基于UG的船用螺旋槳CAD/CAM計算機仿真系統的開發與建模

陳艷君，李 鳳

(南昌大學科學技術學院，江西南昌330029)

0 引言

作為船舶的動力系統核心部件，螺旋槳對其自身的制造精度要求極高，無論從設計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，對船體推進性能的影響極為明顯。傳統工藝手段對于船用螺旋槳等復雜多維自由曲面零件的制造，在其精度的保證上，存在著相當的困難，且常費時費力;但若利用現代數控加工技術，則又涉及到三維曲面葉片的機加工編程難度大、編程周期長、加工效率低等問題，目前的國內大多數的螺旋槳制造企業，其數控加工的編程方法相對比較落后，缺乏經驗豐富、能夠獨立高效完成繁瑣編程任務的操作人才。雖然某些企業已經引進了通用的CAD/CAM軟件，但是尚未在螺旋槳的數控編程中發揮重要作用。而國外面向船用螺旋槳的專用CAD/CAM軟件，其價格極為昂貴，國內大多數的螺旋槳制造企業無法承受。

因此，為更好地解決上述問題，并有效提高船用螺旋槳及其葉片的機加工自動編程效率，在對船用螺旋槳的設計方法、工藝規范、制造環節的數控加工等方面的內容進行深入研究的基礎上，本文擬基于UG開發平臺，利用UG/Open，VC++6.0等軟件工具，自主開發船用螺旋槳的CAD/CAM智能數控編程系統，以期能夠改善通用CAD/CAM軟件存在的編程操作繁瑣復雜、編程效率較低等問題，對船用螺旋槳制造企業具有一定的實用價值。

1 船用螺旋槳CAD/CAM系統的開發

1.1 系統開發目標

本文擬開發的船用螺旋槳機加工編程使用的CAD/CAM系統，它是基于UG NX 6.0平臺通過程序的二次開發構件的、可針對船用螺旋槳專用制造對象建立的專用軟件平臺。其主要的開發目標如下:

以船用螺旋槳加工建模的參數化、模型化和編程的智能化為目標，基于UG開發軟件平臺，結合UG平臺獨特的二次開發技術，并利用數據庫技術，采用VC++匯編語言進行二次開發和相應編程，在提高編程效率的同時兼顧考慮到較高機加工精度的保證。

1.2 系統開發方法

本系統的開發方法如下:

1)首先對不同類型和幾何特征的螺旋槳進行投影，獲取基本幾何特征參量，構建其數學表達關系式和模型，基于曲面投影點坐標賦值計算方法，進行合理的坐標變換;在此基礎上，基于UG三維造型設計功能，構造螺旋槳3D模型。

葉片的三維建模方法如下:

①漿葉切面定位:確定槳葉切面展開圖在切平面上的位置可以利用螺旋線展開圖為參考，待槳葉展開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圖纏繞到相應的圓柱面上形成一系列的槳葉切面曲線，再根據這些曲線來生成曲面，最后生成實體模型。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，槳葉頂部沒有線型值，無法生成頂部曲面。生成曲面曲線后，根據切面曲線的幾個關鍵頂點和最大厚度點來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:生成曲面時需要注意選擇網格曲線的經線和緯線時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曲面處理和實體的生成:在生成葉面和葉背曲面后，按照曲面自身的規律作一定距離的延伸，生成根刨面并進行封閉處理。在把槳葉曲面做成一個封閉的實體后，把該實體分為曲面內和曲面外兩部分，并進行合并，得到一片槳葉的螺旋槳模型，在通過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平臺上利用其程序二次開發工具UG/Open Grip和VC++6.0編程語言，并以螺旋槳特征參量和變換坐標參量為基礎進行相應的參數化建模，進而開發船用螺旋槳的高效設計系統。

3)兼顧考慮螺旋槳加工環節的有效信息和參數，歸納不同類型螺旋槳加工流程所需工藝技術知識，并將其應用到不同類型船用螺旋槳機加工的智能化數控編程當中，形成廣義知識庫 (包括工藝知識庫、刀具庫、切削參數庫、機床及后處理庫和模板庫)并可建立加工知識共享，最終在UG平臺上充分結合建立的加工工藝知識模板，為實現螺旋槳的智能編程系統提供必要的數據支撐，實現船用螺旋槳高效快速設計和智能化編程系統的開發。

1.3 系統操作流程

對于該系統，用戶只需要嚴格按照該系統的操作流程，則可生成正確的數控代碼，系統的操作流程如圖4所示。

圖4 系統的操作流程圖Fig.4 Operation flowchart of the system

2 開發系統結構及其實現

2.1 系統結構框架

船用螺旋槳CAD/CAM集成系統主要由建模、數控加工、管理等功能模塊構成 (見圖5)。通過對螺旋槳輪廓數據、葉片的二維、三維型值計算的基礎上完成圖形繪制，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、機床及后處理管理等通過數控編程的方式進行集成，努力降低制造難度，提高可操作性。

圖5 系統基本框架Fig.5 The basic framework of the system

2.2 系統參數化建模功能的實現

通過系統的基本框架結構，對其進行參數化建模:

1)螺旋槳類型的選擇。為螺旋槳主要參數的輸入提供依據。進入如圖6所示的UG軟件界面，下拉并點擊主菜單“船用螺旋槳參數化建模系統”的“系統登陸”進入參數化建模系統的登陸界面。選擇用戶名輸入用戶密碼，進行螺旋槳的類型選擇(類型選擇界面上主要列出AU型、B型和Ka型等常見葉型螺旋槳，其他類型歸并為“其他系列船用螺旋槳”，并預留非常見類型的功能擴展空間)。

2)確定槳葉切面型值數據。確定葉片類型后可進行螺旋槳的主要參數輸入界面操作，以圖7為例，輸入葉數Z、螺距P、直徑D、縱斜角、盤面比等相關參數和槳轂數據，通過對后臺程序、數據庫的調用，可計算得到槳葉相關輪廓數據;在此基礎上進一步計算其螺旋槳槳葉切片數據，最終得到槳葉切面型值數據。

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

3)螺旋槳建模。在得到以上螺旋槳相關數據后，進入建模階段。點擊錄入界面中“進入建模模塊”按鈕，進行三維型值點計算，自動計算螺旋槳三維型值坐標數值，并以.txt形式保存，便于后期查找調用，最后通過“模型生成”按鈕生成螺旋槳3D模型。

2.3 系統智能化編程功能的實現

系統參數化建模操作完成后，啟動UG NX點擊“船用螺旋槳的CAM系統”進行用戶登錄操作后，進入CAM系統界面可見加工模板導航、刀工具庫管理、工藝知識庫管理、模板庫管理、機床及后處理庫管理及用戶管理等6個功能模塊按鈕，主要功能實現的內容如下:

“加工模板導航”:用戶可以進入船用螺旋槳的加工模板匹配環節，通過選擇螺旋槳的葉型、名稱和加工路徑來創建具體的加工環境，然后點擊“進入加工向導，開始加工”則進入船用螺旋槳的加工模板，并可進行工序的選擇、工件坐標系的調整、加工坐標系的調整、創建操作、刀軌陣列、后處理等操作。

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

“加工模板庫”:主要是對工藝信息進行添加、編輯及刪除，根據螺旋槳型號或尺寸不同，調用后臺數據庫，查看其加工工藝，這些信息主要包括了使用刀具、精度余量、機床選擇、加工方法等。

“機床及后處理庫管理”:主要可以對機床的相關信息 (名稱、控制等)進行管理，并根據特定機床，管理其相對應的后處理系統。

以某型螺旋槳為例，通過上述操作路徑對系統智能化編程功能的實現效果如圖8所示。

圖8 系統智能化編程功能實現效果圖Fig.8 The implementation rendering of system intelligent programming function

3 結語

本文介紹了船用螺旋槳CAD/CAM系統的開發工作，闡述了系統的開發目標和方法，給出船用螺旋槳CAD/CAM系統的體系結構和系統的整個操作流程，并對船用螺旋槳的參數化建模系統和智能編程系統的界面和各模塊的功能界面作出介紹，最后以實例展示系統功能的實現效果。需說明的是，一般在進行三維值點坐標轉換前，應取槳葉類型、直徑、葉數、盤面比作為主要參數，并根據其涉及的參數類型，進一步選取縱斜角、螺距作為主要參數，這些主要參數由用戶來給定數值，根據下列公式進行計算(式中:D為螺旋槳直徑;aE為盤面比;Z為葉數)。

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處切面弦長為0.739 6aED;Ka系列螺旋槳在0.6 R處切面弦長為:1.969D。

本系統的開發工作針對當前船用螺旋槳制造企業在自動編程過程中遇到的困難，具有重要的研究理論意義與實用價值。

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