基于UG的三元整体叶轮的曲面造型

南昌航空大学科技学院学士学位论文1基于 UG三元整体叶轮曲面造型的研究1 绪论1.1 论文背景一些复杂的物体表面，如汽车车身、飞机机身、汽轮机叶片、模具型面等呈流线型自由曲面。所谓自由曲面是指不能用基本立体要素(棱柱、棱锥、球、一般回转体、有界平面等)描述的呈自然形状的曲面，必须根据空间自由曲线和自由曲面的理论进行计算。自由曲面形状复杂，不能用简单的曲面数学模型来表示，许多年来人们不断的探索方便、灵活、实用的自由曲面的造型方法。而且具有自由曲面的零件的生产，一般来说是单件或小批量生产，传统的加工方法是由毛坯制造、砂轮打磨、样件检验等主要工序组成，这个过程周期一般较长，工人劳动强度大，而且不易保证加工精度，材料和工装设备浪费现象严重近年来，随着大量进口数控机床的引进和国产数控机床的研制，目前我国拥有的数控机床和加工中心中，三坐标机床占主流，四轴或五轴联动的数控加工机床也在逐渐涌现。这些使得具有自由曲面的零件的加工精度和加工效率都得到了很大的提高，而加工难度和劳动强度也随之大幅度减小。虽然目前出现了许多 CAD/CAM软件，但是其普及程度并不高。一方面是因为这些软件所提供的通用模块并不完全符合实际生产的需要，另一方面一些数控机床附带软件其各个模块大多都进行了封装，只能完成某些特定的功能，用户无法对其进行二次开发以添加满足用户实际需要的功能，用户只能向软件开发公司定制，制约了对核心技术的掌握和生产的发展。自由曲面的制造己开始迈入计算机辅助制造的行列，要进行自由曲面的数控加工，首要任务是进行自由曲面的构造。这就对自由曲面的造型技术提出了较高的要求。由于工程实际中给定型值点的自由曲面型面是典型的三维曲面，求解数控加工此类曲面的关键在于构造满足数控加工需要的自由曲面。自由曲线曲面造型方法经历了参数样条方法，孔斯曲面，贝塞尔曲面，B样条曲面，直到当前CAD/CAM系统中曲面造型的主流方法:NURBS曲面造型方法。NURBS造型方法通过控制点建立自由曲面的数学模型，统一了有理曲面和非有理曲面的数学描述，而且可以通过调整局部的南昌航空大学科技学院学士学位论文2控制点和权因子来局部修改自由曲面的形状，有利于方便的对曲面进行部分修改，所以逐渐成为自由曲面造型理论的主流方法 2。为后续的自由曲面的数控加工创造便利条件。正是在这种前提下，对基于 UG三元整体叶轮曲面造型的研究意义重大，而且我国在这个领域起步较晚，具有很大的研究发展空间，因此本文选此课题进行设计与研究。1.2 文献综述1.2.1 自由曲面的 CAD/CAM的发展及现状自由曲面形状复杂，不能用简单的曲面数学模型来表示，许多年来人们不断的探索方便、灵活、实用的自由曲面的造型方法。而且具有自由曲面的零件的生产，一般来说是单件或小批量生产，传统的加工方法是由毛坯制造、砂轮打磨、样件检验等主要工序组成，这个过程周期一般较长，工人劳动强度大，而且不易保证加工精度，材料和工装设备浪费现象严重近年来，随着大量进口数控机床的引进和国产数控机床的研制，目前我国拥有的数控机床和加工中心中，三坐标机床占主流，四轴或五轴联动的数控加工机床也在逐渐涌现。这些使得具有自由曲面的零件的加工精度和加工效率都得到了很大的提高，而加工难度和劳动强度也随之大幅度减小。虽然目前出现了许多 CAD/CAM软件，但是其普及程度并不高。一方面是因为这些软件所提供的通用模块并不完全符合实际生产的需要，另一方面一些数控机床附带软件其各个模块大多都进行了封装，只能完成某些特定的功能，用户无法对其进行二次开发以添加满足用户实际需要的功能，用户只能向软件开发公司定制，制约了对核心技术的掌握和生产的发展。自由曲面的制造己开始迈入计算机辅助制造的行列，要进行自由曲面的数控加工，首要任务是进行自由曲面的构造。这就对自由曲面的造型技术提出了较高的要求。由于工程实际中给定型值点的自由曲面型面是典型的三维曲面，求解数控加工此类曲面的关键在于构造满足数控加工需要的自由曲面。自由曲线曲面造型方法经历了参数样条方法，孔斯曲面，贝塞尔曲面，B样条曲面，直到当前CAD/CAM系统中曲面造型的主流方法:NURBS曲面造型方法。NURBS造型方法通过控制点建立自由曲面南昌航空大学科技学院学士学位论文3的数学模型，统一了有理曲面和非有理曲面的数学描述，而且可以通过调整局部的控制点和权因子来局部修改自由曲面的形状，有利于方便的对曲面进行部分修改，所以逐渐成为自由曲面造型理论的主流方法 2。为后续的自由曲面的数控加工创造便利条件。美、法等国的CAD技术一直以来走在世界的前沿，他们拥有许多世界闻名的CAD/CAM系统，这些系统具备十分强大的功能。美国SDRC公司的I-DEAS Master Series软件采用VGX(超变量化)技术，用户可以直观、实时地进行三维产品的设计和修改。VGX有如下好处:不必像参数化造型系统那样要求模型“全约束” ，在全约束及非全约束的情况下均可顺利地完成造型；模型修改不必拘泥于造型历史树，修改可基于造型树，亦可超越造型历史树；可直接编辑任意3D实体特征，无须回到生成此特征的2D线框初始状态；可就地以拖动方式随意修改3D实体模型,而无须仅以“尺寸驱动”一种方式来修改模型；模型修改许可形状及拓扑关系发生变化，而并非像参数技术那样仅仅是尺寸的数据发生变化；所有操作均为“一拖一放”方式，操作简单。美国Unigraphics Solutions公司的UG源于航空业、汽车业，以 Parasolid几何造型核心为基础，采用基于约束的特征建模和传统儿何建模为一体的复合建摸技术。其曲面功能包含于Freeform Modeling模块之中，采用了NURBS、B样条、Bezier数学基础，同时保留解析几何实体模型方法，造型能力较强。其曲面建模完全集成在实体建模之中，并可独立生成自由形状形体，以备实体设计时使用。而许多曲面建模操作可直接产生或修改实体模型，曲面壳体、实体与定义他们的几何体完全相关。UG软件实现了面与体的完美集成，可将无厚度曲面壳缝合到实体上,总体上，UG的实体化曲面处理能力是其主要特征和优势 6。美国PTC公司的Pro/Engineer以其参数化、基于特征、全相关等概念闻名于CAD界，其曲面造型集中在Pro/SURFACE模块。其曲面生成、编辑能力覆盖了曲面造型中的主要问题.主要用于构造表面模型，实体模型，并且可以在实体上生成任意凹下或凸起物等。尤其是可以将特殊的曲面造型实例作为一种特征加入特征库中。Pro/Eng- ineer自带的特征库就含有如下特征:复杂拱形表面、三维扫描外形、复杂的非平行或旋转混合、混合/扫描、管道等等。该软件的曲面处理能力仅适合于通用的机械设计中较常见的曲面造型间题 7。美国IBM公司的CATIA/CADAM (Dassault Svstem公司开发)是一个广泛的CAD/DAM /CAE/PDM应用系统。该系统有关曲面的模块包括:曲面设计(Surface design)、高级南昌航空大学科技学院学士学位论文4曲面设计(Advanced surface design)、自由外形设计(Free form design)、整体外形修形(Global shape deformation)、创成式外形修形(Generative shape modeling)和白车身设计(Bodywhite templates)等。CATIA外形设计和风格设计解决方案对零件提供了广泛的集成化工具。该系统具有很强的曲面造型功能。还有法国 Matra一Data Vision公司的Euclid集成系统是一个集机械设计与工厂设计于一身的企业级并行工程解决方案，其曲面功能在“ASD高级曲面设计”之中。美国CV公司的CADDS5软件的NURBS曲面设计模块是CV公司用以完成大型复杂曲面造型的专用工具。NURBS集成于清晰造型的数据库结构中，但其强大的曲面裁减使得曲面构成的实体可贯穿参数设计、详细设计、加工、分析的全过程。预计在不久的将来，微机CAD/CAM系统将以其良好的2D设计/绘图、3D实体/曲面造型、数控加工、工程数据管理，物性分析的集成化优势而得到广泛的应用和发展。1.2.2 自由曲面造型技术的发展及现状从研究的领域来看，曲面造型技术已从传统的研究曲面表示、曲面求交和曲面拼接，扩充到曲面变形、曲面重建、曲面简化、曲面转换和曲面等距性。1） 曲面变形(Deformation or Shape Blending)传统的NURBS曲面模型仅允许调整控制顶点或权因子来局部改变曲面形状,最多利用层次细化模型在曲面特定点进行直接操作;一些简单的基厂参数曲线的曲面设计方法，如扫掠法(Sweeping),蒙皮法(Skinning) ,旋转法和拉伸法也仅允许调整生成曲线来改变曲面形状。计算机动画业和实体造型业迫切需要发展与曲面表示方式无关的变形方法或形状调配方法，于是产生了自由变形(FFD)、基于弹性变形或热弹性力学等物理模型的变形法、基于求解约束的变形法、基于几何约束的变形法等曲面变形技术，以及基于多面体对应关系或基于图像形态学中Minkowski和操作的曲面形状调配技术。2） 曲面重建(Reconstuction)在精致的轿车车身设计或人脸类雕塑曲面的动画制作中，常先用油泥制模，再作三维型值点采样。在医学图像可视化中，也常用CT切片来得到人体脏器表面的三维数据点。从曲面上的部分采样信息来恢复原始曲面的几何模型，称为曲面重建，采样工具为激光测距扫描器、医学成像仪、接触探测数字转换器、雷达或地震勘探南昌航空大学科技学院学士学位论文5仪器等。根据重建的形式，其可以分为函数型曲面重建和离散型曲面重建。前者代表工作有Eck于1996年建立的任意拓扑B样条曲面重建法和Sapidis于1995年创造的离散点集拟和法。后者的常用方法是建立离散点集的平面片逼近模型,如Hoppcy于1992年和1994年光后创建的分片线性或分片光滑的曲面模型。对于离散型重建，要求输出曲面具有正确的拓扑结构，并且随着采样密度的增加而收敛到原始曲面，当重建曲面为闭曲面时，Willer等人发展出一种基于可变形模型的曲面重建算法，称为外壳(Crust)算法。这种算法的优点在于输出的离散曲面在细节区域具有密集点，而在无特征的区域具有稀疏点。最近几年，曲面重建的研究形成了热潮。3） 曲面简化(Surfaces Simplification)与曲面重建一样，这一研究领域目前也是国际热点之一，其基本思想在于从二维重建后的离散曲而或造型软件的输出结果(主要是三角网络)中去除冗余信息而又保证模型的准确度，以利于图形显示的实时性、数据存储的经济性和数据传输的快速性。对于多分辨率曲面模型而言，这一技术还有利于建立曲面的层次逼近模型，进行曲面的分层显示、传输和编辑具休的曲面简化方法有网格顶点剔除法、网格边界删除法、网格优化法、最大平面逼近多边形法以及参数化重新采样法。4） 曲面转换(Conversion)同一张曲面可以表示为不同的数学形式，这一思想不仅具有理论意义，而且具有工业应用的现实意义。例如，NURBS这种参数有理多项式曲面虽然包括了参数多项式曲面的一切优点，但也存在着微分运算繁琐费时、积分运算无法控制误差的局限性。而在曲面拼接及物性计算中，这两种运算是不可避免的这就提出了将一张NURBS曲面转化成近似的多项式曲面的问题，同样的要求更体现在NURBS曲面设计系统与多项式曲面系统之间的数据传递和无纸化生产工艺中。再如，在两张参数曲面的求交运算中，如果把其中一张曲面的NURBS形式转化为隐式，就容易得到方程的数值解。近几年来，国际图形界对曲面转换的研究主要集中在以下几点;NURBS曲面用多项式曲面来逼近的算法及收敛性;Bezier曲线曲面的隐式化及其反问题;CONSURF飞机设计系统的Ball曲线向高维推广的各种形式比较及相互转化;有理Bezie曲线曲面的降价逼近算法及误差估计;NURBS曲面在三角域上的互相快速转换。5） 曲面等距性(Offset)其在计算机图形及加工中有着广泛的应用，因而成为这几年的热门话题之一。例如，数控机床的刀具路径设计就要研究曲线的等距性。但从数学表达式中很容易看出，一般而言，一条平面曲线的等距曲线不再是有理曲线，这就超越了通用NURBS南昌航空大学科技学院学士学位论文6系统的使用范围，造成了软件设计的复杂性和数值计算的不稳定性。为解决这一问题，十几年来国际图形界提出了用简单曲线来逼近等距曲线的种种算法，这又带来了收敛性考核、计算不稳定、误差难控制等问题。那么，是否存在具有精确有理等距曲线的某种参数曲线呢? 1990年美国学者Farouki首次找到某一类特殊的平面参数多项式曲线具有这种性质，称之为PH曲线而到1993年，浙江大学的吕伟利用复分析法、重新参数化和代数几何技术，完整地给出了OR多项式和有理参数曲线的一般形式，彻底解决了平面曲线的等距线的有理化问题。在曲线等距性问题上，吕伟于1996年证明了常用二次曲面的有理等距线均可用有理参数样条精确表示的结论;同年他与奥地利学者Pottmann等揭示出有理直纹面的等距面可以有理参数化，同时证明了脊线为有理样条曲线的管道曲面可以精确表示为有理样条曲面。曲线曲面的等距性还与机械学中的形位公差理论及几何设计中的区间曲线曲面有着密切的关系。从表示方法来看，以网格细分（Subdivision）为特征的离散造型与传统的连续造型相比，大有后来居上的创新之势。例如用NURBS的修剪来对付，但是他们至少会遇到以下困难:修剪是昂贵的，而且有数值误差;要在曲面的接缝处保持光滑，即使是近似的光滑也很困难，因为模型是活动的。而细分曲面有潜力克服以上两个困难，其无须修剪，活动模型的平滑度被自动地保证。如果多面体的一个面有n条边，细分一次后，这个面就会变成n个四边形。随着细分的不断进行，控制网格就被逐渐磨光，其极限状态就是一张自由曲面。其是无缝的，因而是平滑的，即使模型是活动的。这种方法显著地压缩了设计和建立一个原始模型的时间，更重要的是允许原始模型局部地精致化。这就是其优于连续曲面造型方法之处。1.3 论文的主要工作三元整体叶轮曲面造型的研究关键在于如何由点生成曲线、由曲线生成曲面、由片体生成曲面，进而产生空间叶轮实体。本文主要工作内容如下：1）研究自由曲面造型方法。2）研究直纹面的几何特性。3）采用UG/Open GRIP编程构造的方法生成叶片的曲线。4）完成三元整体叶轮的曲面造型。南昌航空大学科技学院学士学位论文72 自由曲面造型的技术2.1 引言1963年美国波音(Boeing)飞机公司的弗格森(Ferguson)首先提出了将曲线曲面表示为参数的矢函数方法。他最早引入参数三次曲线，构造了组合曲线和由四点的位置矢量及两个方向的切矢定义的弗格森双三次曲面片。从此曲线曲面的参数化形式成为形状数学描述的标准形式。1964年美国麻省理工学院(MIT)的孔斯(Coons)发表了一个具有一般性的曲面描述方法，给定围成封闭曲线的四条边界就可定义一块曲面片。1967年，孔斯进一步推广了他的这一思想。但是前述两种方法对曲线、曲面的形状不易控制;修改任意一个型值点都会影响整条曲线和整张曲面的形状，且形状变化难以预测，即不具备局部性。因此这两种方法都属于构造插值曲线和插值曲面的方法，不适用于进行曲线或曲面的设计。1971年法国雷诺(Renault)汽车公司的贝齐尔(Bezier)提出一种由控制多边形设计曲线的新方法。设计员只要移动控制定点就可方便地修改曲线的形状，而且形状的变化完全在预料之中。贝齐尔方法简单易用，又漂亮地解决了整体形状控制问题，把曲线曲面的设计向前推进了一大步，为曲面造型的进一步发展奠定了坚实的基础。但贝齐尔方法仍存在连接问题和局部修改问题。1972年，德布尔(de-Boor)总结给出了关于B样条的一套标准算法，1974年美国通用汽车公司的戈登(Gordon)和里森费尔德(Riesenfeld)又把B样条理论引入曲线曲面设计系统，B样条方法几乎继承了贝齐尔方法的一切优点，贝齐尔曲线曲面被看作为B样条曲线曲面的一种特例，而B样条方法比贝齐尔方法更具一般性，即任何分段光滑多项式曲线曲面均可用B样条曲线曲面表示。B样条基函数具有计算稳定、快速的特点，同时B样条曲线曲面具有局部可修改性.较成功地解决了贝齐尔方法的局部控制问题，并在参数连续性基础上解决了连接问题，具有较强几何造型能力.1975年美国锡拉丘兹(Syracuse)大学的弗斯普里尔(Versprille)在他的博士论文里将B样条理论推广到有理情况，首先提出了非均匀有理B样(non-uniform 南昌航空大学科技学院学士学位论文8rational B-Spline，简称NURBS)这个概念。后来主要由于皮格尔PiegI)和蒂勒(Tiller)2等人对非均匀有理B样条方法进行的深入研究，使这一方法在理论和实用上逐步趋向成熟。至80年代后期，NURBS方法发展为曲线曲面造型方法中最为先进的技术。但由于权因子与参数化问题至今还没有完全解决，NURBS方法存在数值不稳定的问题 3。表1对这几种方法的优缺点作了一比较。表2-1 曲面造型方法的比较方法 特点 缺点Coons曲面法 简单易行、编辑方便、插值精度高设计曲面时，需要用到切矢、扭矢，不直观，难于控制Bezier曲面法核体逼近，具有对称性，网格的四个角点位于曲面上控制多边形顶点数目决定了曲面的阶次，缺乏局部修改性B样条曲面法阶次与控制顶点数目无关，具有局部可修改性，曲面片之间无条件光滑拼接曲面片一般不通过特征网格的任意一个顶点NURBS曲面法对标准的解析曲线(如圆锥曲线等)和自由曲线提供了统一的数学描述，保留了B样条曲线的节点插入、修改、分割以及修改控制点等强有力的技术，而且还具有修改权因子来修改曲线形状的能力计算量较大。影响软件的运行速度，耗费的存储量较大。而且当权因子为零和负值时容易引起计算的不稳定，导致发生畸变在形状设计领域中，设计人员通常是从二维的情况开始定义对象的关键形状，在构造好曲线的基础上，利用曲面生成方法产生复杂的三维形态.构造出精确的曲线是生成最终物体形状的关键和基础.常用的曲线构造方法为:控制顶点输入法;插值点输入法;从已知曲面上生成曲线法等。需要确定的参数有:曲线的次数、节点矢量及控制顶点。80年代末至90年代初，曲面造型领域的发展又出现了新的特点。在某些应用领域，因为力学的原因，人们不满足于现有数学模型下的曲面造型技术，开始探索基于其它数学描述方法的新的曲面造型技术，例如，物理曲面造型、流线型曲面造型等。工程实际中给定截面型值点的自由曲面是典型的三维曲面，求解数控加工此类南昌航空大学科技学院学士学位论文9曲面的关键在于构造满足数控加工需要的自由曲面。1988年Woodwardlw针对按截面测量所得数据，提出了一种B样条曲面插值算法，即蒙皮法生成曲面。但这种方法要求数据点呈拓扑矩形阵列，即各截面数据点数完全相同。由于测量得到的原始数据点，本身就包含测量误差，采用插值算法容易出现波动，光顺性较差，因此采用曲面逼近更接近工程实际。王国瑾等提出了B样条光顺准逼近的思想，即在有约束条件处通过型值点，其它部分用逼近数据点来产生;蒋人为也提出了运用重顶点的方法来解决有约束条件的曲面逼近问题;1999年，彭芳瑜等提出基于最小二乘法的曲面生成算法。它在插值的思想上融合逼近的思想，解决了蒙皮法中因截面线族不均匀而导致的曲面光顺性不好的问题;2002年，张丽艳 6结合二分法和最小二乘法，对截面曲线进行逼近.构造出B样条截面曲线，最后用截面曲线构造蒙皮曲山。即最终的B样条曲面。目前，曲面造型领域的发展又出现了新的特点 9，10 。在某些应用领域，人们不满足于现有数学模型下的曲面造型技术，开始探索基于其它数学描述方法的新的曲面造型技术，如物理曲面造型、流线型曲面造型等。新的造型方法得到广泛的研究和探索，这些都将为曲线曲面的深入研究提供新的思想，为计算机辅助制造创造更加便利的条件。通常来讲，双三次B样条曲面能满足设计者的要求，此时能保证曲面间连续。节点矢量的选取对曲面的品质十分重要。选取节点参数的方法有均匀(等距)参数化法、积累弦长参数化(弦长参数化)法、向心参数化(弦长的平方根)法、修正弦长参数化法等。通常采用积累弦长参数化方法求解节点矢量。形状设计中，设计人员头脑里一般直接考虑的是曲线的大致形状，而非控制多边形的形状。因此通常是通过给出曲线上的一些点，反算出曲线的控制顶点，再由控制点得到曲线。常用方法为插值法和最小二乘逼近两种方法。插值法要求得到的曲线通过己知数据点，最小二乘逼近法一般不要求曲线通过已知数据点，只要求数据点与得到的曲线上对应点距离的平方和为最小。对曲线形状的控制有三个途径:1)通过移动控制顶点来改变曲线形状;2)修改节点矢量;3)移动数据点并重新计算。常用的方法有节点插入与曲线升阶两种方法来对曲线形状进行控制。插入节点算法是B样条方法配套技术中最重要的技术之一。通过插入节点，可以进一步改善B样条曲线的局部性质，提高对B样条曲线形状控制的潜在灵活性;可以实现对曲线的分割;可以在生成曲面时使不同的节点矢量统一起来等;1980年伯姆(B