基于Geomagic Design X的螺旋槳逆向建模

摘 要：本文闡述了逆向建模技術(shù)在螺旋槳三維模型重構(gòu)上的應(yīng)用。通過對螺旋槳的三維掃描生成原始點云數(shù)據(jù)，利用Geomagic Wrap 進行點云數(shù)據(jù)的前處理，重點論述了基于 Geomagic Design X軟件中的境界擬合、回轉(zhuǎn)實體、面片擬合功能，完成了螺旋槳三維模型的重構(gòu)任務(wù)。同時可以看出，逆向建模技術(shù)針對復(fù)雜曲面的產(chǎn)品與零件具有重構(gòu)精度高、設(shè)計周期短的特點，該方法也為今后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化、創(chuàng)新設(shè)計提供了方法和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：Geomagic Design X;螺旋槳;逆向建模;槳葉;境界擬合

前言

逆向建模技術(shù)，也稱為反求技術(shù)，主要是通過數(shù)字化技術(shù)、幾何模型重構(gòu)技術(shù)將產(chǎn)品實物轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型，進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，創(chuàng)新設(shè)計，最后制造出新產(chǎn)品的過程[1]。

螺旋槳作為輪船的動力推進裝置，而螺旋槳的槳葉很大程度上影響了輪船的推力，槳葉模型是不規(guī)則的曲面結(jié)構(gòu)，設(shè)計時需要選擇螺距比、后傾角、厚度、截面半徑等參數(shù)，只有經(jīng)過精確的計算、測量、反復(fù)實驗才能保證螺旋槳模型的精度[2]。為了縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期，降低投入成本，可以采用逆向建模技術(shù)，使用掃描儀采集實物數(shù)據(jù)和Geomagic Design X軟件逆向建模技術(shù)，從而完成螺旋槳三維模型的重構(gòu)任務(wù)。

1 點云數(shù)據(jù)采集與前處理

本文采用非接觸式雙目三維掃描儀，它是基于紅外光柵深度成像原理，能夠完成數(shù)據(jù)模型的自動拼接，主要步驟包括：掃描儀標定、噴涂顯像劑、制定掃描策略、掃描處理等，最后將點云數(shù)據(jù)保存為.asc文件。

由于掃描過程中會受到光照、場地環(huán)境和振動等因素的影響，得到的點云數(shù)據(jù)會有大量的冗余和噪點。在進行逆向建模之前需要將.asc文件導(dǎo)入 Geomagic Wrap 進行數(shù)據(jù)的前處理。Geomagic Wrap 擁有強大的點云處理能力，能夠快速完成點云到三角面片的過程。首先是點云階段，經(jīng)過將點云著色、刪除非連接項、去除體外孤點、減少噪音、封裝數(shù)據(jù)，使點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為多邊形模型。其次是多邊形階段，經(jīng)過刪除釘狀物、填充孔、去除特征、網(wǎng)格醫(yī)生。最后將多邊形數(shù)據(jù)保存為.stl文件。

2 逆向建模

2.1逆向建模思路

螺旋槳是由槳葉與其相連結(jié)的槳轂組成。槳轂部分可以通過繪制輪廓草圖進行回轉(zhuǎn)實體生成。槳葉主要由葉面、葉背、導(dǎo)邊、隨邊組成，通過產(chǎn)品實物可以看出槳葉的葉面和葉背是復(fù)雜的不規(guī)則曲面，導(dǎo)邊、隨邊過渡圓的圓弧大小對螺旋槳的性能有極大的影響[3]。對于槳葉這樣復(fù)雜的曲面，一般可以利用Geomagic Design X提供的“面片擬合”功能，通過手動劃分多個領(lǐng)域進行面片擬合，利用3D樣條曲線裁剪面片，面片之間利用放樣功能連接，最后對邊緣處進行可變圓角。通過嘗試使用這種方法發(fā)現(xiàn)擬合精度比較低，特別是面片連接處和邊緣處誤差較大。另一種方法是利用境界擬合建模，境界擬合是通過3D面片草圖模式里的3D樣條曲面網(wǎng)格定義境界，根據(jù)面片運用的擬合運算來創(chuàng)建曲面，這種方法為自由形狀面片創(chuàng)建提供了一種簡單、快速的方法，但是使用境界擬合命令對于網(wǎng)格曲線的劃分要求比較嚴格，直接影響建模的品質(zhì)，因此，在繪制境界線時應(yīng)盡量使網(wǎng)格曲線為四條相似曲線組成的矩形特征。通過以上兩種建模方法的比較分析，本文采用第二種方法來建立槳葉的模型。

2.2逆向建模過程

（1）坐標對齊? 將處理好的.stl文件導(dǎo)入Geomagic Design X，通過手動繪制領(lǐng)域?qū)炦M行領(lǐng)域組劃分，選擇手動對齊命令，找正坐標系。

（2）槳葉的建模? ?通過3D面片草圖中的樣條曲線來繪制其中一個槳葉的網(wǎng)格曲線，繪制過程中盡量保證網(wǎng)格曲線均勻分布，具有四條相似曲線組成的矩形特征。然后選擇境界擬合命令完成網(wǎng)格曲線曲面的創(chuàng)建。最后將境界擬合完成的曲面進行放樣連接。由于三個槳葉圍繞中心軸呈120度均勻分布，其他兩個槳葉可以通過陣列特征命令來完成建模。

（3）槳轂的建模? 選擇面片草圖命令，截出槳轂回轉(zhuǎn)體的截面輪廓，繪制出完整的草圖輪廓，然后回轉(zhuǎn)形成實體，對于整流帽上的特征處理可以利用手動劃分領(lǐng)域，進行面片擬合，利用面片擬合得到的曲面剪切回轉(zhuǎn)實體的方法。

（4）偏差分析? 將槳葉和槳轂合成一個實體，對槳葉根部進行圓角處理，最終重構(gòu)出螺旋槳的三維模型，如圖1所示。利用Accuracy Analyzer偏差分析命令將生成實體與原始點云數(shù)據(jù)進行偏差分析，將偏差的上限設(shè)為0.03mm，下限設(shè)為-0.03mm，得到偏差分析色圖，如圖2所示。從偏差分析色圖可以看出模型整體上處于平均偏差內(nèi)，面片擬合程度比較高，滿足精度要求。

3 結(jié)論

本文以螺旋槳為例，利用非接觸式雙目三維掃描儀和Geomagic Wrap軟件完成產(chǎn)品的點云數(shù)據(jù)采集與前處理，將處理好的.stl文件導(dǎo)入Geomagic Design X軟件進行槳葉和槳轂的模型曲面重建，得到螺旋槳的三維模型。本文通過產(chǎn)品逆向建模的方法，快速、高效完成實物建模和分析，而且重構(gòu)精度高，接下來就可以對產(chǎn)品在正向軟件里進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及創(chuàng)新設(shè)計提供方法和依據(jù)，從而可以有效地縮短復(fù)雜曲面產(chǎn)品的設(shè)計周期，降低企業(yè)成本，具有較好的市場應(yīng)用價值。

參考文獻：

[1]楊曉雪，閆學(xué)文.Geomagic Design X三維建模案例教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2016.

[2]程東，朱新河，鄧金文.基于 UG/Grip 的船用螺旋槳三維建模關(guān)鍵技術(shù)[J]，大連海事大學(xué)學(xué)報，2009，35 （ 4）：121-123.

[3]王知行，陳輝.并聯(lián)機床加工船用螺旋槳及CAM技術(shù)研究[J].機械設(shè)計與研究，2003，19（6）：55-58.

作者簡介：

李亞永（1987-），山東滕州人，碩士研究生，現(xiàn)任教于山東化工技師學(xué)院，主要研究方向：機械設(shè)計，3D打印技術(shù)及應(yīng)用。