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摘 要：本文阐述了逆向建模技术在螺旋桨三维模型重构上的应用。通过对螺旋桨的三维扫描生成原始点云数据，利用Geomagic Wrap 进行点云数据的前处理，重点论述了基于 Geomagic Design X软件中的境界拟合、回转实体、面片拟合功能，完成了螺旋桨三维模型的重构任务。同时可以看出，逆向建模技术针对复杂曲面的产品与零件具有重构精度高、设计周期短的特点，该方法也为今后的产品结构优化、创新设计提供了方法和依据。
关键词：Geomagic Design X;螺旋桨;逆向建模;桨叶;境界拟合
前言
逆向建模技术，也称为反求技术，主要是通过数字化技术、几何模型重构技术将产品实物转变为CAD模型，进行结构优化，创新设计，最后制造出新产品的过程[1]。
螺旋桨作为轮船的动力推进装置，而螺旋桨的桨叶很大程度上影响了轮船的推力，桨叶模型是不规则的曲面结构，设计时需要选择螺距比、后倾角、厚度、截面半径等参数，只有经过精确的计算、测量、反复实验才能保证螺旋桨模型的精度[2]。为了缩短产品的设计周期，降低投入成本，可以采用逆向建模技术，使用扫描仪采集实物数据和Geomagic Design X软件逆向建模技术，从而完成螺旋桨三维模型的重构任务。
1 点云数据采集与前处理
本文采用非接触式双目三维扫描仪，它是基于红外光栅深度成像原理，能够完成数据模型的自动拼接，主要步骤包括：扫描仪标定、喷涂显像剂、制定扫描策略、扫描处理等，最后将点云数据保存为.asc文件。
由于扫描过程中会受到光照、场地环境和振动等因素的影响，得到的点云数据会有大量的冗余和噪点。在进行逆向建模之前需要将.asc文件导入 Geomagic Wrap 进行数据的前处理。Geomagic Wrap 拥有强大的点云处理能力，能够快速完成点云到三角面片的过程。首先是点云阶段，经过将点云着色、删除非连接项、去除体外孤点、减少噪音、封装数据，使点云数据转换为多边形模型。其次是多边形阶段，经过删除钉状物、填充孔、去除特征、网格医生。最后将多边形数据保存为.stl文件。
2 逆向建模
2.1逆向建模思路
螺旋桨是由桨叶与其相连结的桨毂组成。桨毂部分可以通过绘制轮廓草图进行回转实体生成。桨叶主要由叶面、叶背、导边、随边组成，通过产品实物可以看出桨叶的叶面和叶背是复杂的不规则曲面，导边、随边过渡圆的圆弧大小对螺旋桨的性能有极大的影响[3]。对于桨叶这样复杂的曲面，一般可以利用Geomagic Design X提供的“面片拟合”功能，通过手动划分多个领域进行面片拟合，利用3D样条曲线裁剪面片，面片之间利用放样功能连接，最后对边缘处进行可变圆角。通过尝试使用这种方法发现拟合精度比较低，特别是面片连接处和边缘处误差较大。另一种方法是利用境界拟合建模，境界拟合是通过3D面片草图模式里的3D样条曲面网格定义境界，根据面片运用的拟合运算来创建曲面，这种方法为自由形状面片创建提供了一种简单、快速的方法，但是使用境界拟合命令对于网格曲线的划分要求比较严格，直接影响建模的品质，因此，在绘制境界线时应尽量使网格曲线为四条相似曲线组成的矩形特征。通过以上两种建模方法的比较分析，本文采用第二种方法来建立桨叶的模型。
2.2逆向建模过程
（1）坐标对齐 将处理好的.stl文件导入Geomagic Design X，通过手动绘制领域对桨毂进行领域组划分，选择手动对齐命令，找正坐标系。
（2）桨叶的建模 通过3D面片草图中的样条曲线来绘制其中一个桨叶的网格曲线，绘制过程中尽量保证网格曲线均匀分布，具有四条相似曲线组成的矩形特征。然后选择境界拟合命令完成网格曲線曲面的创建。最后将境界拟合完成的曲面进行放样连接。由于三个桨叶围绕中心轴呈120度均匀分布，其他两个桨叶可以通过阵列特征命令来完成建模。
（3）桨毂的建模 选择面片草图命令，截出桨毂回转体的截面轮廓，绘制出完整的草图轮廓，然后回转形成实体，对于整流帽上的特征处理可以利用手动划分领域，进行面片拟合，利用面片拟合得到的曲面剪切回转实体的方法。
（4）偏差分析 将桨叶和桨毂合成一个实体，对桨叶根部进行圆角处理，最终重构出螺旋桨的三维模型，如图1所示。利用Accuracy Analyzer偏差分析命令将生成实体与原始点云数据进行偏差分析，将偏差的上限设为0.03mm，下限设为-0.03mm，得到偏差分析色图，如图2所示。从偏差分析色图可以看出模型整体上处于平均偏差内，面片拟合程度比较高，满足精度要求。
3 结论
本文以螺旋桨为例，利用非接触式双目三维扫描仪和Geomagic Wrap软件完成产品的点云数据采集与前处理，将处理好的.stl文件导入Geomagic Design X软件进行桨叶和桨毂的模型曲面重建，得到螺旋桨的三维模型。本文通过产品逆向建模的方法，快速、高效完成实物建模和分析，而且重构精度高，接下来就可以对产品在正向软件里进行结构优化及创新设计提供方法和依据，从而可以有效地缩短复杂曲面产品的设计周期，降低企业成本，具有较好的市场应用价值。
参考文献：
[1]杨晓雪，闫学文.Geomagic Design X三维建模案例教程[M].北京：机械工业出版社，2016.
[2]程东，朱新河，邓金文.基于 UG/Grip 的船用螺旋桨三维建模关键技术[J]，大连海事大学学报，2009，35 （ 4）：121-123.
[3]王知行，陈辉.并联机床加工船用螺旋桨及CAM技术研究[J].机械设计与研究，2003，19（6）：55-58.
作者简介：
李亚永（1987-），山东滕州人，硕士研究生，现任教于山东化工技师学院，主要研究方向：机械设计，3D打印技术及应用。
关键词：Geomagic Design X;螺旋桨;逆向建模;桨叶;境界拟合
前言
逆向建模技术，也称为反求技术，主要是通过数字化技术、几何模型重构技术将产品实物转变为CAD模型，进行结构优化，创新设计，最后制造出新产品的过程[1]。
螺旋桨作为轮船的动力推进装置，而螺旋桨的桨叶很大程度上影响了轮船的推力，桨叶模型是不规则的曲面结构，设计时需要选择螺距比、后倾角、厚度、截面半径等参数，只有经过精确的计算、测量、反复实验才能保证螺旋桨模型的精度[2]。为了缩短产品的设计周期，降低投入成本，可以采用逆向建模技术，使用扫描仪采集实物数据和Geomagic Design X软件逆向建模技术，从而完成螺旋桨三维模型的重构任务。
1 点云数据采集与前处理
本文采用非接触式双目三维扫描仪，它是基于红外光栅深度成像原理，能够完成数据模型的自动拼接，主要步骤包括：扫描仪标定、喷涂显像剂、制定扫描策略、扫描处理等，最后将点云数据保存为.asc文件。
由于扫描过程中会受到光照、场地环境和振动等因素的影响，得到的点云数据会有大量的冗余和噪点。在进行逆向建模之前需要将.asc文件导入 Geomagic Wrap 进行数据的前处理。Geomagic Wrap 拥有强大的点云处理能力，能够快速完成点云到三角面片的过程。首先是点云阶段，经过将点云着色、删除非连接项、去除体外孤点、减少噪音、封装数据，使点云数据转换为多边形模型。其次是多边形阶段，经过删除钉状物、填充孔、去除特征、网格医生。最后将多边形数据保存为.stl文件。
2 逆向建模
2.1逆向建模思路
螺旋桨是由桨叶与其相连结的桨毂组成。桨毂部分可以通过绘制轮廓草图进行回转实体生成。桨叶主要由叶面、叶背、导边、随边组成，通过产品实物可以看出桨叶的叶面和叶背是复杂的不规则曲面，导边、随边过渡圆的圆弧大小对螺旋桨的性能有极大的影响[3]。对于桨叶这样复杂的曲面，一般可以利用Geomagic Design X提供的“面片拟合”功能，通过手动划分多个领域进行面片拟合，利用3D样条曲线裁剪面片，面片之间利用放样功能连接，最后对边缘处进行可变圆角。通过尝试使用这种方法发现拟合精度比较低，特别是面片连接处和边缘处误差较大。另一种方法是利用境界拟合建模，境界拟合是通过3D面片草图模式里的3D样条曲面网格定义境界，根据面片运用的拟合运算来创建曲面，这种方法为自由形状面片创建提供了一种简单、快速的方法，但是使用境界拟合命令对于网格曲线的划分要求比较严格，直接影响建模的品质，因此，在绘制境界线时应尽量使网格曲线为四条相似曲线组成的矩形特征。通过以上两种建模方法的比较分析，本文采用第二种方法来建立桨叶的模型。
2.2逆向建模过程
（1）坐标对齐 将处理好的.stl文件导入Geomagic Design X，通过手动绘制领域对桨毂进行领域组划分，选择手动对齐命令，找正坐标系。
（2）桨叶的建模 通过3D面片草图中的样条曲线来绘制其中一个桨叶的网格曲线，绘制过程中尽量保证网格曲线均匀分布，具有四条相似曲线组成的矩形特征。然后选择境界拟合命令完成网格曲線曲面的创建。最后将境界拟合完成的曲面进行放样连接。由于三个桨叶围绕中心轴呈120度均匀分布，其他两个桨叶可以通过阵列特征命令来完成建模。
（3）桨毂的建模 选择面片草图命令，截出桨毂回转体的截面轮廓，绘制出完整的草图轮廓，然后回转形成实体，对于整流帽上的特征处理可以利用手动划分领域，进行面片拟合，利用面片拟合得到的曲面剪切回转实体的方法。
（4）偏差分析 将桨叶和桨毂合成一个实体，对桨叶根部进行圆角处理，最终重构出螺旋桨的三维模型，如图1所示。利用Accuracy Analyzer偏差分析命令将生成实体与原始点云数据进行偏差分析，将偏差的上限设为0.03mm，下限设为-0.03mm，得到偏差分析色图，如图2所示。从偏差分析色图可以看出模型整体上处于平均偏差内，面片拟合程度比较高，满足精度要求。
3 结论
本文以螺旋桨为例，利用非接触式双目三维扫描仪和Geomagic Wrap软件完成产品的点云数据采集与前处理，将处理好的.stl文件导入Geomagic Design X软件进行桨叶和桨毂的模型曲面重建，得到螺旋桨的三维模型。本文通过产品逆向建模的方法，快速、高效完成实物建模和分析，而且重构精度高，接下来就可以对产品在正向软件里进行结构优化及创新设计提供方法和依据，从而可以有效地缩短复杂曲面产品的设计周期，降低企业成本，具有较好的市场应用价值。
参考文献：
[1]杨晓雪，闫学文.Geomagic Design X三维建模案例教程[M].北京：机械工业出版社，2016.
[2]程东，朱新河，邓金文.基于 UG/Grip 的船用螺旋桨三维建模关键技术[J]，大连海事大学学报，2009，35 （ 4）：121-123.
[3]王知行，陈辉.并联机床加工船用螺旋桨及CAM技术研究[J].机械设计与研究，2003，19（6）：55-58.
作者简介：
李亚永（1987-），山东滕州人，硕士研究生，现任教于山东化工技师学院，主要研究方向：机械设计，3D打印技术及应用。