基于STEP的回轉葉片體的曲面路徑規劃算法研究

王亞芳,葉 飛,胡 哲

(延安大學西安創新學院,陜西 西安 710100)

0 引言

回轉葉片(Rotating Blade)是一種可繞自身軸線回轉的葉片,多被裝配到諸如燃氣渦輪、蒸汽渦輪、噴氣發動機以及相類似物的渦輪部件,或燃氣渦輪和噴氣發動機的空氣壓縮機的回轉機械上,并以整體方式與主軸一起旋轉[1]。這類零件表面形狀復雜,已經不能通過傳統的參數曲面進行表示了,取而代之的是復雜的自由曲面。自由曲面具有外觀精美、自由度高、動力學性能優良等優點,在汽車、航空、造船、能源等領域得到了廣泛的應用。經過將近幾十年的發展,自由曲面的造型技術已經比較成熟,而傳統三軸數控機床對復雜自由曲面的加工卻表現出了諸多弊病,迫切需要發展新的理論和方法。五軸聯動數控加工技術應運而生,成為解決這類復雜曲面加工問題的重要手段。近年來,隨著五軸加工技術的發展,對數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劃方面[2]。路徑的規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路徑規劃。

1 STEP標準

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

本文通過研究、分析回轉體類葉片的形狀特征及工藝特點,按照STEP規范進行合理的抽象、分類,為后期曲面路徑規劃及數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幾何創建的“設計”、用于自動2D正交視圖生成的“繪圖”、用于使用線性靜態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,該產品還可以使用CAD交換文件格式導入和導出幾何模型,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 回轉體目標特征信息提取

3.1 導入STEP模型

本研究利用Ultimate Eyeshot庫ReadSTEP函數導入基于STEP的回轉體類葉片模型,檢查其合法性并將數據存儲。存儲的數據模型不是一個整體,而是多個獨立的曲面。STEP模型導入如圖1所示。

圖1 利用Eyeshot導入STEP模型

3.2 設置回轉軸

根據導入的STEP模型,需要設置回轉軸x/y/z,回轉軸選擇與回轉體曲面的偏置方向垂直的軸。圖1中STEP模型的回轉軸設置為x軸。

3.3 生成回轉基面

一般回轉體零件的表面由諸多基本曲面構成,選擇其中一個曲面即可,但要確保其沿回轉軸方向延伸后生成的回轉曲面能夠覆蓋所有加工區域。依據選取的基本曲面,利用Ultimate Eyeshot庫提供的函數直接提取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基面[4]。

3.4 選擇加工葉片

根據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面的。在選取時,務必保證葉片的基本曲面與回轉曲面能夠構形成閉合的區域,否則在進行曲面路徑規劃時無法判定有效地加工區域。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 曲面路徑規劃

提取回轉體目標特征后,需要設置光斑直徑、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。從上一步生成的回轉基面開始,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域。根據層高參數設置每層葉片會產生一個甚至多個加工區域,直至偏置曲面與葉片無交線或者無法形成閉合的加工區域則結束循環[5]。圖3為單葉片多層加工區域,其中層高設置為5 mm,共需要加工5層,第1、2、3、5層只產生一個閉合的加工區域,而第4層產生2個閉合的加工區域。

圖3 單葉片多層加工區域

對每層閉合的加工區域進行處理,利用等步長插補獲取加工區域輪廓插補點[6-7]。對于加工區域輪廓點的獲取,需計算加工區域曲線的邊界點,因為加工區域曲線在數據存儲時不是一條完整的曲線,而是由多條曲線構成的閉合曲線。因此需要對邊界的起點和終點進行特殊處理,最終獲得加工區域的uv邊界點。在此基礎上,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 單葉片多層加工區域輪廓點

利用加工區域輪廓曲線,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。為了后續快速判斷,減少往復計算,先將所有加工區域內部路徑點存儲,再依據光斑直徑等參數設置對內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劃點。若針對zigzag填充類型需要增加之字路徑規劃點[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命令的結構如下:

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系中的坐標值;i、j、k指的是刀具在這個刀位點時的刀軸矢量。

5 結語

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