基于UG的叶轮实体造型研究

D igitalD esign 数字化设计 整体 叶轮是航 空航 天 发动机的重 要部件 ， 是影 响发动机性能的关键 因素 ， 而得到整体叶轮的数字化模型是 其数控加 工 的必 要条件 。 本文 介绍 了应 用 U G 软件进行 叶轮造型 的方法和具体过程 ， 提 出了在 叶轮造型 中需要 遵循的原则 ， 并给 出了造型 实例 。 基 于 U G 的叶轮实体造型研 究 口 南京航空航天 大学 庄伟娜 周来水 安鲁陵 一 、 引言 叶轮 类零件 是 一 类具 有代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 性 的 复杂零 件 ， 被广 泛 应 用于 航 空航 天 领 域 。 叶轮结构复杂 ， 种类繁多 ， 工 作型 面 的设计涉及 到了空气动力学等多个学 科 ， 因此曲面造型质量 、 加工 手段等对 叶轮性能参数都有很大的影响 。 精确 的 几 何 实 体 造 型 是 叶 轮 数 控 Jjnn - 的必 要 前提 ， 研 究整体 叶轮 的 实体造 型 因而 具 有重 要 意义 。 许 多不 断成熟起来的C A D ／C A M *2件 为高精度 的叶轮造 型提供 了有 力的支持 ， 比如 S iemens PL M S oftware公 司 的U G NX。 U G f4X是 一 款集C A D IC A W C A E 于 一 体的工 程 软件 ， 它具 有较强 的曲面造 型 和 数 控加 工 编程 功能 ， 并且 提供 了应 用 开 发模块 ， 为 用 户提供 二 次开 发接 口 ， 给复 杂 曲面 的数控加 工 带来 了 很大 的 方便 。 本文基于 U G NX曲面造型系统 ， 研 究 了整体叶轮 实体 造 型 的具 体过 程 和 一 般原则 。 二 、 叶轮造型方法概述 整 体 叶 轮 的 实体 造 型 主 要 包 括 创建 叶片实体和 轮毂实体两 部分 。 叶 片 曲面 为光顺性 、 连 续性要 求较高 的 自由曲面 ， 其截 面 线是 复 杂 的 自由曲 线 ， 因此 叶片实体造 型 难度较大 。 目 前 ， 一 般先创建 截 面 线 ， 再 采 用通 过 截面线 (through curves )的方法进行 叶片的 曲面造型 。 轮毂的创建较为 简 单 ， 在草图方 式下 创建截面 线串 ， 通 过旋转 (R evo] ve )命令对截面线 串旋 转 ， 再 创建 轮毂 回 转体 。 可 见 ， 整体 叶轮造型 的关键是 叶片实体的造型 。 叶片造型 需要 满足 ： 1 )通过给定 的截 面 线点列 ； 2 )光顺要 求 ； 3 )其 他 设 计要 求 ， 如前 (后 )缘 处的 圆弧 半径 、 圆心 位置 等要 求 。 即使叶 片截 面 线 在满足 前 (后 )缘处 的圆弧及 光 顺 要 求 下 ， 截 面 线也 要 尽 量通 过 或贴 合给定的测量点列 。 叶 片的实体造型 是 整体 叶轮造 型 工 作的关键部分 ， 其设计要 求较高 ， 曲 面特征也较复杂 。 叶轮的设计图样提供 了 叶 片五 个截 面 的数据点坐 标 (如 图 1 )及 前 (后 )缘处 圆弧所 在 圆的圆心 和直径 (如 图2 )。 笔者通过 对满足 设 计要 求的叶片实体造型 方法的研究 ， 提 出其造型过程 中需要遵循的一 般原则。 (1 )在保证 精度的条件 下 ， 应尽 可 能降低样条 曲线的次 数 ， 推荐使 用 不 超 过 四 次 的 曲线 ， 且 五 个截面 要 生 成相同次数的曲线 。 (2 )在每个截面样条 曲线的前 、 后 缘 曲率 比较 大 的部位 ， 控 制顶 点 的 分 布要 密 一 些 ， 而 在 曲率 比较小 、 叶 身 曲线 比较 平 直 的部位 ， 给 定稀 疏 的 均匀分 布点即可 。 (3 )五 个截面样条 曲线上相应控 制顶 点 的数 量 尽 量相等 ， 且 分 布的变 化规律相同 。 (4 )尽 量使截面样条 曲线的曲率 变化均匀 。 三 、 叶片的创建 1 ． 截面 数 据 的 获取 与 处 理 叶轮叶 片截 面线数据的获取 主要 有两种方 法 ： 一 种是通 过 对 实体进 行 测 量 获取 数据点坐 标 ， 另 一 种是通 过 理 论 计算获取 数 据 点 。 本文 的原始 数 据点是通 过 测 量 获得 ， 即先通 过 对叶 轮 原 型 的几 何尺 寸进 行测量 ， 再 根 据 测量的数据重建此零件的C A D 模型 。 原始数据的测量 ， 主要 分 为接触 式 和 非接 触 式 两 类 ： 接触式 测 量 (如 三 坐 标测量机 、 机械手 式测量机 )具 C A D IC A M 与制造业信息化 ? 2008年第9期 5 l 维普资讯 http://www.cqvip.com 数字化设计 D igitalD esign 有精度高 、 减少冗 余数据 的优 点 ， 是 直接对所 需截 面进 行测 量 ， 得 到截 面 线数据列表 ， 但效率较低 ； 非接触 式 测 量 常采 用激 光扫描 (如 结构 光测 量 仪 ) ， 数据完整 、 效率高 ， 同 时数据 量 大 ， 对数据后 续处 理 带来负担 。 利 用激光扫描采 集 的数据通 常是 无 序散 乱 的 “ 点云 ” ， 数 量 较 大 需要 先进 行 去 噪处 理 ， 再 利 用分 割面将 数据点云 处理 成按 扫描线存储的 “ 结构化 ” 测 量 数据 ， 经 过 排序最 后 亦可 得截 面线 数据列表 。 叶片基于 U G NX的曲面造型 ， 通 常 采 用通过截面线 (through curves )的 方 法进 行 。 根 据获得 的截 面列表 曲线 坐标 点 ， 把造 型 所 需 的数据 文件 转化 成 U G Nx能够识别的数据格式 ， 即 ． dat 文件 ， 为每个截 面 线 创建 一 个 文件 ， 方 便截 面线数据 的读取 和修改 。 本 文 的叶片模型 是给定 了五 个截 面线的数 据点 ， 需要 创建 五 个数据文件 。 2． 截 面 线 曲 线的创 建 一 般 每 个 截 面 曲线 由 四 段 曲线 拼接 而 成 ， 包括 凸面 、 凹 面 的三 次样 条 曲线和前 (后 )边 缘处 半径很小的 圆 弧 ， 这 满 足 在 拼 接 点 一 阶 导 数 连 续 ， 其他点 处 保 持 一 阶 、 二 阶导 数都 连 续 。 用这 种方 法 生 成 的截 面线再 扫 掠 生成 叶片实体 ， 如 果 叶片实体 的光 顺性达不 到要 求 ， 需 要 重 新对点 的坐 标进 行修 改 ， 重 新 生成截 面 线 ， 再 根 据修改的截 面线扫掠 生成 实体 ， 因此 工 作 量 非常大 ， 且 许 多原 始 数据都是 通 过 对 实物 的实际 测 量 获得 ， 误 差较 大 。 在造 型 过程 中 ， 需 要 不 断对 叶片 数据进 行修 改 ， 因而 这 种截 面线 的构 造方法是不 可 取 的。 在实例 的设 计要 求 中给 出 了 叶高 方 向五 个截 面 的原始 数据 (包 括 叶片 型 线坐 标点 ， 前 (后 )缘两 段 圆弧 的 圆心 和 半径 ) ， 需要 通 过 给定数据点 为每个截 面 插值 生 成 一 条样 条 曲线 。 本文首先根据图样给定 的前 (后 )缘 处 的圆心 和半径数据做 圆 ； 然后 以此 圆为参考 ， 调节样条曲线前 (后 )缘 处 的控 制 顶 点 ， 使 截 面 样 条线 在 前 (后 )缘 处 尽 量 贴 合所 做 的 圆 。 通 过 这 种 方 法 拟合成五 个截 面 样条 曲线 ， 扫掠 生 成 的叶片实体如 果不 满足 光顺 要 求 ， 只 需对控 制顶 点进 行调 节 ， 即 可 完成 对 叶片实体 的光顺 处 理 。 这 不 需 要 重 新 扫掠截 面 线生 成 实体 ， 工 作 变得 简单 ， 更 符合 U G 的参数化设 计理 念 。 其具体实现步骤如下 。 先选 择 “ 样条 曲线 (S P llne ) ” 命令 ， 选 择 一 种样条 曲线拟合方 式 ， 使用 “ T hrough Points ” 方式 ， 使样条 曲线通 过 测量 所 得 的点 (当然还 要 根 据光顺 性 要 求不 断对 控制顶 点进 行 调 整和修 改 ， 使样条 曲线在满足 光顺要 求 的条件 下 ， 尽 可 能通 过 或贴合测 量 的数据点 ) ， 把上 文生成 的五 个 ． dat文 件 数据分 别导入 ， 生 成 五 条封 闭的样 条 曲线 。 在保证 精度 的条件 下 ， 应尽 可 能 降低 样条 曲线 的次数 ， 这 可 使 曲 线更 接 近 特征 多边 形 ， 能够更 好地 控 制样条 曲线 。 本文 使 用 了 三 次 样条 曲线 ， 且 五 个截 面 生 成 的 曲线次 数相 同 。 在五 个 截 面线前 (后 )缘处 ， 根据 图样给定 的圆心 和 半径数据分 别做 圆 。 根据所 做 的 圆 ， 调 节样条 曲线前 (后 )缘处 的控制顶 点 ， 使样 条 曲线 在前 (后 ) 缘处 尽 量 贴合所 做 的圆 ， 这 使样条 曲 线 满 足 误 差 和 光顺 的要 求 ， 如 图 3所 示 。 特别需 要 注 意 的是在每个截面 的 前 (后 )缘 曲率 比较大 的部位 ， 可 适 当加 密控 制 点来约束 曲线变化 ； 而 在 曲率 比较小 、 叶身 曲线 比较平 直 的部 位 ， 只 给 定较稀疏 的均 匀分 布 点 即可 (如 图 4 ) 。 调 节 截 面 线 上 的控 制顶 点 ， 尽 量 使截 面 线 的曲率均 匀变化 ， 修改后 的五 条截面线如图5所示 。 3 ． 通 过 拟 合 出 的 截 面 线 扫 掠 生 成 叶 片 实体 选 择 “ 通 过 曲 线 ( T hr o u g h cu rves ) ” 命令 ， 选 择拟合好 的五 条 截 面 线 ， 注 意 一 定 要 使五 条截 面线 的 初始矢量 趋 势相 同 ， 如 图6#iT 示 ， 否则 生成 的叶 片表面会 出现 扭 曲现 象 。 在 “ A 1igment ” 项 中选择 “ B y Points ” 方式 ， 即在每个截 面线 上 的相应位置 52 C A D ／C A M 与制造业信息化 ? w w w icad corn cn 取 点 ， 扫掠 生成 曲面 时使这 些 点 相对 应 ， 如 图 7所 示 。 需要 在前 (后 )缘部 位 取 点 ， 否 则 会在前 (后 )缘部位 产 生 扭 曲变形 或不 能生 成 一 整张 叶片 曲 面 ， 这 是 笔者在 实际 工 作 中多次 尝试 所得 出的经验 。 本文 中截 面线数据是 通 过测量 方 法得到 ， 难免会产生误差 ， 拟合成的曲 面容易出现 凹 凸现 象 ， 这需要对产生 凹 凸现 象区域的曲线上 点进 行调整 ， 再重 维普资讯 http://www.cqvip.com E 新拟合 曲面 ， 经过反复尝试最后得到光 滑的叶片实体 ， 如图8所示 。 四 、 创 建 轮 毂 并 生 成 叶轮 实体 轮 毂 的 创 建 较 为 简单 ， 有 两 种 方 式可 以选 择 ， 一 种是 直 接进 行三 维 建模 ， 另 一 种是先 创建 草图再 进 行旋 转 。 本 文采 用 第二 种方 法 ， 在草 图方 式 下 先 创 建 截 面 线 串 ， 再 利 用 旋 转 (R evolve )命令对截 面线串旋转 ， 创 建轮毂 回转体 ， 如 图9所 示 。 最后 创建 叶轮实体 ， 如图10所 示 。 图9 轮 毂 实体 五 、 结束语 本文是基 于 U G N×的整体叶轮实体 造型研 究 ， 详细 论述 了从 叶片数据的 获得和处理 ， 截面线的生成和修改 ， 至 拟 合 成 光 滑 的 叶 片 实体 的整 个 过 程 。 同 时 ， 笔者总 结 了在 叶轮造 型过 程 中需要 注意 的 一 些 问题 ， 完成 了符 合要 求的叶轮造 型 ， 这 为 后 续 的数控 加工 提供 了有力的保证 。 r勰 ? 维普资讯 http://www.cqvip.com