基于逆向工程的船用螺旋桨数字化检测方法

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(大连理工大学 a.船舶CAD中心；b.工程装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连 116024)

由于大型船用螺旋桨体积较大而且桨叶曲面复杂，迫切需要找到高效准确的检测方法以满足测量精度的要求[1]。

大多数厂家对螺旋桨的检测都是用螺距仪、螺距三角板等工具进行手工测量，这些传统的测量方法测量效率低、易受人为因素干扰，检测精度有限。学者提出将测量探头与测量软件相结合的方式来解决螺旋桨在线测量和余量估算的问题[2]，这种方法用的是接触式测量，所得到的离散点有时不能反映曲面的真实情况，且接触式测量探头易对工件造成损伤；有学者设计了专用的激光自动化测量装备来测量螺旋桨，编写了相关后处理软件，但是这种激光测量装置需要用到大型的测量臂，而且受外界干扰因素较多[3]；有学者开发了螺旋桨测量软件轨迹规划模块[4]。这些螺旋桨检测方法的研究对提高螺旋桨的检测和建造精度具有重要意义，为实现螺旋桨数字化检测提供了参考依据。

以上所述的研究都属于接触式测量方式，随着逆向工程技术[5]的发展，许多学者对船用螺旋桨[6-8]和航空螺旋桨[9-10]进行了非接触式的三维测量和逆向造型检测。这些研究测量了小型螺旋桨和航空螺旋桨，而船用螺旋桨一般体积较大，叶片比航空螺旋桨要宽，在三维测量以及提高曲面重建的精度上增加了难度。

这里提出一种基于逆向工程的船用螺旋桨数字化检测方法。流程见图1。

1 螺旋桨三维数据测量

采用三维扫描仪对螺旋桨进行三维测量，由于螺旋桨的尺寸较大，三维扫描仪的扫描范围有限，不能一次扫描完成，需要多次扫描。在使用三维扫描仪测量之前，需要在螺旋桨表面贴上标记点以便于在扫描过程中的定位[11]，扫描时的背景、光线等环境因素也要满足一定的要求来达到理想的测量精度。经多次扫描后，得到分片的点云数据，利用迭代最近点(ICP)算法[12]对点云进行拼接。迭代最近点算法是目前点云拼接技术中使用较广泛的算法，首先根据一定的准则确定对应点集，然后通过最小二乘法迭代计算最优的坐标变换，使得误差函数最小。通过该方法得到完整的螺旋桨点云数据。

三维扫描仪在扫描过程中，有时会将外部背景扫入，由于设备振动以及外界环境例如光线等因素的干扰，获得的点云数据存在许多噪声点。将三维扫描仪测量得到的点云数据导入CATIA的数字曲面编辑器中，在保留特征点的前提下，利用CATIA中的Remove功能去除远离以及偏离主体点云的噪声点。扫描得到的点云数量较大，建模时会占用大量内存，需要对数据进行精简。利用CATIA中的点云过滤功能，选用自适应模式，这种模式相较于均匀过滤可使曲率变化小的地方过滤较少的点，曲率变化大的地方过滤较多的点。对4叶螺旋桨进行测量，拼接后完整的点云见图2，点云预处理后的数据见图3。

2 曲面重建

曲面重建一般有2种途径，一种是先将所得点云数据拟合成曲线，然后将曲线通过特定的方式构建成曲面片；另一种是直接将点云数据进行拟合，直接生成曲面片，最后通过对所得曲面片进行曲面编辑操作如裁剪、过渡和拼接等来完成曲面模型的重构[13]。通常，用于曲面构造的方法有3种：①以Bezier曲线进行曲面构造；②以B样条曲线为基础的曲面构造；③以NURBS为基础的曲面构造。其中因NURBS可表示自由曲线曲面、圆锥曲线和规则曲面等各种形式，所以其成为现代曲面造型中最广泛应用的技术，几乎所有商业化的逆向软件都使用了NURBS曲面。本文使用NURBS曲面重建螺旋桨模型。

根据螺旋桨的造型特征，以1/4桨叶曲面的重建为例，对叶面和桨毂处分别建模，曲面重建过程如下。

2.1 点云三角网格化

预处理后的点云首先要进行三角面的创建，建立点云间的拓扑关系，用CATIA软件中的Mesh Creation命令生成桨叶的三角网格面。由于手动去除噪声点只能辨别远离点云主体以及浮于点云上方的噪声点，不能识别与真实的点云数据混杂在一起的噪声点，因此需要对生成的三角网格面进行光顺分析，去除噪声点。在生成三角网格面时会出现孔洞，需要对孔洞进行填补。光顺处理后的桨叶三角网格面见图4。

2.2 创建曲线

三角网格面光顺完成后，对叶面部分创建点云的剖面曲线。CATIA数字曲面编辑器中创建曲线的方式有3种：在空间中画3D曲线、在网格面上作曲线、由扫描线拟合曲线。这里使用扫描线拟合曲线，作扫描线的方式有4种：利用曲线投影功能将空间中的曲线投影到点云上；利用截面线功能获取点云断面交线；在点云上绘制扫描线；通过提取网格面的自由边界获取交线。根据桨叶的形状特征选用曲线投影功能获得扫描线，根据所得到的扫描线创建曲线，拟合精度为0.1 mm，对精度不满足要求的曲线的进行编辑使其符合要求，通过曲率检查曲线的光顺度，得到的桨叶截面拟合曲线及偏差见图5。根据桨叶的边缘点用样条线画出桨叶的轮廓，见图6。

2.3 创建曲面

根据2.2得到的桨叶截面曲线以及桨叶轮廓创建曲面，利用截面线拟合曲面，对曲面进行光顺。桨毂处则使用Automatic Surface功能拟合曲面，经过裁剪、拼接、光顺后的曲面见图7。

将所得到的曲面与原来的点云进行对比，判断曲面精度。根据误差分析图可知所建曲面与原点云误差在1 mm左右，分析认为造成误差的原因主要有两点：一是在点云预处理阶段没有完整准确去除噪声点，点云数据中还存在噪声点；二是曲线及曲面拟合的误差。对拟合误差较大的地方进行检查修正，使曲面拟合误差在可接受范围之内，曲面修正后的拟合误差见图8。

根据上述方法拟合其他3个桨叶曲面并检验拟合曲面误差使其达到精度要求。经过裁剪、拼接后的螺旋桨模型见图9。

3 偏差分析

3.1 数据对齐

用三维扫描仪获得的点云数据的坐标系与设计模型的坐标系是不一致的，进行对比时首先要将2个坐标系对齐。将重建的模型和设计模型一起导入CATIA中，在CATIA中使用定位变换、旋转等功能将重建的模型与设计模型对齐，使其完全重合，见图10。

3.2 比较分析

在设计模型与重建模型对齐后，以设计模型为参考值，使用CATIA数字曲面编辑模块中的偏差分析功能进行对比。软件自动检测相应的点之间的偏离值，并以不同的颜色表示偏离的大小，可直观全面地反映偏差情况。随着鼠标的移动可观察桨叶上每个点的偏离值，不同偏差范围内点的数量也可用百分比表示。由偏差结果可知，该螺旋桨的偏差范围为-1.578～3.065 mm，标准偏差为0.399 mm。偏差显示见图11。后期可以根据该偏差结果制作检测报告。

4 结论

采用三维激光扫描仪对大型船用螺旋桨进行测量，可提高螺旋桨测量的效率，使得测量更加方便。利用软件对数据进行处理分析，得到可视化的误差分析，使得检测结果更加直观易于分析。本文测量方法相较于传统的螺旋桨测量方法更加快捷方便，效率高且能够获得更直观的检测结果。但在数据处理方面还存在一些不足，后期将继续研究快速有效的点云去噪算法，在曲面拟合精度方面将做进一步的研究。