基于STEP的回轉(zhuǎn)葉片體的曲面路徑規(guī)劃算法研究

王亞芳,葉 飛,胡 哲

(延安大學(xué)西安創(chuàng)新學(xué)院,陜西 西安 710100)

0 引言

回轉(zhuǎn)葉片(Rotating Blade)是一種可繞自身軸線回轉(zhuǎn)的葉片,多被裝配到諸如燃?xì)鉁u輪、蒸汽渦輪、噴氣發(fā)動機以及相類似物的渦輪部件,或燃?xì)鉁u輪和噴氣發(fā)動機的空氣壓縮機的回轉(zhuǎn)機械上,并以整體方式與主軸一起旋轉(zhuǎn)[1]。這類零件表面形狀復(fù)雜,已經(jīng)不能通過傳統(tǒng)的參數(shù)曲面進行表示了,取而代之的是復(fù)雜的自由曲面。自由曲面具有外觀精美、自由度高、動力學(xué)性能優(yōu)良等優(yōu)點,在汽車、航空、造船、能源等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過將近幾十年的發(fā)展,自由曲面的造型技術(shù)已經(jīng)比較成熟,而傳統(tǒng)三軸數(shù)控機床對復(fù)雜自由曲面的加工卻表現(xiàn)出了諸多弊病,迫切需要發(fā)展新的理論和方法。五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)運而生,成為解決這類復(fù)雜曲面加工問題的重要手段。近年來,隨著五軸加工技術(shù)的發(fā)展,對數(shù)控軟件路徑生成功能提出了更高的要求,尤其是對自由曲面加工的刀具路徑規(guī)劃方面[2]。路徑的規(guī)劃需要先完成對曲面信息的提取與處理,再制定合理的加工策略來生成符合加工要求的刀具路徑信息。本文針對基于STEP文件格式的回轉(zhuǎn)葉片模型,利用Ultimate Eyeshot庫分析、提取特征信息,并對單葉片或多葉片加工曲面進行zigzag路徑規(guī)劃。

1 STEP標(biāo)準(zhǔn)

STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data)是一個關(guān)于產(chǎn)品數(shù)據(jù)計算機可理解的表示和交換的國際標(biāo)準(zhǔn)。這里的產(chǎn)品數(shù)據(jù)包括幾何、拓?fù)?、公差、關(guān)系、屬性和特征等整個產(chǎn)品生命周期中所包含的全部產(chǎn)品信息[3]?，F(xiàn)有應(yīng)用比較廣泛的三維CAD軟件,如UG、Solid works、Pro/E等采用基于STEP標(biāo)準(zhǔn)的方法,通過對STEP中性文件中數(shù)據(jù)模型的特征信息提取,自動規(guī)劃零件的制造工藝路徑。

本文通過研究、分析回轉(zhuǎn)體類葉片的形狀特征及工藝特點,按照STEP規(guī)范進行合理的抽象、分類,為后期曲面路徑規(guī)劃及數(shù)控加工提供有力的支撐。

2 Ultimate Eyeshot

Ultimate Eyeshot是基于.NET Framework的CAD控件。它包括4個不同的Visual Studio工具箱項目:用于2D和3D幾何創(chuàng)建的“設(shè)計”、用于自動2D正交視圖生成的“繪圖”、用于使用線性靜態(tài)分析進行幾何驗證的“模擬”和用于CNC的“制造”刀具路徑生成和仿真。除此之外,該產(chǎn)品還可以使用CAD交換文件格式導(dǎo)入和導(dǎo)出幾何模型,如IGES、STEP。但該控件的版本需要與Visual Studio版本進行匹配,否則無法正常使用,本文實驗使用的版本是Eyeshot 11.0和Visual Studio 2017。

3 回轉(zhuǎn)體目標(biāo)特征信息提取

3.1 導(dǎo)入STEP模型

本研究利用Ultimate Eyeshot庫ReadSTEP函數(shù)導(dǎo)入基于STEP的回轉(zhuǎn)體類葉片模型,檢查其合法性并將數(shù)據(jù)存儲。存儲的數(shù)據(jù)模型不是一個整體,而是多個獨立的曲面。STEP模型導(dǎo)入如圖1所示。

圖1 利用Eyeshot導(dǎo)入STEP模型

3.2 設(shè)置回轉(zhuǎn)軸

根據(jù)導(dǎo)入的STEP模型,需要設(shè)置回轉(zhuǎn)軸x/y/z,回轉(zhuǎn)軸選擇與回轉(zhuǎn)體曲面的偏置方向垂直的軸。圖1中STEP模型的回轉(zhuǎn)軸設(shè)置為x軸。

3.3 生成回轉(zhuǎn)基面

一般回轉(zhuǎn)體零件的表面由諸多基本曲面構(gòu)成,選擇其中一個曲面即可,但要確保其沿回轉(zhuǎn)軸方向延伸后生成的回轉(zhuǎn)曲面能夠覆蓋所有加工區(qū)域。依據(jù)選取的基本曲面,利用Ultimate Eyeshot庫提供的函數(shù)直接提取uv控制點。同時,分辨u/v作用方向,此方向決定基本回轉(zhuǎn)基面的延伸方向。原來的uv控制起點和終點分別沿u/v作用方向延伸一定距離,最終整合成一條完整的NURBS曲線。最后,對NURBS曲線進行投影生成最終的回轉(zhuǎn)基面[4]。

3.4 選擇加工葉片

根據(jù)加工需求可以選擇一個或多個葉片。葉片的表面同樣是由多個基本曲面構(gòu)面的。在選取時,務(wù)必保證葉片的基本曲面與回轉(zhuǎn)曲面能夠構(gòu)形成閉合的區(qū)域,否則在進行曲面路徑規(guī)劃時無法判定有效地加工區(qū)域。圖2分別列出了錯誤和正確的選取葉片基本曲面。

圖2 加工葉片的選取

4 曲面路徑規(guī)劃

提取回轉(zhuǎn)體目標(biāo)特征后,需要設(shè)置光斑直徑、層高、搭接率、法向偏置、填充路徑方向角、包圍路徑起始角及路徑填充類型等參數(shù)。從上一步生成的回轉(zhuǎn)基面開始,沿葉片加工方向進行偏置,求偏置曲面與葉片的交線,判斷交線是否能夠形成閉合的加工區(qū)域。根據(jù)層高參數(shù)設(shè)置每層葉片會產(chǎn)生一個甚至多個加工區(qū)域,直至偏置曲面與葉片無交線或者無法形成閉合的加工區(qū)域則結(jié)束循環(huán)[5]。圖3為單葉片多層加工區(qū)域,其中層高設(shè)置為5 mm,共需要加工5層,第1、2、3、5層只產(chǎn)生一個閉合的加工區(qū)域,而第4層產(chǎn)生2個閉合的加工區(qū)域。

圖3 單葉片多層加工區(qū)域

對每層閉合的加工區(qū)域進行處理,利用等步長插補獲取加工區(qū)域輪廓插補點[6-7]。對于加工區(qū)域輪廓點的獲取,需計算加工區(qū)域曲線的邊界點,因為加工區(qū)域曲線在數(shù)據(jù)存儲時不是一條完整的曲線,而是由多條曲線構(gòu)成的閉合曲線。因此需要對邊界的起點和終點進行特殊處理,最終獲得加工區(qū)域的uv邊界點。在此基礎(chǔ)上,采用等步長插補獲取每條加工曲線的插補點,如圖4所示。

圖4 單葉片多層加工區(qū)域輪廓點

利用加工區(qū)域輪廓曲線,沿著u或v方向進行切片,計算每一截線的u、v范圍,并對每一截線進行點離散。在離散過程中采用增加離散點密度的方式改善鋸齒等距的形態(tài)。為了后續(xù)快速判斷,減少往復(fù)計算,先將所有加工區(qū)域內(nèi)部路徑點存儲,再依據(jù)光斑直徑等參數(shù)設(shè)置對內(nèi)部的路徑點進行侵蝕,去掉不需要的點,最后可得到單向路徑規(guī)劃點。若針對zigzag填充類型需要增加之字路徑規(guī)劃點[8]。

生成CLS文件。CLS文件是由UG生成并可以被多種軟件使用的刀具軌跡文件。CLS文件記錄了刀具位置和其他相關(guān)信息,如刀具路徑名稱、刀具名稱、刀具切削加工時的進給速度、刀具軌跡的顯示顏色、GOTO命令以及輔助說明等[9]。其中,GOTO命令的結(jié)構(gòu)如下:

GOTO/x,y,z,i,j,k

其中,x、y、z指的是刀具參考點在加工坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值;i、j、k指的是刀具在這個刀位點時的刀軸矢量。

5 結(jié)語

本文提出利用Ultimate Eyeshot處理基于STEP文件格式的葉片模型,并實現(xiàn)葉輪葉片的增材制造,試驗表明,在合適的工藝參數(shù)下,增材制造的葉片完整,成形良好。