)量探頭與測(cè)量軟件相結(jié)合的方式來解決螺旋槳在線測(cè)量和余量估算的問題[2]，這種方法用的是接觸式測(cè)量，所得到的離散點(diǎn)有時(shí)不能反映曲面的真實(shí)情況，且接觸式測(cè)量探頭易對(duì)工件造成損傷；有學(xué)者設(shè)計(jì)了專用的激光自動(dòng)化測(cè)量裝備來測(cè)量螺旋槳，編寫了相關(guān)后處理軟件，但是這種激光測(cè)量裝置需要用到大型的測(cè)量臂，而且受外界干擾因素較多[3]；有學(xué)者開發(fā)了螺旋槳測(cè)量軟件軌跡規(guī)劃模塊[4]。這些螺旋槳檢測(cè)方法的研究對(duì)提高螺旋槳的檢測(cè)和建造精度具有重要意義，為實(shí)現(xiàn)螺旋槳數(shù)字化檢測(cè)提供了參考依據(jù)。

以上所述的研究都屬于接觸式測(cè)量方式，隨著逆向工程技術(shù)[5]的發(fā)展，許多學(xué)者對(duì)船用螺旋槳[6-8]和航空螺旋槳[9-10]進(jìn)行了非接觸式的三維測(cè)量和逆向造型檢測(cè)。這些研究測(cè)量了小型螺旋槳和航空螺旋槳，而船用螺旋槳一般體積較大，葉片比航空螺旋槳要寬，在三維測(cè)量以及提高曲面重建的精度上增加了難度。

這里提出一種基于逆向工程的船用螺旋槳數(shù)字化檢測(cè)方法。流程見圖1。

1 螺旋槳三維數(shù)據(jù)測(cè)量

采用三維掃描儀對(duì)螺旋槳進(jìn)行三維測(cè)量，由于螺旋槳的尺寸較大，三維掃描儀的掃描范圍有限，不能一次掃描完成，需要多次掃描。在使用三維掃描儀測(cè)量之前，需要在螺旋槳表面貼上標(biāo)記點(diǎn)以便于在掃描過程中的定位[11]，掃描時(shí)的背景、光線等環(huán)境因素也要滿足一定的要求來達(dá)到理想的測(cè)量精度。經(jīng)多次掃描后，得到分片的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用迭代最近點(diǎn)(ICP)算法[12]對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行拼接。迭代最近點(diǎn)算法是目前點(diǎn)云拼接技術(shù)中使用較廣泛的算法，首先根據(jù)一定的準(zhǔn)則確定對(duì)應(yīng)點(diǎn)集，然后通過最小二乘法迭代計(jì)算最優(yōu)的坐標(biāo)變換，使得誤差函數(shù)最小。通過該方法得到完整的螺旋槳點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

三維掃描儀在掃描過程中，有時(shí)會(huì)將外部背景掃入，由于設(shè)備振動(dòng)以及外界環(huán)境例如光線等因素的干擾，獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在許多噪聲點(diǎn)。將三維掃描儀測(cè)量得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入CATIA的數(shù)字曲面編輯器中，在保留特征點(diǎn)的前提下，利用CATIA中的Remove功能去除遠(yuǎn)離以及偏離主體點(diǎn)云的噪聲點(diǎn)。掃描得到的點(diǎn)云數(shù)量較大，建模時(shí)會(huì)占用大量?jī)?nèi)存，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)。利用CATIA中的點(diǎn)云過濾功能，選用自適應(yīng)模式，這種模式相較于均勻過濾可使曲率變化小的地方過濾較少的點(diǎn)，曲率變化大的地方過濾較多的點(diǎn)。對(duì)4葉螺旋槳進(jìn)行測(cè)量，拼接后完整的點(diǎn)云見圖2，點(diǎn)云預(yù)處理后的數(shù)據(jù)見圖3。

2 曲面重建

曲面重建一般有2種途徑，一種是先將所得點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合成曲線，然后將曲線通過特定的方式構(gòu)建成曲面片；另一種是直接將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，直接生成曲面片，最后通過對(duì)所得曲面片進(jìn)行曲面編輯操作如裁剪、過渡和拼接等來完成曲面模型的重構(gòu)[13]。通常，用于曲面構(gòu)造的方法有3種：①以Bezier曲線進(jìn)行曲面構(gòu)造；②以B樣條曲線為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造；③以NURBS為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造。其中因NURBS可表示自由曲線曲面、圓錐曲線和規(guī)則曲面等各種形式，所以其成為現(xiàn)代曲面造型中最廣泛應(yīng)用的技術(shù)，幾乎所有商業(yè)化的逆向軟件都使用了NURBS曲面。本文使用NURBS曲面重建螺旋槳模型。

根據(jù)螺旋槳的造型特征，以1/4槳葉曲面的重建為例，對(duì)葉面和槳轂處分別建模，曲面重建過程如下。

2.1 點(diǎn)云三角網(wǎng)格化

預(yù)處理后的點(diǎn)云首先要進(jìn)行三角面的創(chuàng)建，建立點(diǎn)云間的拓?fù)潢P(guān)系，用CATIA軟件中的Mesh Creation命令生成槳葉的三角網(wǎng)格面。由于手動(dòng)去除噪聲點(diǎn)只能辨別遠(yuǎn)離點(diǎn)云主體以及浮于點(diǎn)云上方的噪聲點(diǎn)，不能識(shí)別與真實(shí)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)混雜在一起的噪聲點(diǎn)，因此需要對(duì)生成的三角網(wǎng)格面進(jìn)行光順分析，去除噪聲點(diǎn)。在生成三角網(wǎng)格面時(shí)會(huì)出現(xiàn)孔洞，需要對(duì)孔洞進(jìn)行填補(bǔ)。光順處理后的槳葉三角網(wǎng)格面見圖4。

2.2 創(chuàng)建曲線

三角網(wǎng)格面光順完成后，對(duì)葉面部分創(chuàng)建點(diǎn)云的剖面曲線。CATIA數(shù)字曲面編輯器中創(chuàng)建曲線的方式有3種：在空間中畫3D曲線、在網(wǎng)格面上作曲線、由掃描線擬合曲線。這里使用掃描線擬合曲線，作掃描線的方式有4種：利用曲線投影功能將空間中的曲線投影到點(diǎn)云上；利用截面線功能獲取點(diǎn)云斷面交線；在點(diǎn)云上繪制掃描線；通過提取網(wǎng)格面的自由邊界獲取交線。根據(jù)槳葉的形狀特征選用曲線投影功能獲得掃描線，根據(jù)所得到的掃描線創(chuàng)建曲線，擬合精度為0.1 mm，對(duì)精度不滿足要求的曲線的進(jìn)行編輯使其符合要求，通過曲率檢查曲線的光順度，得到的槳葉截面擬合曲線及偏差見圖5。根據(jù)槳葉的邊緣點(diǎn)用樣條線畫出槳葉的輪廓，見圖6。

2.3 創(chuàng)建曲面

根據(jù)2.2得到的槳葉截面曲線以及槳葉輪廓?jiǎng)?chuàng)建曲面，利用截面線擬合曲面，對(duì)曲面進(jìn)行光順。槳轂處則使用Automatic Surface功能擬合曲面，經(jīng)過裁剪、拼接、光順后的曲面見圖7。

將所得到的曲面與原來的點(diǎn)云進(jìn)行對(duì)比，判斷曲面精度。根據(jù)誤差分析圖可知所建曲面與原點(diǎn)云誤差在1 mm左右，分析認(rèn)為造成誤差的原因主要有兩點(diǎn)：一是在點(diǎn)云預(yù)處理階段沒有完整準(zhǔn)確去除噪聲點(diǎn)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)中還存在噪聲點(diǎn)；二是曲線及曲面擬合的誤差。對(duì)擬合誤差較大的地方進(jìn)行檢查修正，使曲面擬合誤差在可接受范圍之內(nèi)，曲面修正后的擬合誤差見圖8。

根據(jù)上述方法擬合其他3個(gè)槳葉曲面并檢驗(yàn)擬合曲面誤差使其達(dá)到精度要求。經(jīng)過裁剪、拼接后的螺旋槳模型見圖9。

3 偏差分析

3.1 數(shù)據(jù)對(duì)齊

用三維掃描儀獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系與設(shè)計(jì)模型的坐標(biāo)系是不一致的，進(jìn)行對(duì)比時(shí)首先要將2個(gè)坐標(biāo)系對(duì)齊。將重建的模型和設(shè)計(jì)模型一起導(dǎo)入CATIA中，在CATIA中使用定位變換、旋轉(zhuǎn)等功能將重建的模型與設(shè)計(jì)模型對(duì)齊，使其完全重合，見圖10。

3.2 比較分析

在設(shè)計(jì)模型與重建模型對(duì)齊后，以設(shè)計(jì)模型為參考值，使用CATIA數(shù)字曲面編輯模塊中的偏差分析功能進(jìn)行對(duì)比。軟件自動(dòng)檢測(cè)相應(yīng)的點(diǎn)之間的偏離值，并以不同的顏色表示偏離的大小，可直觀全面地反映偏差情況。隨著鼠標(biāo)的移動(dòng)可觀察槳葉上每個(gè)點(diǎn)的偏離值，不同偏差范圍內(nèi)點(diǎn)的數(shù)量也可用百分比表示。由偏差結(jié)果可知，該螺旋槳的偏差范圍為-1.578～3.065 mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.399 mm。偏差顯示見圖11。后期可以根據(jù)該偏差結(jié)果制作檢測(cè)報(bào)告。

4 結(jié)論

采用三維激光掃描儀對(duì)大型船用螺旋槳進(jìn)行測(cè)量，可提高螺旋槳測(cè)量的效率，使得測(cè)量更加方便。利用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得到可視化的誤差分析，使得檢測(cè)結(jié)果更加直觀易于分析。本文測(cè)量方法相較于傳統(tǒng)的螺旋槳測(cè)量方法更加快捷方便，效率高且能夠獲得更直觀的檢測(cè)結(jié)果。但在數(shù)據(jù)處理方面還存在一些不足，后期將繼續(xù)研究快速有效的點(diǎn)云去噪算法，在曲面擬合精度方面將做進(jìn)一步的研究。