空氣螺旋槳逆向建模

任建勛

（武警工程大學 裝備工程學院，西安 710086）

0 引言

當前，隨著CAD/CAM 技術(shù)、測量技術(shù)和先進制造技術(shù)的發(fā)展，使研究人員更容易實現(xiàn)產(chǎn)品實物的逆向工程。開展逆向工程的主要目的是研究人員在不易獲得現(xiàn)有產(chǎn)品必要信息的條件下，直接從成品的分析中推導出產(chǎn)品的相關(guān)信息。因此逆向工程是一系列分析方法和應用技術(shù)的結(jié)合，是一個“認識原型→再現(xiàn)原型→超越原型”的過程［1］。

螺旋槳是多旋翼無人機的主要推進器，其設計性能和制造精度直接決定多旋翼無人機功率的利用效率、飛行性能、噪聲等性能。為滿足設計中不斷改進、制造及研究中節(jié)約成本的需求，并且獲取旋翼更多的相關(guān)信息，本文采用逆向工程的方法，獲得已有的旋翼幾何外形的點云數(shù)據(jù)并處理數(shù)據(jù)，用Pro/E 重構(gòu)旋翼的CAD 模型，

1 空氣螺旋槳三維點云數(shù)據(jù)的獲取

用逆向工程方法進行空氣螺旋槳曲面的重構(gòu)。三維光學掃描儀采用的是天遠OKIO-400 型，如圖1。天遠OKIO-400 型具有掃描精度高、數(shù)據(jù)量大、掃描速度快、非接觸式掃描等優(yōu)點。關(guān)鍵部件有計算機、光柵發(fā)射器CCD攝像機兩架、1394卡及線纜、標定塊、標志點等，如圖2。

由于螺旋槳是薄壁件，所以在測量過程中采用“建立框架拼接”測量模式來降低測量過程中的誤差。由于每相鄰兩次之間的公共標志點至少為4 個，對螺旋槳一面三維掃描測量完后需要借助其他的參照物過渡到另一面，從而獲取曲面的點云數(shù)據(jù)如圖3。數(shù)據(jù)預處理是模型重構(gòu)前的必要準備，是逆向工程的重要一步。運用Geomagic Studio12 軟件對采集點云數(shù)據(jù)的顯示，去除噪聲點，修復缺損數(shù)據(jù)，精簡點云數(shù)據(jù)，分割點云數(shù)據(jù)，得到預處理的點云數(shù)據(jù)如圖4。

圖1 天遠OKIO-400三維掃描儀

圖2 系統(tǒng)組成框圖

圖3 點云圖

2 模型重構(gòu)

2.1 曲面模型重構(gòu)

曲面模型重構(gòu)是逆向工程中最為重要的一步［3］。擬合曲面的過程中需要選擇合適參數(shù)，從而可用最少的曲面片建立較為精確的曲面模型，因此在曲面重構(gòu)之前需要了解其曲面的特性和曲面的數(shù)學模型。反求軟件加Imageware 采用的是NURBS 曲面模型。NURBS 方法不但較好地處理了自由型曲線曲面，與B 樣條方法相統(tǒng)一，而且又能精確表示二次曲線弧與二次曲面的問題。非均勻有理B 樣條線（Non Uniform Rational BSPline，簡稱NURBS）數(shù)學描述為［2］：

圖4 預處理點云圖

式中：Pi為控制頂點；ωi為權(quán)因子；t 為參數(shù)值；m 為m 階B-Spline 的階次；Ni，m（t）為m 階B-Spline 基函數(shù)；Ri，m（t）為有理基函數(shù)。

根據(jù)幾何變形和投影變換的不變性，可以將NURBS 曲線應用到二維平面，可以得到NURBS 曲面，其數(shù)學描述為：

式中：Pi，j為矩形域上特征網(wǎng)格控制點列；ωi，j為一控制點上的加權(quán)因子；（u）為m1階B 樣條基函數(shù)；（v）為m2階B 樣條基函數(shù)。

從點云數(shù)據(jù)中提取特征線，曲線誤差分析，構(gòu)建螺旋槳葉片曲面，如圖5。

圖5 螺旋槳葉片曲面圖

2.2 三維模型重構(gòu)

完成螺旋槳曲面重構(gòu)后將文件保存為IGES 格式，并導入到Pro/E 內(nèi)，對殼體進行填充、實體化，得到螺旋槳的三維模型。

3 結(jié)論

本文結(jié)合應用多種軟件，大大縮短了設計周期，提高了設計精度。為螺旋槳做FLUENT 虛擬風洞實驗提供了實物依據(jù)，為研究螺旋槳的空氣動力學特性提供了支持，并對其它復雜型面零件的逆向設計具有一定的指導和借鑒意義。

［1］劉偉軍，孫玉文.逆向工程原理方法及應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［2］王繼群.基于無動力排風扇葉片曲面的逆向設計及關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.北京：北方工業(yè)大學，2009.

［3］陶彥輝.光學掃描方法在曲面重構(gòu)中的應用［J］.新疆有色金屬，2011（6）：89-90.