基于逆向工程的船舶螺旋槳數(shù)字化設(shè)計(jì)及數(shù)控加工技術(shù)探討*

張鵬程，嚴(yán) 陳，張 軼，季 惠

（江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安 223003）

0 引言

近年來，全球各國(guó)持續(xù)推行經(jīng)濟(jì)全球化措施，其中的典型代表便是我國(guó)提出的“一帶一路”建設(shè)倡議，這極大地推動(dòng)了各種產(chǎn)品在世界范圍內(nèi)的流通，而運(yùn)載量大、安全性高、經(jīng)濟(jì)性好的“水運(yùn)”，已然成為了全球商品貿(mào)易的主要運(yùn)輸途徑。船舶在運(yùn)行時(shí)，會(huì)受到各種極端惡劣條件的影響，船身結(jié)構(gòu)及主要零部件也會(huì)受到水的沖擊和侵蝕，特別是曲面結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜的螺旋槳[1]。船舶發(fā)動(dòng)機(jī)通過帶動(dòng)螺旋槳在水下高速旋轉(zhuǎn)將動(dòng)力轉(zhuǎn)化為其推進(jìn)的作用力，而旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的空泡效應(yīng)等又會(huì)破壞螺旋槳的結(jié)構(gòu)。此外，為了提高船舶的主機(jī)動(dòng)力轉(zhuǎn)化率、質(zhì)量及使用壽命，除了優(yōu)異的流體動(dòng)力學(xué)特性是螺旋槳所必須具備的，在生產(chǎn)加工時(shí)也應(yīng)該更多采用硬質(zhì)合金材料，故針對(duì)船舶螺旋槳設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的研究是目前全球行業(yè)內(nèi)的熱點(diǎn)[2]。

螺旋槳設(shè)計(jì)與加工技術(shù)作為船舶工業(yè)的核心，其復(fù)雜曲面的設(shè)計(jì)、加工技術(shù)一直都被發(fā)達(dá)國(guó)家嚴(yán)格封鎖、控制著，由于我國(guó)船舶工業(yè)發(fā)展起步晚，相關(guān)技術(shù)相對(duì)落后，大功率螺旋槳的核心設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以及制備工藝相當(dāng)缺乏[3]。而逆向工程技術(shù)就可以借助三維數(shù)據(jù)采集設(shè)備、傳感器、三維建模軟件等從實(shí)際螺旋槳出發(fā)，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型重構(gòu)等最終獲得螺旋槳的參數(shù)化三維模型[4]。本文以逆向工程技術(shù)的主要流程與關(guān)鍵環(huán)節(jié)為導(dǎo)向，研究了船舶螺旋槳的逆向建模、曲面擬合以及自動(dòng)化加工技術(shù)等問題，這對(duì)于螺旋槳設(shè)計(jì)水平的改善提高，制造加工先進(jìn)核心技術(shù)的獲取皆有著重要的意義。

1 逆向工程技術(shù)

目前來看，全球主流逆向工程技術(shù)大致可以分為以下3 種：幾何逆向、工藝逆向以及材料逆向。其主要技術(shù)路線是從實(shí)物出發(fā)，借助三維數(shù)據(jù)采集裝備（三維掃描儀或三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x等）以及建模軟件，最終獲取實(shí)物的詳細(xì)幾何參數(shù)和加工模型。同時(shí)，依據(jù)所研究的實(shí)際對(duì)象不同，相應(yīng)地有3 種不同的研究方法：實(shí)物反求、影像反求以及軟件反求[5]。在本文研究中，主要采用的逆向工程方法是實(shí)物反求法，即從實(shí)體螺旋槳出發(fā)，借助三維數(shù)據(jù)采集設(shè)備及建模軟件，對(duì)某船舶螺旋槳開展數(shù)字化設(shè)計(jì)及數(shù)控加工技術(shù)研究，如圖1 所示為本文研究的流程。如圖所示的逆向工程流程中，包括數(shù)據(jù)采集與測(cè)量、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)字化模型設(shè)計(jì)以及自動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)開發(fā)等在內(nèi)的均為關(guān)鍵環(huán)節(jié)[6]。

圖1 逆向工程流程Fig.1 Flow chart of reverse engineering

1.1 數(shù)據(jù)采集與測(cè)量

在逆向工程中最基本的環(huán)節(jié)就是工件實(shí)物三維數(shù)據(jù)的采集與測(cè)量，為了保證后續(xù)CAD 模型構(gòu)建的精度，必須要獲得準(zhǔn)確的實(shí)物參數(shù)信息。在進(jìn)行工件實(shí)物逆向工程數(shù)據(jù)測(cè)量與采集時(shí)，按數(shù)據(jù)獲取方式的不同，一般有接觸式和非接觸式2 種方法，在下文中將對(duì)這兩種數(shù)據(jù)測(cè)量技術(shù)的異同點(diǎn)作詳細(xì)闡述。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

逆向工程中所采集的原始三維數(shù)據(jù)含有大量的“噪點(diǎn)”，即干擾信息。測(cè)量過程中的設(shè)備噪聲、環(huán)境干擾等因素均可導(dǎo)致上述“噪點(diǎn)”的產(chǎn)生，可以通過“噪點(diǎn)”過濾、數(shù)據(jù)拼合等方式對(duì)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理從而將所獲得的三維數(shù)據(jù)中的干擾信息剔除掉[7]。若不對(duì)逆向工程中所獲取的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理或處理效果不好，則都會(huì)對(duì)后期三維模型構(gòu)建的質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。

1.3 數(shù)字化模型設(shè)計(jì)

在做好前期工作的基礎(chǔ)上，實(shí)體數(shù)字化模型的構(gòu)建才是逆向工程的最終目標(biāo)。在進(jìn)行實(shí)體數(shù)字化建模時(shí)仍然存在較多關(guān)鍵問題需要注意，比如當(dāng)模型比較復(fù)雜時(shí)，僅用一張曲面很難描述完整，那么就需要多張曲面組合來進(jìn)行表達(dá)；因?qū)嶓w的三維參數(shù)信息非常龐大，故可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分割并建立數(shù)據(jù)子集，然后分別針對(duì)各數(shù)據(jù)子集進(jìn)行模型的構(gòu)建[8]。

1.4 數(shù)控加工技術(shù)

目前，在行業(yè)內(nèi)配合逆向工程的主流曲面加工技術(shù)主要包括：數(shù)字化曲面加工、STL 快速成型（3D 打?。┮约癈AD∕CAM 系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床加工3 種。其中，數(shù)字化曲面加工技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量與加工的一體化，去除數(shù)據(jù)采集、處理及模型重構(gòu)等中間環(huán)節(jié)，顯著提高逆向工程效率，但諸如異形曲面難以加工、刀具補(bǔ)償效果差等問題依然存在；而3D打印技術(shù)盡管可以有效縮短逆向工程周期，但成型技術(shù)還不完善，產(chǎn)品精度不夠高后期需要進(jìn)一步精加工處理[9]。

2 船舶螺旋槳三維數(shù)據(jù)采集

本文中針對(duì)船舶螺旋槳的逆向工程，充分利用了諸如傳感器、圖像處理等技術(shù)，本節(jié)中將重點(diǎn)介紹螺旋槳三維數(shù)據(jù)的采集與測(cè)量方法。

在進(jìn)行實(shí)體數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)，可以運(yùn)用有損測(cè)量和無損測(cè)量技術(shù)，其中有損測(cè)量顧名思義會(huì)對(duì)測(cè)量實(shí)體造成一定的損壞，故該技術(shù)不常用于逆向工程領(lǐng)域；相反無損測(cè)量不僅不會(huì)損壞實(shí)體，且測(cè)量精度很高，因此在逆向工程領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，無損測(cè)量技術(shù)按其測(cè)量工作原理的不同又可分為接觸式和非接觸式兩種。

2.1 接觸式測(cè)量

接觸式測(cè)量方法的基本原理是：利用測(cè)量探頭與被測(cè)實(shí)體表面進(jìn)行接觸，隨著探頭在實(shí)體表面的“游走”，信號(hào)觸發(fā)并在輔助計(jì)算機(jī)中記錄下任一時(shí)刻標(biāo)定的傳感器數(shù)值，從而獲取實(shí)體表面的任一位置的三維坐標(biāo)值，圖2所示為接觸式測(cè)量中常用的三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x。

圖2 三坐標(biāo)測(cè)量?jī)xFig.2 3D coordinate measuring machine

2.2 非接觸式測(cè)量

所謂非接觸式測(cè)量，就是測(cè)量設(shè)備與被測(cè)實(shí)體表面不直接接觸，而是通過光電技術(shù)獲取得到三維實(shí)體參數(shù)。非接觸式測(cè)量方法主要包括：電渦流、超聲測(cè)量、計(jì)算機(jī)視覺測(cè)量、激光干涉等[10]。相對(duì)于2.1 節(jié)介紹的接觸式測(cè)量方法而言，非接觸式能避免被測(cè)物體表面發(fā)生輕微形變，這樣即可保證三維數(shù)據(jù)采集的高精度。圖3～4 所示為目前逆向工程中廣泛使用的三維掃描儀及其工作系統(tǒng)組成圖。

圖3 三維掃描儀Fig.3 Three-dimensional scanner

圖4 三維掃描儀工作系統(tǒng)組成Fig.4 Working system of three-dimensional scanner

本文研究中，在對(duì)某船舶螺旋槳實(shí)體的三維數(shù)據(jù)采集與測(cè)量時(shí)，采用了無損測(cè)量技術(shù)中的非接觸式測(cè)量法，圖5 所示為掃描儀掃描并經(jīng)去燥、平滑等預(yù)處理后得到的船舶螺旋槳三維數(shù)據(jù)點(diǎn)云圖。

圖5 船舶螺旋槳三維數(shù)據(jù)點(diǎn)云圖Fig.5 Three-dimensional point cloud of ship propeller

3 船舶螺旋槳三維模型自由曲面擬合

因螺旋槳槳葉部分的曲面非常復(fù)雜，所以在針對(duì)螺旋槳的逆向工程求解過程中，最復(fù)雜、最關(guān)鍵的步驟是對(duì)槳葉三維數(shù)字模型的構(gòu)建[7]。而在構(gòu)建槳葉模型時(shí)特別需要注意的是曲面擬合問題，可以說曲線擬合效果的好壞決定了整個(gè)螺旋槳三維模型構(gòu)建的精度。在構(gòu)建三維模型時(shí)，目前常用的曲面擬合方法包括以下幾種。

3.1 基于NURBS樣條曲線曲面擬合法

所謂NURBS 即非均勻有理B 樣條，具體指的是一個(gè)頂點(diǎn)控制力，且其范圍可變，在對(duì)不規(guī)則曲面進(jìn)行擬合的時(shí)候能對(duì)曲線度有很好的控制，使構(gòu)建的三維模型更加逼真。

NURBS樣條曲線函數(shù)表達(dá)式為：

式中：Ni,k(t)為k階樣條基函數(shù)。

3.2 基于Bezier曲線曲面擬合法

Bezier 曲線由可拖動(dòng)節(jié)點(diǎn)和可伸縮線段組成，可以根據(jù)實(shí)際情況非常精確的繪制出所需的曲線，其主要應(yīng)用于二維圖形的構(gòu)建。

Bezier曲線函數(shù)表達(dá)式為：

3.3 基于B-Spline曲線和多面體逼近曲面擬合法

B-Spline曲線函數(shù)表達(dá)式為：

其中，si與曲面的函數(shù)模型如圖6所示。

圖6 三次B-Spline曲線的函數(shù)模型Fig.6 The function model of the three B-Spline curve

將B-Spline 樣條曲線與多面體逼近算法相結(jié)合，構(gòu)建的復(fù)雜三維模型不僅精度較高，而且整體渲染效果也非常好，目前針對(duì)復(fù)雜實(shí)體曲面的逆向工程多運(yùn)用多面體逼近的曲面擬合技術(shù)[11]，如圖7 所示為螺旋槳三維重構(gòu)模型。

圖7 船舶螺旋槳三維重構(gòu)模型Fig.7 Three-dimensional reconstruction model of ship propeller

4 船舶螺旋槳自動(dòng)化加工技術(shù)研究

長(zhǎng)期以來，針對(duì)船體表面、螺旋槳等具有復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)加工一直是困擾船舶工業(yè)的重難點(diǎn)，隨著我國(guó)的逆向工程與數(shù)控加工技術(shù)不斷發(fā)展，對(duì)船舶螺旋槳復(fù)雜曲面的加工不僅質(zhì)量得到了保障，加工效率也大幅度提升[12]。在本文研究中，除了對(duì)船舶螺旋槳進(jìn)行了數(shù)字化設(shè)計(jì)研究，還做了螺旋槳復(fù)雜曲面自動(dòng)化加工技術(shù)開發(fā)的相關(guān)研究工作，其中主要重點(diǎn)環(huán)節(jié)有以下兩條。

4.1 曲面數(shù)控加工方法

由于船體、螺旋槳等結(jié)構(gòu)件工作環(huán)境惡劣，綜合性能要求高，故通常采用硬質(zhì)合金材料，另外船舶螺旋槳的表面曲面復(fù)雜，所以數(shù)控加工方法的選擇需要慎重考慮。在本文研究中采用的數(shù)控加工方法是：銑削加工行切法[13]。所謂行切法指的就是刀具平行于零件輪廓切點(diǎn)軌跡，編程簡(jiǎn)單、去除材料效率高等是該切削方法主要優(yōu)點(diǎn)。

4.2 數(shù)控加工模塊開發(fā)

在進(jìn)行數(shù)控加工CAM 模塊設(shè)計(jì)時(shí)采用參數(shù)設(shè)計(jì)思路，圖8 所示為本文研究中數(shù)控加工模塊工作流程，該流程具有良好的開放性、容錯(cuò)性等特點(diǎn)。

圖8 船舶螺旋槳數(shù)控加工模塊流程Fig.8 CAM procedure for ship propeller

5 結(jié)束語(yǔ)

所謂逆向工程即從實(shí)際工件出發(fā)，輔助以對(duì)其關(guān)鍵特性的數(shù)據(jù)測(cè)量和采集，從而獲得數(shù)字化模型的系統(tǒng)工程。艦船及其相關(guān)部件的數(shù)字化逆向工程難度較大，為提高船舶部件復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)、加工效率及質(zhì)量，本文以某型船舶螺旋槳為對(duì)象探討了基于逆向工程的復(fù)雜曲面數(shù)字化設(shè)計(jì)及數(shù)控加工技術(shù)，重點(diǎn)闡述了螺旋槳的三維參數(shù)采集、分析、處理以及CAD 模型構(gòu)建等內(nèi)容，同時(shí)還對(duì)相關(guān)自動(dòng)化加工技術(shù)作了說明。研究結(jié)果表明，逆向工程技術(shù)可顯著提高船舶復(fù)雜曲面部件的自動(dòng)化加工精度和效率，具有很高的應(yīng)用價(jià)值及推廣意義，同時(shí)對(duì)其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的數(shù)字化設(shè)計(jì)、加工技術(shù)研究也有著積極的促進(jìn)作用。