张 震 张 辉 王 玉 高兆楼 张春燕 方喜峰

（江苏科技大学机械工程学院，江苏 镇江212003）

随着船舶工业不断向前发展，海装部件的高质量制造日益受到重视。螺旋桨作为大型自由复杂曲面类工件，其快速高效、精度稳定的测量检测成为制约加工效率和质量精度的主要因素之一。

传统的螺旋桨测量主要借助人工螺距规，操作繁琐、效率低下，受人为主观干扰，参数选择较为保守，精度波动较大。学者提出测量探头与软件联合进行叶面检测与余量评估[1]，该手段采取接触测量，易造成表面划伤，且测点时常无法反映实际数据；有学者提出基于逆向工程的螺旋桨检测[2]，该手段新颖，但余量处理复杂；亦有学者提出加工机床同测头结合[3]，该手段依赖机床位姿，自遮挡区域测取困难且规划测点特征描述存在不足。这些方法为本文研究的检测结构与测点规划研究提供了参考。

由于螺旋桨检测类大型设备设计开发难以预测实际问题，虚实转变存在过程风险，因此，机电一体化概念设计[4]随之产生。通过建立相仿物理环境进行数字信息映射，将所设计功能集中虚拟环境中验证合理性，极大降低能效比。MCD是NX系列产品，具有设计协同功能常用于机电一体化领域。郑魁敬等基于NX MCD平台对机器人磨削系统虚拟调试[5]，林裕程等基于NX MCD平台对数控机床虚拟调试[6]，王俊杰等基于NX MCD验证虚拟协同设计的可行性[7]，这些成果为开展机电一体化研究提供依据，但多数仅验证机构可行性对于产品测量控制还有所缺失。

本文针对上述问题，基于NX MCD平台设计了一种新型螺旋桨非接触检测装置，优化弥补了当前技术缺失。首先在MCD平台中构建数字化样机模型，赋予相应机电概念属性。为符合新型样机与精度需求，提出了一种螺旋桨类自由曲面等参网格映射测点规划法，该方法具有一定自适应性，符合大部分叶片类自由形态曲面。最后在多阶段建模过程基础上，联合MCD平台、TIA Portal和S7-PLCSIM Advanced模拟数据交互与控制，完成检测样机仿真调试与验证，相关的方法未曾见诸应用于测量检测领域。

1 检测方案设计

1.1 结构组成

新型螺旋桨非接触检测装置主要由6个模块组成（如图1）：回转平台模块、上悬臂梁模块、下悬臂梁模块、定位模块、待测模块和固定基塔模块构成。这6个模块，真实反映桨叶测量的装备模型。以螺旋桨为基准，桨毂下孔与回转平台连接，上悬臂梁与上孔进行衔接经固定基塔连接稳定结构。

图1 检测装置模型视图

回转平台支撑各部件并在检测过程中旋转待测桨，定位模块配合回转平台初始阶段定位，悬臂梁附属非接触检测部位于悬臂梁上线性运动，行程中借助激光探头采样测点数据。

1.2 测点规划

新型样机在提高效率与精度的前提下，对测量轨迹亦提出新要求，参考我国船用金属螺旋桨技术条件几何尺寸公差要求[8]，基本是对螺旋桨截面曲线绘制检测。参考叶片类曲面轮廓通常由2D截面曲线沿堆叠轴构成[9]，本文基于B样条曲线与等参法构建截面曲线空间网格并映射获得测点。几何空间中螺旋桨具有高度对称性，单一叶片轨迹规划可获其他叶片参数。这一自由曲面，依B样条拟合进行描述：

式中：点Pij作为样条控制点；Ni,p(u) 与Nj,p(v)作为样条基函数。记某一待测叶面为Sa(ua,va)，由数条B样条线等间隔参数拟构而成，即

式中：n为截面线数量；Pi控 制点；Fi,n(t)为式(1)中B样条所得基函数。

对于式中给定参数n与待测叶面形貌，分析待划分曲面纵向截面曲线参数，选取起测半径对应曲线为驱动曲线，等参法进行截面曲线划分，实现纵向网格线。

桨叶曲面几何具有特殊性，随着桨叶半径增大，曲面主曲率减小，即螺旋桨叶片内部曲率大[10]，桨毂处几何规律波动较大。保证测量信息完整性，采样点密度愈靠近桨毂越高。分析待测桨叶面参数，以螺旋桨几何对称中心（桨毂中心点）为零点，在边界条件下，对截面驱动曲线等弦差切割。经分割节点辐射参考线[11]即为横向截面线构成依据。

曲线以k-1数量跨度进行等弦差切割，如第l(l=1,2,···,k) 段 ，点Ql-1已 知，需寻得点Ql并满足

式中：ds为所设弦偏差，即被切割曲线所对应弦长，将式(3)推导得

式中：ul-1已 知，u为 点Q对应参数。该式可将目标曲线依给定弦偏差阈值ds如图2所示进行划分，其中Q1、Q7为 边界条件，Ql为所求目标节点。

图2 等弦差划分示意图

建立测量坐标系，工件其回转中心为测量极坐标系R轴原点，桨毂上端面为Z轴起点，坐标系搭建如图3所示。通过上述条件，求取横纵向空间网格线，本文空间网格划分结果如图4所示。

图3 坐标系示意图

图4 测量轨迹点自适应分布图

激光理论入射方向与Z轴平行，空间网格线映射至Z轴垂直面求交所得节点即为目标轨迹点，其目标测量点的参数表达式PF=(xf,yf,zf)可记为

式中：Rn为 测量截面线对应桨叶半径；θ为辐射参考线夹角。映射矢量同Z轴平行，zf可取任意值。采样点通过曲线获取，因此，规划的轨迹点表达式为

本文选取0 .2R对应驱动曲线，考虑精度增设0.975R处对应曲线，映射网格交点即测点，依照既定拓扑关系，最终采样轨迹如图4。

1.3 测量流程

测量流程分轨迹规划与硬件检测，参照图4轨迹规划整体流程进行测量点获取，目标点计算方法如下。

（1）分析目标曲面，生成截面曲线。选定起测半径R对应驱动曲线，本文以0.2R处对应截面线作为驱动曲线，等间隔参数形成纵向三维空间网格包络线，如图4中R=[0.2R,0.25R,0.3R,···,0.95R]。

（2）取横向网格线，约束下等弦差横向切割驱动曲线，形成k数目矢量节点，节点与零点所构成辐射参考线对应截面曲线为所求，相邻辐射参考线夹角为Δθ。

（3）生成网格。将纵向等参曲线与另一方向曲线对应，约束域内形成网格体系，映射得到网格节点，按照既定拓扑关系规划测量工步，完成测量轨迹规划。

检测前，将目标桨于回转平台上方呈悬空状，基本同心时放下，回转平台固定，同步骤安装悬臂梁检测模块，完成安装。机床启动复位与定位同步展开，结束复位依规划工步，逐步采样。采样结束复位，桨叶旋转，为下一测量准备，流程如图5所示。

图5 整体检测原理图

2 虚拟仿真设计

2.1 系统组成

装置调试系统含 3个模块：NX MCD、S7-PLCSIM和TIA Portal。MCD定义机电概念模型，S7-PLCSIM实现信息映射，TIA Portal控制系统与搭建人机交互界面。该部分具有虚实交互能力，可连接现场主控PC进行实验验证，图6为模块集成示意。

2.2 机电概念模型定义

NX MCD包括两类模型：逻辑概念模型和机械概念模型[5]。采用依附性指令对目标机械概念模型进行装配约束，添加部件物理定义，增设广义执行器与对应传感器，实现装置虚拟模型机电一体化融合，定义如下：

（1） 刚体与运动副定义。分析目标需求与逻辑，指定运动副、刚体等物理性质，添加驱动器、仿真序列和信号等机电属性，为电气及软件联合奠定基础。

（2） 传感器与执行器定义。基于运动副定义执行器并根据仿真运动定义传感器。

（3） 信号定义。根据上述定义结果增设机电概念信号，通过信号映射实现机电概念模型与控制端通信交互，模拟真实情况下主控机与工作机床反馈通信。

2.3 仿真环境与编程

本文基于TIA Portal进行组态环境设计，控制模块选择CPU1511-1型号，交互界面选择KTP700 Basic触摸屏。在组态环境中依据图4需求进行设计人机交互界面与逻辑控制程序，部分逻辑程序如图7所示。

图7 部分程序逻辑

S7-PLCSIM作为联合高级软件接口，结合TIA Portal用于执行可编程逻辑控制器的数据交互[12]。PLCSIM Advanced端桥接TIA portal与NX MCD，跨平台双向映射实时信号，搭建NX MCD-PLCSIMTIA Portal多层次平台联合协同机电一体化虚拟环境。

3 实例验证

3.1 信号交互

机电模型仿真调试前，在MCD中制定机电模型信号响应描述与映射关系。

通过装载匹配S7-PLCSIM Advanced中TIA Portal动作变量，控制机电模型响应实现数据交换，映射配置如图8所示。

图8 信号映射定义图

3.2 多平台联合调试验证

将TIA Portal与S7-PLCSIM Advanced本地在线，加载人机界面，连接MCD至S7-PLCSIM Advanced通信端，信号经通信端发射，控制机电模型工作。TIA Portal监视工作状态，验证PLC程序与机电模块关联正确性。交互界面可视化采集数据，图9为调试中各部分工作情况。

图9 调试过程中各部分工作图

通过本文方法，进行数据采集验证，将仿真实验所得数据与理论数据对比，部分偏差分析如表1～3与图10所示，按如下表达式，对数据误差进行描述：

图10 误差曲线分析

式中：测量半径绝对偏差为ER；测量角度绝对偏差为δi；测 量 半径标 准 差 σR；测 量 角度标 准 差为 σα。

从表1～3可以看出，叶面线性偏差在0.012 mm以下，旋转误差低于0.000 2°，而表3中Z轴偏差大于X与Y轴，经分析后应由X与Y轴的位移偏差累加后传感器测得，故误差范围大于其他两轴。为此，引入邻近点坐标误差评定公式：

表1 部分测量半径偏差表

式中：Pf为实验所得点；Po为理论规划测点。

将表3数据代入目标公式，误差坐标偏差值在0.037 5～0.053 5 mm范围波动，其精度符合国标[8]要求中：工具测量大、中型桨误差范围不得超过0.5 mm，小型桨不得超过0.25 mm。

表3 余量误差范围

为比较本文方法测量性能，以5 m的五叶桨测量为例，采用人工测量、传统等值法与本文方法对比分析。本文结构采用双面式测量，在激光辐射间隔中实时自行采样，采样过程自动化，一次吊装无需翻面，人工干预时长大幅降低。测点预规划，布点优化合理，相比传统等值法，本文测点布局从337个下降至179个，测点数目降低，测步时长减少。

表2 部分测量角度偏差表

经企业调研，人工测量5 m的五叶桨单叶约1 h，经仿真演算，本装置同等工况下等值法单叶测时1 428.72 s，本文方法测时863.24 s。人工全桨测时约4 h；本装置下等值法全桨测时7 250.63 s；本文方法测时4 421.25 s，时效性亦有所提高。

综上，该检测方法的手段能有效提高桨叶检测精度与效率，有望解决当前检测问题。

4 结语

本文从传统螺旋桨检测问题角度出发，提出一种新型螺旋桨检测方法与测点规划手段，并将机电一体化概念设计同建模与控制软件相结合，通过仿真引擎进行实验仿真分析。实验结果表明该方法不仅解决了传统螺旋桨检测多种弊端，也表明了网格化曲面测点规划具有很好的泛用性，并提前反映设计与控制中潜伏的弊端，在保证精度前提下提高智能化程度，可广泛推广螺旋桨检测领域，为实际平台搭建提供理论依据与参考准则，对提高曲面检测精度具有重要参考价值。