基于逆向工程的船用螺旋槳數字化檢測方法

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(大連理工大學 a.船舶CAD中心；b.工程裝備結構分析國家重點實驗室，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雜，迫切需要找到高效準確的檢測方法以滿足測量精度的要求[1]。

大多數廠家對螺旋槳的檢測都是用螺距儀、螺距三角板等工具進行手工測量，這些傳統的測量方法測量效率低、易受人為因素干擾，檢測精度有限。學者提出將測量探頭與測量軟件相結合的方式來解決螺旋槳在線測量和余量估算的問題[2]，這種方法用的是接觸式測量，所得到的離散點有時不能反映曲面的真實情況，且接觸式測量探頭易對工件造成損傷；有學者設計了專用的激光自動化測量裝備來測量螺旋槳，編寫了相關后處理軟件，但是這種激光測量裝置需要用到大型的測量臂，而且受外界干擾因素較多[3]；有學者開發了螺旋槳測量軟件軌跡規劃模塊[4]。這些螺旋槳檢測方法的研究對提高螺旋槳的檢測和建造精度具有重要意義，為實現螺旋槳數字化檢測提供了參考依據。

以上所述的研究都屬于接觸式測量方式，隨著逆向工程技術[5]的發展，許多學者對船用螺旋槳[6-8]和航空螺旋槳[9-10]進行了非接觸式的三維測量和逆向造型檢測。這些研究測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字化檢測方法。流程見圖1。

1 螺旋槳三維數據測量

采用三維掃描儀對螺旋槳進行三維測量，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量之前，需要在螺旋槳表面貼上標記點以便于在掃描過程中的定位[11]，掃描時的背景、光線等環境因素也要滿足一定的要求來達到理想的測量精度。經多次掃描后，得到分片的點云數據，利用迭代最近點(ICP)算法[12]對點云進行拼接。迭代最近點算法是目前點云拼接技術中使用較廣泛的算法，首先根據一定的準則確定對應點集，然后通過最小二乘法迭代計算最優的坐標變換，使得誤差函數最小。通過該方法得到完整的螺旋槳點云數據。

三維掃描儀在掃描過程中，有時會將外部背景掃入，由于設備振動以及外界環境例如光線等因素的干擾，獲得的點云數據存在許多噪聲點。將三維掃描儀測量得到的點云數據導入CATIA的數字曲面編輯器中，在保留特征點的前提下，利用CATIA中的Remove功能去除遠離以及偏離主體點云的噪聲點。掃描得到的點云數量較大，建模時會占用大量內存，需要對數據進行精簡。利用CATIA中的點云過濾功能，選用自適應模式，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，曲率變化大的地方過濾較多的點。對4葉螺旋槳進行測量，拼接后完整的點云見圖2，點云預處理后的數據見圖3。

2 曲面重建

曲面重建一般有2種途徑，一種是先將所得點云數據擬合成曲線，然后將曲線通過特定的方式構建成曲面片；另一種是直接將點云數據進行擬合，直接生成曲面片，最后通過對所得曲面片進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[13]。通常，用于曲面構造的方法有3種：①以Bezier曲線進行曲面構造；②以B樣條曲線為基礎的曲面構造；③以NURBS為基礎的曲面構造。其中因NURBS可表示自由曲線曲面、圓錐曲線和規則曲面等各種形式，所以其成為現代曲面造型中最廣泛應用的技術，幾乎所有商業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。

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

2.1 點云三角網格化

預處理后的點云首先要進行三角面的創建，建立點云間的拓撲關系，用CATIA軟件中的Mesh Creation命令生成槳葉的三角網格面。由于手動去除噪聲點只能辨別遠離點云主體以及浮于點云上方的噪聲點，不能識別與真實的點云數據混雜在一起的噪聲點，因此需要對生成的三角網格面進行光順分析，去除噪聲點。在生成三角網格面時會出現孔洞，需要對孔洞進行填補。光順處理后的槳葉三角網格面見圖4。

2.2 創建曲線

三角網格面光順完成后，對葉面部分創建點云的剖面曲線。CATIA數字曲面編輯器中創建曲線的方式有3種：在空間中畫3D曲線、在網格面上作曲線、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云上；利用截面線功能獲取點云斷面交線；在點云上繪制掃描線；通過提取網格面的自由邊界獲取交線。根據槳葉的形狀特征選用曲線投影功能獲得掃描線，根據所得到的掃描線創建曲線，擬合精度為0.1 mm，對精度不滿足要求的曲線的進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。根據槳葉的邊緣點用樣條線畫出槳葉的輪廓，見圖6。

2.3 創建曲面

根據2.2得到的槳葉截面曲線以及槳葉輪廓創建曲面，利用截面線擬合曲面，對曲面進行光順。槳轂處則使用Automatic Surface功能擬合曲面，經過裁剪、拼接、光順后的曲面見圖7。

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

根據上述方法擬合其他3個槳葉曲面并檢驗擬合曲面誤差使其達到精度要求。經過裁剪、拼接后的螺旋槳模型見圖9。

3 偏差分析

3.1 數據對齊

用三維掃描儀獲得的點云數據的坐標系與設計模型的坐標系是不一致的，進行對比時首先要將2個坐標系對齊。將重建的模型和設計模型一起導入CATIA中，在CATIA中使用定位變換、旋轉等功能將重建的模型與設計模型對齊，使其完全重合，見圖10。

3.2 比較分析

在設計模型與重建模型對齊后，以設計模型為參考值，使用CATIA數字曲面編輯模塊中的偏差分析功能進行對比。軟件自動檢測相應的點之間的偏離值，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。隨著鼠標的移動可觀察槳葉上每個點的偏離值，不同偏差范圍內點的數量也可用百分比表示。由偏差結果可知，該螺旋槳的偏差范圍為-1.578～3.065 mm，標準偏差為0.399 mm。偏差顯示見圖11。后期可以根據該偏差結果制作檢測報告。

4 結論

采用三維激光掃描儀對大型船用螺旋槳進行測量，可提高螺旋槳測量的效率，使得測量更加方便。利用軟件對數據進行處理分析，得到可視化的誤差分析，使得檢測結果更加直觀易于分析。本文測量方法相較于傳統的螺旋槳測量方法更加快捷方便，效率高且能夠獲得更直觀的檢測結果。但在數據處理方面還存在一些不足，后期將繼續研究快速有效的點云去噪算法，在曲面擬合精度方面將做進一步的研究。