CN113806892A - 一种基于逆向工程的螺旋桨数字化设计加工方法 - Google Patents

一种基于逆向工程的螺旋桨数字化设计加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于逆向工程的螺旋桨数字化设计加工方法，涉及数控加工技术领域，采用逆向工程的思想，对实体的螺旋桨工件进行产品设计技术再现，通过采集螺旋桨工件的三维坐标和三维图像，进行三维模型的曲面拟合，实现三维模型的构建。并对构建的三维模型进行优化调整，按照优化调整的参数进行数控加工，生成与原螺旋桨工件相近，但性能更优的产品。在实体的螺旋桨工件基础上进行三维构建，优化加工，提高了船舶复杂曲面结构件的设计时长、加工效率、加工精度及加工质量。

Description

一种基于逆向工程的螺旋桨数字化设计加工方法
技术领域
本发明涉及数控加工技术领域，特别涉及一种基于逆向工程的螺旋桨数字化设计加工方法。
背景技术
近年来，运载量大、安全性高、经济性好的水运，已然成为了全球商品贸易的主要运输途径。船舶在运行时，会受到各种极端恶劣条件的影响，船身结构及主要零部件也会受到水的冲击和侵蚀，特别是曲面结构相当复杂的螺旋桨。由船舶发动机通过带动螺旋桨在水下高速旋转将动力转化为其推进的作用力，但旋转产生的空泡效应等又会破坏螺旋桨的结构。此外，为了提高船舶的主机动力转化率、质量及使用寿命，除了优异的流体动力学特性是螺旋桨所必须具备的，在生产加工时也应该更多采用硬质合金材料。螺旋桨设计与加工技术成为船舶工业的核心，但采用传统的设计加工方式很难满足船舶实际工况要求，是船舶工业研究的难点。
逆向工程(又称逆向技术)，是一种产品设计技术再现过程，即对一项目标产品进行逆向分析及研究，从而演绎并得出该产品的处理流程、组织结构、功能特性及技术规格等设计要素，以制作出功能相近，但又不完全一样的产品。逆向工程源于商业及军事领域中的硬件分析。其主要目的是在不能轻易获得必要的生产信息的情况下，直接从成品分析，推导出产品的设计原理。
因此，本申请针对上述问题，提供一种基于逆向工程的螺旋桨数字化设计加工方法，采用逆向工程技术，采集实际螺旋桨的测量数据，进行模型重构，最终获得螺旋桨的三维模型，并进行三维模型自由曲面拟合，实现螺旋桨数字化设计加工，有助于提高以螺旋桨为代表的复杂结构件的设计与加工效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于逆向工程的螺旋桨数字化设计加工方法，采用逆向工程技术，采集实际螺旋桨的测量数据，进行模型重构，最终获得螺旋桨的三维模型，并进行三维模型自由曲面拟合，实现螺旋桨数字化设计加工，有助于提高以螺旋桨为代表的复杂结构件的设计与加工效率。
本发明提供了一种基于逆向工程的螺旋桨数字化设计加工方法，包括以下步骤：
采集螺旋桨工件的三维测量数据，所述三维测量数据包括三维坐标数据和三维图像数据；
基于螺旋桨工件的三维图像数据，进行边缘特征点提取；
基于边缘特征点和三维坐标数据，进行曲线曲面拟合，逆向重构螺旋桨工件的三维模型；
对三维模型进行CAE分析，设置数控加工条件，若CAE分析结果不符合数控加工条件，则根据数控加工条件进行三维模型参数的优化调整；若CAE分析结果符合数控加工条件，根据优化调整后的三维模型参数进行螺旋桨工件的数控加工。
进一步地，还包括：
对螺旋桨工件的三维测量数据进行预处理，过滤螺旋桨工件的三维测量数据中的噪点。
进一步地，所述采集螺旋桨工件的三维测量数据，包括：采用三坐标测量仪的测量探头与螺旋桨工件接触，并在螺旋桨工件表面移动，获取螺旋桨工件的三维测量数据。
进一步地所述采集螺旋桨工件的三维测量数据，包括：
采用三维光学测量仪，获取螺旋桨工件的三维测量数据。
进一步地，所述基于螺旋桨工件的三维图像数据，进行边缘特征点提取的步骤，包括：
对螺旋桨工件的三维图像数据进行灰度化处理；
设置灰度分割阈值，对螺旋桨工件的三维图像数据的灰度图进行阈值化处理；
利用边缘特征点提取算法，提取螺旋桨工件的三维图像的边缘特征点。
进一步地，所述基于边缘特征点和三维坐标数据，进行曲线曲面拟合，逆向重构螺旋桨工件的三维模型的步骤，包括：
基于边缘特征点和三维坐标数据，选取非均匀有理B样条曲线；
选取非均匀有理B样条曲线函数，进行曲线曲面拟合；
由拟合曲线曲面，生成螺旋桨工件的三维模型。
进一步地，所述基于边缘特征点和三维坐标数据，进行曲线曲面拟合，逆向重构螺旋桨工件的三维模型的步骤，包括：
基于边缘特征点和三维坐标数据，选取贝塞尔曲线；
采用贝塞尔曲线函数，进行曲线曲面拟合；
由拟合曲线曲面，生成螺旋桨工件的三维模型。
进一步地，所述基于边缘特征点和三维坐标数据，进行曲线曲面拟合，逆向重构成螺旋桨工件的三维模型的步骤，包括：
基于边缘特征点和三维坐标数据，选取B-Spline曲线；
采用B-Spline曲线函数，进行曲线曲面拟合；
由拟合曲线曲面，生成螺旋桨工件的三维模型。
进一步地，所述根据优化调整后的三维模型参数进行螺旋桨工件的数控加工，包括对硬质合金材料按照优化调整后的三维模型参数采用铣削加工行切法进行数控加工。
与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
本发明提出的一种基于逆向工程的螺旋桨数字化设计加工方法，采用逆向工程的思想，对实体的螺旋桨工件进行产品设计技术再现，通过采集螺旋桨工件的三维坐标和三维图像，进行三维模型的曲面拟合，实现三维模型的构建。并对构建的三维模型进行优化调整，按照优化调整的参数进行数控加工，生成与原螺旋桨工件相近，但性能更优的产品。在实体的螺旋桨工件基础上进行三维构建，优化加工，提高了船舶复杂曲面结构件的设计时长、加工效率、加工精度及加工质量。
附图说明
图1为本发明实施例提供的逆向工程流程图；
图2为本发明实施例提供的三维扫描仪工作系统组成图；
图3为本发明实施例提供的船舶螺旋桨三维数据点云图；
图4为本发明实施例提供的三次B-Spline曲线的函数模型图；
图5为本发明实施例提供的船舶螺旋桨三维重构模型图；
图6为本发明实施例提供的船舶螺旋桨数控加工模块流程图。
具体实施方式
下面结合本发明中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
良好的水动力及抗侵蚀性能是螺旋桨作为船舶动力推进系统核心部件的必要条件，要求其桨叶采用硬质合金材料制成，并且呈复杂的空间自由曲面形状。因此，船舶螺旋桨的设计、加工难度大，精度要求高，采用传统的设计加工方式很难满足船舶实际工况要求，是船舶工业研究的难点。近年来，基于逆向工程的船舶关键零部件数字化设计与自动化加工技术研究成为行业内的研究重点，该方法以实际工件为对象，通过利用多种数据采集及分析手段，从而获取工件的关键特征参数，最后再利用CAD、CAM等计算机辅助技术实现对工件的参数化设计与加工。本申请采用逆向工程技术的操作流程与关键环节，研究了船舶螺旋桨的数字化设计及数控加工技术，有助于提高以螺旋桨为代表的复杂结构件的设计与加工效率。
逆向工程技术可以借助三维数据采集设备、传感器、三维建模软件等从实际螺旋桨出发，通过数据预处理、模型重构等最终获得螺旋桨的参数化三维模型。本申请以逆向工程技术的主要流程与关键环节为导向，研究了船舶螺旋桨的逆向建模、曲面拟合以及自动化加工技术等问题，这对于螺旋桨设计水平的改善提高，制造加工先进核心技术的获取皆有着重要的意义。
现有的主流逆向工程技术大致可以分为以下3种，即：几何逆向、工艺逆向以及材料逆向。其主要技术路线是从实物出发，借助三维数据采集装备(三维扫描仪或三坐标测量仪等)以及建模软件，最终获取实物的详细几何参数和加工模型。同时，依据所研究的实际对象不同，相应地有3种不同的研究方法：实物反求、影像反求以及软件反求。在本申请中，主要采用的逆向工程方法是实物反求法，即从实体螺旋桨出发，借助三维数据采集设备及建模软件，对某船舶螺旋桨开展数字化设计及数控加工技术研究。
现有技术配合逆向工程的主流曲面加工技术主要包括：数字化曲面加工、STL快速成型(3D打印)以及CAD/CAM系统和数控机床加工3种。其中，数字化曲面加工技术可以实现测量与加工的一体化，去除数据采集、处理及模型重构等中间环节，显著提高逆向工程效率，但诸如异形曲面难以加工、刀具补偿效果差等问题依然存在；而3D打印技术尽管可以有效缩短逆向工程周期，但成型技术还不完善，产品精度不够高后期需要进一步精加工处理。
参照图1-图6，本发明提供了一种基于逆向工程的螺旋桨数字化设计加工方法，包括以下步骤：
采集螺旋桨工件的三维测量数据，所述三维测量数据包括三维坐标数据和三维图像数据；
由于测量过程中的设备噪声、环境干扰等因素，使得采集的原始三维数据含有大量的噪点，即干扰信息，对螺旋桨工件的测量数据进行预处理，过滤螺旋桨工件的三维测量数据中的噪点，并采用数据拼合的方式完成对三维数据进行预处理，从而将所获得的三维数据中的干扰信息剔除掉，若不对逆向工程中所获取的三维数据进行预处理或处理效果不好，则都会对后期三维模型构建的质量产生直接影响；
基于螺旋桨工件的三维图像数据，进行边缘特征点提取；
基于边缘特征点和三维坐标数据，进行曲线曲面拟合，逆向重构螺旋桨工件的三维模型，当模型比较复杂时，仅用一张曲面很难描述完整，就需要多张曲面组合来进行表达；或因实体的三维参数信息庞大，可以对数据进行分割并建立数据子集，然后分别针对各数据子集进行模型的构建和最后的拼合；
对三维模型进行CAE分析，用计算机辅助求解分析复杂工程和产品的结构力学性能，以及优化结构性能，设置数控加工条件，若CAE分析结果不符合数控加工条件，则根据数控加工条件进行三维模型参数的优化调整；若CAE分析结果符合数控加工条件，根据优化调整后的三维模型参数进行螺旋桨工件的数控加工；
对硬质合金材料按照优化调整后的三维模型参数采用铣削加工行切法进行数控加工，生成螺旋桨工件。
其中，参照图2，采用三坐标测量仪的测量探头与螺旋桨工件接触，并在螺旋桨工件表面移动，获取螺旋桨工件的三维测量数据。采用三维光学测量仪获取螺旋桨工件的三维测量数据，测量设备与被测实体表面不直接接触，非接触式测量方法主要包括：电涡流、超声测量、计算机视觉测量、激光干涉等，以保证后续CAD模型构建的精度，必须要获得准确的实物参数信息。本申请在对某船舶螺旋桨实体的三维数据采集与测量时，采用了无损测量技术中的非接触式测量法，如图3所示为扫描仪扫描并经去燥、平滑等预处理后得到的船舶螺旋桨三维数据点云图。
CAE分析是指：用计算机辅助求解分析复杂工程和产品的结构力学性能，以及优化结构性能。CAE指工程设计中的计算机辅助工程，指用计算机辅助求解分析复杂工程和产品的结构力学性能，以及优化结构性能等，把工程(生产)的各个环节有机地组织起来。其关键就是将有关的信息集成，使其产生并存在于工程(产品)的整个生命周期。而CAE软件可作静态结构分析，动态分析；研究线性、非线性问题；分析结构(固体)、流体、电磁等。
基于螺旋桨工件的三维图像数据，进行边缘特征点提取的步骤，包括：
对螺旋桨工件的三维图像数据进行灰度化处理；
设置灰度分割阈值，对螺旋桨工件的三维图像数据的灰度图进行阈值化处理；
利用边缘特征点提取算法，提取螺旋桨工件的三维图像的边缘特征点。
基于边缘特征点和三维坐标数据，采用三种方法进行曲线曲面拟合，逆向重构螺旋桨工件的三维模型。
方法一：基于NURBS样条曲线曲面拟合法，具体指的是一个顶点控制力，且其范围可变，在对不规则曲面进行拟合的时候能对曲线度有很好的控制，使构建的三维模型更加逼真。逆向重构螺旋桨工件的三维模型的步骤包括：
基于边缘特征点和三维坐标数据，选取非均匀有理B样条曲线；
选取非均匀有理B样条曲线函数，进行曲线曲面拟合；
由拟合曲线曲面，生成螺旋桨工件的三维模型。
其中，NURBS样条曲线函数表达式为：
Figure BDA0003293940550000071
式中：Ni,k(t)为k阶样条基函数。
方法二：基于Bezier曲线曲面拟合法，贝塞尔曲线由可拖动节点和可伸缩线段组成，可以根据实际情况非常精确的绘制出所需的曲线，其主要应用于二维图形的构建。逆向重构螺旋桨工件的三维模型的步骤包括：
基于边缘特征点和三维坐标数据，选取贝塞尔曲线；
采用贝塞尔曲线函数，进行曲线曲面拟合；
由拟合曲线曲面，生成螺旋桨工件的三维模型。
其中，Bezier曲线函数表达式为：
Figure BDA0003293940550000081
式中：
Figure BDA0003293940550000082
为Bezier曲线的贝奇尔基函数。
方法三：基于B-Spline曲线和多面体逼近曲面拟合法，将B-Spline样条曲线与多面体逼近算法相结合，构建的复杂三维模型不仅精度较高，而且整体渲染效果也非常好，目前针对复杂实体曲面的逆向工程多运用多面体逼近的曲面拟合技术，如图5所示为螺旋桨三维重构模型。逆向重构螺旋桨工件的三维模型的步骤包括：
基于边缘特征点和三维坐标数据，选取B-Spline曲线；
采用B-Spline曲线函数，进行曲线曲面拟合；
由拟合曲线曲面，生成螺旋桨工件的三维模型。
其中，B-Spline曲线函数表达式为：
Figure BDA0003293940550000083
其中，与曲面的函数模型如图4所示。
长期以来，针对船体表面、螺旋桨等具有复杂曲面结构件的生产加工一直是困扰船舶工业的重难点，随着我国的逆向工程与数控加工技术不断发展，对船舶螺旋桨复杂曲面的加工不仅质量得到了保障，加工效率也大幅度提升。本申请的螺旋桨复杂曲面自动化加工技术，其中主要重点环节有以下两条：
(1)曲面数控加工方法
由于船体、螺旋桨等结构件工作环境恶劣，综合性能要求高，故通常采用硬质合金材料，另外船舶螺旋桨的表面曲面复杂，所以数控加工方法的选择需要慎重考虑。本申请采用的数控加工方法是：铣削加工行切法。所谓行切法指的就是刀具平行于零件轮廓切点轨迹，编程简单、去除材料效率高等是该切削方法主要优点。
(2)数控加工模块开发
在进行数控加工CAM模块设计时采用参数设计思路，如图6所示为本申请数控加工模块工作流程，该流程具有良好的开放性、容错性等特点。
数控加工模块工作流程步骤包括：
进行船舶螺旋桨加工工艺分析和规划；
进行加工参数分析；
设置优化调整三维模型的加工参数；
根据三维模型的加工参数生成CAM数控刀轨；
数控加工程序校核，校核通过则实施数控加工，校核不通过则重新进行加工参数分析。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于逆向工程的螺旋桨数字化设计加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集螺旋桨工件的三维测量数据，所述三维测量数据包括三维坐标数据和三维图像数据；
基于螺旋桨工件的三维图像数据，进行边缘特征点提取；
基于边缘特征点和三维坐标数据，进行曲线曲面拟合，逆向重构螺旋桨工件的三维模型；
对三维模型进行CAE分析，设置数控加工条件，若CAE分析结果不符合数控加工条件，则根据数控加工条件进行三维模型参数的优化调整；若CAE分析结果符合数控加工条件，根据优化调整后的三维模型参数进行螺旋桨工件的数控加工。
2.如权利要求1所述的一种基于逆向工程的螺旋桨数字化设计加工方法，其特征在于，还包括：
对螺旋桨工件的三维测量数据进行预处理，过滤螺旋桨工件的三维测量数据中的噪点。
3.如权利要求1所述的一种基于逆向工程的螺旋桨数字化设计加工方法，其特征在于，所述采集螺旋桨工件的三维测量数据，包括：
采用三坐标测量仪的测量探头与螺旋桨工件接触，并在螺旋桨工件表面移动，获取螺旋桨工件的三维测量数据。
4.如权利要求1所述的一种基于逆向工程的螺旋桨数字化设计加工方法，其特征在于，所述采集螺旋桨工件的三维测量数据，包括：
采用三维光学测量仪，获取螺旋桨工件的三维测量数据。
5.如权利要求1所述的一种基于逆向工程的螺旋桨数字化设计加工方法，其特征在于，所述基于螺旋桨工件的三维图像数据，进行边缘特征点提取的步骤，包括：
对螺旋桨工件的三维图像数据进行灰度化处理；
设置灰度分割阈值，对螺旋桨工件的三维图像数据的灰度图进行阈值化处理；
利用边缘特征点提取算法，提取螺旋桨工件的三维图像的边缘特征点。
6.如权利要求1所述的一种基于逆向工程的螺旋桨数字化设计加工方法，其特征在于，所述基于边缘特征点和三维坐标数据，进行曲线曲面拟合，逆向重构螺旋桨工件的三维模型的步骤，包括：
基于边缘特征点和三维坐标数据，选取非均匀有理B样条曲线；
选取非均匀有理B样条曲线函数，进行曲线曲面拟合；
由拟合曲线曲面，生成螺旋桨工件的三维模型。
7.如权利要求1所述的一种基于逆向工程的螺旋桨数字化设计加工方法，其特征在于，所述基于边缘特征点和三维坐标数据，进行曲线曲面拟合，逆向重构螺旋桨工件的三维模型的步骤，包括：
基于边缘特征点和三维坐标数据，选取贝塞尔曲线；
采用贝塞尔曲线函数，进行曲线曲面拟合；
由拟合曲线曲面，生成螺旋桨工件的三维模型。
8.如权利要求1所述的一种基于逆向工程的螺旋桨数字化设计加工方法，其特征在于，所述基于边缘特征点和三维坐标数据，进行曲线曲面拟合，逆向重构成螺旋桨工件的三维模型的步骤，包括：
基于边缘特征点和三维坐标数据，选取B-Spline曲线；
采用B-Spline曲线函数，进行曲线曲面拟合；
由拟合曲线曲面，生成螺旋桨工件的三维模型。
9.如权利要求1所述的一种基于逆向工程的螺旋桨数字化设计加工方法，其特征在于，所述根据优化调整后的三维模型参数进行螺旋桨工件的数控加工，包括对硬质合金材料按照优化调整后的三维模型参数采用铣削加工行切法进行数控加工。
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