氣力推進(jìn)艇螺旋槳葉片逆向建模及誤差分析*

馬榮影,儲(chǔ)江偉,李宏剛,高偉健,管湘源

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

逆向工程是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種綜合產(chǎn)品功能信息分析與模型重建等技術(shù)的方法[1]。對(duì)于某些外形輪廓復(fù)雜的零件，其結(jié)構(gòu)尺寸難以通過(guò)測(cè)量得到時(shí)，可通過(guò)逆向工程技術(shù)對(duì)零件進(jìn)行再制造。其主要方法為：首先獲取模型數(shù)據(jù)，然后重建模型并進(jìn)行誤差分析。如：基于Imageware技術(shù)平臺(tái),運(yùn)用逆向工程技術(shù)對(duì)整體式葉輪進(jìn)行曲面模型的重建[2]；應(yīng)用三維數(shù)字化激光掃描采集數(shù)據(jù)，用曲面擬合方法實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片實(shí)體模型的重建[3]。

1 逆向建模流程

通常逆向工程建模的流程為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、模型重建及重建模型的誤差分析。本文基于逆向工程設(shè)計(jì)的對(duì)象為螺旋槳葉片，其形狀是較為復(fù)雜的螺旋曲面，有必要對(duì)點(diǎn)云截面與重建模型截面的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差比較，控制兩者差值在允許的公差范圍內(nèi)，以提高建模質(zhì)量。逆向建模流程如圖1所示。

圖1 逆向建模流程圖

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

2.1 采集方法

本文逆向設(shè)計(jì)的為氣力推進(jìn)艇螺旋槳葉片，其長(zhǎng)度為845 mm，最大寬度為235 mm，葉片表面是由扭曲的螺旋曲面構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 氣力推進(jìn)艇螺旋槳葉片

數(shù)據(jù)采集使用OKIO非接觸式光柵三維掃描儀，其系統(tǒng)組成為計(jì)算機(jī)、光柵發(fā)射器及攝像機(jī)，掃描精度為0.03 mm～0.01 mm，單片掃描采樣時(shí)間小于5 s。適合于表面明亮但不反光的物體；在掃描測(cè)量過(guò)程中，可實(shí)時(shí)顯示拍攝圖像、三維數(shù)據(jù)結(jié)果及掃描誤差。

掃描前，應(yīng)先進(jìn)行攝像機(jī)定標(biāo)，以獲得實(shí)體點(diǎn)的三維坐標(biāo)與其圖像上所對(duì)應(yīng)點(diǎn)的函數(shù)關(guān)系，既是掃描校準(zhǔn)過(guò)程，也是決定掃描精度的重要因素。

2.2 數(shù)據(jù)采集誤差

點(diǎn)云數(shù)據(jù)在采集過(guò)程中主要存在系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。系統(tǒng)誤差主要是受掃描儀器精度和校準(zhǔn)過(guò)程的影響，其中校準(zhǔn)誤差可通過(guò)嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)范以盡可能地將其減少。為保證掃描過(guò)程中零件每個(gè)部位的細(xì)節(jié)都能被完整掃描，需要多次調(diào)整攝像機(jī)角度和高度，因而可能會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)誤差。一般要求調(diào)整的幅度不能過(guò)大，以避免出現(xiàn)掃描誤差大的情況。如果被掃描的零件本體顏色深或者有反光時(shí)應(yīng)噴白色顯像劑，從而提高采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3 螺旋槳葉片模型重建

3.1 常用軟件

常用的三維曲面重建軟件有Geomagic、Catia和犀牛等。本文使用的是Geomagic系列軟件，它是一款可用于正逆向建模的軟件，其具有逆向建模軟件采集原始掃描數(shù)據(jù)并進(jìn)行預(yù)處理的功能。逆向建模的方法是根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)得到優(yōu)化的面片，然后再在面片的基礎(chǔ)上構(gòu)建出精確的模型。

3.2 葉片模型重建

3.2.1 預(yù)處理

當(dāng)零件的掃描與拼接完成后，將零件的掃描數(shù)據(jù)以STL格式導(dǎo)入到逆向建模軟件中；由于掃描過(guò)程中存在著隨機(jī)誤差，導(dǎo)致掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)有雜點(diǎn)、冗余點(diǎn)等，因此應(yīng)在預(yù)處理的過(guò)程中將其刪除。

對(duì)預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)再進(jìn)行面片處理，形成由一系列點(diǎn)、邊、面組成的基于多面體的3D數(shù)字化數(shù)據(jù)。在片面三角化的過(guò)程中可能會(huì)生成不規(guī)范的三角形，可使用網(wǎng)格醫(yī)生命令進(jìn)行釘狀物刪除、空洞修復(fù)及搭橋填充等，對(duì)缺陷進(jìn)行修整或者刪除；然后，使用自動(dòng)修復(fù)命令進(jìn)行整體修復(fù)，以提高整體數(shù)據(jù)的精確度。

3.2.2 模型構(gòu)建

逆向建模技術(shù)中主要有兩種重建方法：一種是基于實(shí)體特征的建模方法，適用于規(guī)則曲面；另一種是基于曲面特征的曲面擬合逆向建模方法。對(duì)于葉片這種曲面復(fù)雜的零件，為保證重建的曲面模型與掃描的實(shí)體有更高的吻合度，選擇手動(dòng)創(chuàng)建曲面。手動(dòng)創(chuàng)建曲面需要相對(duì)較多的人機(jī)交互操作，但能建立合理的特征分布曲面網(wǎng)格，擬合出更高精度的曲面。具體操作為先提取輪廓線，構(gòu)建曲面網(wǎng)格，然后擬合曲面網(wǎng)格，如圖3所示。

圖3 擬合曲面網(wǎng)格

重建的螺旋槳葉片模型如圖4所示。重建模型數(shù)據(jù)為：面數(shù)567，邊線數(shù)1 134，點(diǎn)云數(shù)569，體積為3.50×106(mm3)，面積為3.3×105(mm2)。

3.3 重建模型誤差分析

3.3.1 誤差分布狀態(tài)

如圖5所示，可以在重建模型表面顯示誤差分布狀態(tài)，以不同顏色表示誤差大小，圖中標(biāo)注有相應(yīng)誤差程度的色標(biāo)尺度。

圖4 重建模型

圖5 誤差分布色譜圖

在圖5中，只有少部分邊緣區(qū)域呈現(xiàn)淺藍(lán)色(圓圈標(biāo)示的部位)，其他部分都為吻合程度較高的綠色。由軟件給出的體誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 體誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

本文設(shè)公差為0.2 mm，上偏差為0.1 mm，下偏差為-0.1 mm。從表1中可看出：重建模型相對(duì)于掃描點(diǎn)云模型的平均誤差為-0.007 mm，總體誤差值在允許的偏差范圍內(nèi)。

3.3.2 誤差類(lèi)型及原因

以手動(dòng)方式構(gòu)造曲面，每次人機(jī)交互操作提取出的輪廓線都不相同，因此存在著隨機(jī)誤差。輪廓曲線提取過(guò)程中往往會(huì)存在一些問(wèn)題，如平面區(qū)域兩端點(diǎn)間輪廓線彎曲、相鄰輪廓線端點(diǎn)不重合、缺少輪廓線以及生成的輪廓線與模型邊界位置不重合等；此外，計(jì)算機(jī)構(gòu)造曲面網(wǎng)格劃分與片數(shù)也會(huì)對(duì)重建模型誤差有很大的影響。

3.4 螺旋槳葉片主要截面尺寸誤差

3.4.1 特征截面尺寸及誤差比較

在逆向軟件中，通過(guò)創(chuàng)建貫穿對(duì)象截面可獲得螺旋槳葉片的任意截面尺寸數(shù)據(jù)。氣力推進(jìn)艇螺旋槳葉片一般是以安裝半徑0.7R處截面的結(jié)構(gòu)尺寸作為其特征參數(shù)，因此本文在此處創(chuàng)建截面，截面尺寸如圖6所示。

使用葉片命令中的截面分析命令，可獲得弦長(zhǎng)、厚度、半徑等相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，如表2所示。統(tǒng)計(jì)得翼型中線長(zhǎng)度為193.605 mm。

3.4.2 其他截面主要尺寸及誤差比較

點(diǎn)云數(shù)據(jù)是整個(gè)逆向模型重建的基礎(chǔ)，重建模型的精確度直接受點(diǎn)云數(shù)據(jù)的影響。選取點(diǎn)云截面與重建模型截面的最大弦長(zhǎng)和最大厚度兩個(gè)主要尺寸的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如表3所示。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，最大弦長(zhǎng)的誤差平均值為0.504 mm，最大厚度的誤差平均值為0.038 mm。從表3中可看出最大弦長(zhǎng)的誤差與體偏差相比較大，分析其原因如下：

(1) 因?yàn)轶w偏差的結(jié)果是基于模型整體計(jì)算得出，而最大弦長(zhǎng)的誤差平均值是選取9個(gè)主要截面得出的。

(2) 由于提取的邊界輪廓線誤差較大。

圖6 在0.7R處的截面尺寸

名稱(chēng)點(diǎn)云值(mm)重構(gòu)值(mm)相差值(mm)弦長(zhǎng)195.333194.3420.991前緣半徑0.7620.6900.072后緣半徑2.0612.5130.452最大厚度24.62424.6200.004最大弦長(zhǎng)195.333194.3420.991

表3 點(diǎn)云與重建模型數(shù)據(jù)比較

4 結(jié)論

(1) 重建模型相對(duì)于掃描點(diǎn)云模型的總體平均誤差為-0.007 mm，誤差值在允許的±0.1 mm偏差范圍內(nèi)，故重建模型滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

(2) 主要截面的重建模型相對(duì)于掃描點(diǎn)云模型的最大弦長(zhǎng)誤差平均值為0.504 mm，最大厚度誤差平均值為0.038 mm；弦長(zhǎng)平均誤差較大，說(shuō)明上下兩曲面交界處的輪廓線提取時(shí)存在誤差。