基于UG的船用螺旋槳CAD/CAM計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與建模

陳艷君，李 鳳

(南昌大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江西南昌330029)

0 引言

作為船舶的動(dòng)力系統(tǒng)核心部件，螺旋槳對(duì)其自身的制造精度要求極高，無(wú)論從設(shè)計(jì)角度抑或制造工藝層面上看，船用螺旋槳精度控制水平的高低，對(duì)船體推進(jìn)性能的影響極為明顯。傳統(tǒng)工藝手段對(duì)于船用螺旋槳等復(fù)雜多維自由曲面零件的制造，在其精度的保證上，存在著相當(dāng)?shù)睦щy，且常費(fèi)時(shí)費(fèi)力;但若利用現(xiàn)代數(shù)控加工技術(shù)，則又涉及到三維曲面葉片的機(jī)加工編程難度大、編程周期長(zhǎng)、加工效率低等問(wèn)題，目前的國(guó)內(nèi)大多數(shù)的螺旋槳制造企業(yè)，其數(shù)控加工的編程方法相對(duì)比較落后，缺乏經(jīng)驗(yàn)豐富、能夠獨(dú)立高效完成繁瑣編程任務(wù)的操作人才。雖然某些企業(yè)已經(jīng)引進(jìn)了通用的CAD/CAM軟件，但是尚未在螺旋槳的數(shù)控編程中發(fā)揮重要作用。而國(guó)外面向船用螺旋槳的專(zhuān)用CAD/CAM軟件，其價(jià)格極為昂貴，國(guó)內(nèi)大多數(shù)的螺旋槳制造企業(yè)無(wú)法承受。

因此，為更好地解決上述問(wèn)題，并有效提高船用螺旋槳及其葉片的機(jī)加工自動(dòng)編程效率，在對(duì)船用螺旋槳的設(shè)計(jì)方法、工藝規(guī)范、制造環(huán)節(jié)的數(shù)控加工等方面的內(nèi)容進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，本文擬基于UG開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用UG/Open，VC++6.0等軟件工具，自主開(kāi)發(fā)船用螺旋槳的CAD/CAM智能數(shù)控編程系統(tǒng)，以期能夠改善通用CAD/CAM軟件存在的編程操作繁瑣復(fù)雜、編程效率較低等問(wèn)題，對(duì)船用螺旋槳制造企業(yè)具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 船用螺旋槳CAD/CAM系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

1.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)目標(biāo)

本文擬開(kāi)發(fā)的船用螺旋槳機(jī)加工編程使用的CAD/CAM系統(tǒng)，它是基于UG NX 6.0平臺(tái)通過(guò)程序的二次開(kāi)發(fā)構(gòu)件的、可針對(duì)船用螺旋槳專(zhuān)用制造對(duì)象建立的專(zhuān)用軟件平臺(tái)。其主要的開(kāi)發(fā)目標(biāo)如下:

以船用螺旋槳加工建模的參數(shù)化、模型化和編程的智能化為目標(biāo)，基于UG開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)，結(jié)合UG平臺(tái)獨(dú)特的二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，并利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，采用VC++匯編語(yǔ)言進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)和相應(yīng)編程，在提高編程效率的同時(shí)兼顧考慮到較高機(jī)加工精度的保證。

1.2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法

本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方法如下:

1)首先對(duì)不同類(lèi)型和幾何特征的螺旋槳進(jìn)行投影，獲取基本幾何特征參量，構(gòu)建其數(shù)學(xué)表達(dá)關(guān)系式和模型，基于曲面投影點(diǎn)坐標(biāo)賦值計(jì)算方法，進(jìn)行合理的坐標(biāo)變換;在此基礎(chǔ)上，基于UG三維造型設(shè)計(jì)功能，構(gòu)造螺旋槳3D模型。

葉片的三維建模方法如下:

①漿葉切面定位:確定槳葉切面展開(kāi)圖在切平面上的位置可以利用螺旋線展開(kāi)圖為參考，待槳葉展開(kāi)圖確定后再將其纏繞到螺旋線所在的圓柱面上，就可以得到實(shí)際的槳葉切面曲線，從而定位槳葉切面，如圖1所示。

圖1 螺旋線展開(kāi)圖Fig.1 Helix expansion diagram

②槳葉切面纏繞曲線:螺旋槳槳葉切面曲線就是將槳葉平面展開(kāi)圖纏繞到相應(yīng)的圓柱面上形成一系列的槳葉切面曲線，再根據(jù)這些曲線來(lái)生成曲面，最后生成實(shí)體模型。其槳葉切面曲線如圖2所示。

③最大厚度線和外輪廓線:重復(fù)以上步驟，直到完成切面曲線，這是可以利用這些曲線生成槳葉曲面，但外形誤差較大，槳葉頂部沒(méi)有線型值，無(wú)法生成頂部曲面。生成曲面曲線后，根據(jù)切面曲線的幾個(gè)關(guān)鍵頂點(diǎn)和最大厚度點(diǎn)來(lái)生成槳葉的外輪廓線最大厚度線。

圖2 纏繞后的槳葉切面曲線Fig.2 Blade section curve after winding

④葉面和葉背曲面的生成:生成曲面時(shí)需要注意選擇網(wǎng)格曲線的經(jīng)線和緯線時(shí)要保證選擇方向一致，如圖3所示。

圖3 葉面和葉背曲面Fig.3 Leaf and leaf surface

⑤曲面處理和實(shí)體的生成:在生成葉面和葉背曲面后，按照曲面自身的規(guī)律作一定距離的延伸，生成根刨面并進(jìn)行封閉處理。在把槳葉曲面做成一個(gè)封閉的實(shí)體后，把該實(shí)體分為曲面內(nèi)和曲面外兩部分，并進(jìn)行合并，得到一片槳葉的螺旋槳模型，在通過(guò)圓周陣列功能得到含有所有的槳葉螺旋槳三維模型。

2)在UG平臺(tái)上利用其程序二次開(kāi)發(fā)工具UG/Open Grip和VC++6.0編程語(yǔ)言，并以螺旋槳特征參量和變換坐標(biāo)參量為基礎(chǔ)進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)化建模，進(jìn)而開(kāi)發(fā)船用螺旋槳的高效設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

3)兼顧考慮螺旋槳加工環(huán)節(jié)的有效信息和參數(shù)，歸納不同類(lèi)型螺旋槳加工流程所需工藝技術(shù)知識(shí)，并將其應(yīng)用到不同類(lèi)型船用螺旋槳機(jī)加工的智能化數(shù)控編程當(dāng)中，形成廣義知識(shí)庫(kù) (包括工藝知識(shí)庫(kù)、刀具庫(kù)、切削參數(shù)庫(kù)、機(jī)床及后處理庫(kù)和模板庫(kù))并可建立加工知識(shí)共享，最終在UG平臺(tái)上充分結(jié)合建立的加工工藝知識(shí)模板，為實(shí)現(xiàn)螺旋槳的智能編程系統(tǒng)提供必要的數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)船用螺旋槳高效快速設(shè)計(jì)和智能化編程系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

1.3 系統(tǒng)操作流程

對(duì)于該系統(tǒng)，用戶只需要嚴(yán)格按照該系統(tǒng)的操作流程，則可生成正確的數(shù)控代碼，系統(tǒng)的操作流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)的操作流程圖Fig.4 Operation flowchart of the system

2 開(kāi)發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

船用螺旋槳CAD/CAM集成系統(tǒng)主要由建模、數(shù)控加工、管理等功能模塊構(gòu)成 (見(jiàn)圖5)。通過(guò)對(duì)螺旋槳輪廓數(shù)據(jù)、葉片的二維、三維型值計(jì)算的基礎(chǔ)上完成圖形繪制，保證模型精度;加工制造方面則是將刀具管理、加工工藝管理、機(jī)床及后處理管理等通過(guò)數(shù)控編程的方式進(jìn)行集成，努力降低制造難度，提高可操作性。

圖5 系統(tǒng)基本框架Fig.5 The basic framework of the system

2.2 系統(tǒng)參數(shù)化建模功能的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)系統(tǒng)的基本框架結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化建模:

1)螺旋槳類(lèi)型的選擇。為螺旋槳主要參數(shù)的輸入提供依據(jù)。進(jìn)入如圖6所示的UG軟件界面，下拉并點(diǎn)擊主菜單“船用螺旋槳參數(shù)化建模系統(tǒng)”的“系統(tǒng)登陸”進(jìn)入?yún)?shù)化建模系統(tǒng)的登陸界面。選擇用戶名輸入用戶密碼，進(jìn)行螺旋槳的類(lèi)型選擇(類(lèi)型選擇界面上主要列出AU型、B型和Ka型等常見(jiàn)葉型螺旋槳，其他類(lèi)型歸并為“其他系列船用螺旋槳”，并預(yù)留非常見(jiàn)類(lèi)型的功能擴(kuò)展空間)。

2)確定槳葉切面型值數(shù)據(jù)。確定葉片類(lèi)型后可進(jìn)行螺旋槳的主要參數(shù)輸入界面操作，以圖7為例，輸入葉數(shù)Z、螺距P、直徑D、縱斜角、盤(pán)面比等相關(guān)參數(shù)和槳轂數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)后臺(tái)程序、數(shù)據(jù)庫(kù)的調(diào)用，可計(jì)算得到槳葉相關(guān)輪廓數(shù)據(jù);在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步計(jì)算其螺旋槳槳葉切片數(shù)據(jù)，最終得到槳葉切面型值數(shù)據(jù)。

圖7 螺旋槳參數(shù)錄入界面Fig.7 The menu of propeller parameters input

3)螺旋槳建模。在得到以上螺旋槳相關(guān)數(shù)據(jù)后，進(jìn)入建模階段。點(diǎn)擊錄入界面中“進(jìn)入建模模塊”按鈕，進(jìn)行三維型值點(diǎn)計(jì)算，自動(dòng)計(jì)算螺旋槳三維型值坐標(biāo)數(shù)值，并以.txt形式保存，便于后期查找調(diào)用，最后通過(guò)“模型生成”按鈕生成螺旋槳3D模型。

2.3 系統(tǒng)智能化編程功能的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)參數(shù)化建模操作完成后，啟動(dòng)UG NX點(diǎn)擊“船用螺旋槳的CAM系統(tǒng)”進(jìn)行用戶登錄操作后，進(jìn)入CAM系統(tǒng)界面可見(jiàn)加工模板導(dǎo)航、刀工具庫(kù)管理、工藝知識(shí)庫(kù)管理、模板庫(kù)管理、機(jī)床及后處理庫(kù)管理及用戶管理等6個(gè)功能模塊按鈕，主要功能實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容如下:

“加工模板導(dǎo)航”:用戶可以進(jìn)入船用螺旋槳的加工模板匹配環(huán)節(jié)，通過(guò)選擇螺旋槳的葉型、名稱和加工路徑來(lái)創(chuàng)建具體的加工環(huán)境，然后點(diǎn)擊“進(jìn)入加工向?qū)?，開(kāi)始加工”則進(jìn)入船用螺旋槳的加工模板，并可進(jìn)行工序的選擇、工件坐標(biāo)系的調(diào)整、加工坐標(biāo)系的調(diào)整、創(chuàng)建操作、刀軌陣列、后處理等操作。

“刀工具庫(kù)管理”:用戶可以進(jìn)行刀具檢索、刀具參數(shù)查看、刀具參數(shù)修改、添加新刀具、刪除現(xiàn)有刀具、夾具及量具 (包括附件)的管理等操作等。

“加工模板庫(kù)”:主要是對(duì)工藝信息進(jìn)行添加、編輯及刪除，根據(jù)螺旋槳型號(hào)或尺寸不同，調(diào)用后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，查看其加工工藝，這些信息主要包括了使用刀具、精度余量、機(jī)床選擇、加工方法等。

“機(jī)床及后處理庫(kù)管理”:主要可以對(duì)機(jī)床的相關(guān)信息 (名稱、控制等)進(jìn)行管理，并根據(jù)特定機(jī)床，管理其相對(duì)應(yīng)的后處理系統(tǒng)。

以某型螺旋槳為例，通過(guò)上述操作路徑對(duì)系統(tǒng)智能化編程功能的實(shí)現(xiàn)效果如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)智能化編程功能實(shí)現(xiàn)效果圖Fig.8 The implementation rendering of system intelligent programming function

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了船用螺旋槳CAD/CAM系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作，闡述了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)目標(biāo)和方法，給出船用螺旋槳CAD/CAM系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的整個(gè)操作流程，并對(duì)船用螺旋槳的參數(shù)化建模系統(tǒng)和智能編程系統(tǒng)的界面和各模塊的功能界面作出介紹，最后以實(shí)例展示系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)效果。需說(shuō)明的是，一般在進(jìn)行三維值點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換前，應(yīng)取槳葉類(lèi)型、直徑、葉數(shù)、盤(pán)面比作為主要參數(shù)，并根據(jù)其涉及的參數(shù)類(lèi)型，進(jìn)一步選取縱斜角、螺距作為主要參數(shù)，這些主要參數(shù)由用戶來(lái)給定數(shù)值，根據(jù)下列公式進(jìn)行計(jì)算(式中:D為螺旋槳直徑;aE為盤(pán)面比;Z為葉數(shù))。

AU型螺旋槳葉片最大寬度0.66 r/R處為0.226D;B型3葉螺旋槳在0.6 R處切面弦長(zhǎng)為0.739 6aED;Ka系列螺旋槳在0.6 R處切面弦長(zhǎng)為:1.969D。

本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作針對(duì)當(dāng)前船用螺旋槳制造企業(yè)在自動(dòng)編程過(guò)程中遇到的困難，具有重要的研究理論意義與實(shí)用價(jià)值。

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