任建勛

（武警工程大學(xué) 裝備工程學(xué)院，西安 710086）

0 引言

當(dāng)前，隨著CAD/CAM 技術(shù)、測(cè)量技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，使研究人員更容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品實(shí)物的逆向工程。開(kāi)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(dǎo)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(yīng)用技術(shù)的結(jié)合，是一個(gè)“認(rèn)識(shí)原型→再現(xiàn)原型→超越原型”的過(guò)程［1］。

螺旋槳是多旋翼無(wú)人機(jī)的主要推進(jìn)器，其設(shè)計(jì)性能和制造精度直接決定多旋翼無(wú)人機(jī)功率的利用效率、飛行性能、噪聲等性能。為滿(mǎn)足設(shè)計(jì)中不斷改進(jìn)、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(diǎn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取

用逆向工程方法進(jìn)行空氣螺旋槳曲面的重構(gòu)。三維光學(xué)掃描儀采用的是天遠(yuǎn)OKIO-400 型，如圖1。天遠(yuǎn)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(diǎn)。關(guān)鍵部件有計(jì)算機(jī)、光柵發(fā)射器CCD攝像機(jī)兩架、1394卡及線纜、標(biāo)定塊、標(biāo)志點(diǎn)等，如圖2。

由于螺旋槳是薄壁件，所以在測(cè)量過(guò)程中采用“建立框架拼接”測(cè)量模式來(lái)降低測(cè)量過(guò)程中的誤差。由于每相鄰兩次之間的公共標(biāo)志點(diǎn)至少為4 個(gè)，對(duì)螺旋槳一面三維掃描測(cè)量完后需要借助其他的參照物過(guò)渡到另一面，從而獲取曲面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3。數(shù)據(jù)預(yù)處理是模型重構(gòu)前的必要準(zhǔn)備，是逆向工程的重要一步。運(yùn)用Geomagic Studio12 軟件對(duì)采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)的顯示，去除噪聲點(diǎn)，修復(fù)缺損數(shù)據(jù)，精簡(jiǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，分割點(diǎn)云數(shù)據(jù)，得到預(yù)處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖4。

圖1 天遠(yuǎn)OKIO-400三維掃描儀

圖2 系統(tǒng)組成框圖

圖3 點(diǎn)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(guò)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(xué)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(wèn)題。非均勻有理B 樣條線（Non Uniform Rational BSPline，簡(jiǎn)稱(chēng)NURBS）數(shù)學(xué)描述為［2］：

圖4 預(yù)處理點(diǎn)云圖

式中：Pi為控制頂點(diǎn)；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(yīng)用到二維平面，可以得到NURBS 曲面，其數(shù)學(xué)描述為：

式中：Pi，j為矩形域上特征網(wǎng)格控制點(diǎn)列；ωi，j為一控制點(diǎn)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(diǎn)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(dǎo)入到Pro/E 內(nèi)，對(duì)殼體進(jìn)行填充、實(shí)體化，得到螺旋槳的三維模型。

3 結(jié)論

本文結(jié)合應(yīng)用多種軟件，大大縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)精度。為螺旋槳做FLUENT 虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)提供了實(shí)物依據(jù)，為研究螺旋槳的空氣動(dòng)力學(xué)特性提供了支持，并對(duì)其它復(fù)雜型面零件的逆向設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

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

［2］王繼群.基于無(wú)動(dòng)力排風(fēng)扇葉片曲面的逆向設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.北京：北方工業(yè)大學(xué)，2009.

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