（机械制造及其自动化专业论文）船用螺旋桨五坐标数控cadcam系统.pdf

大连理工大学硕士研究生学位论文 摘要 船用螺旋桨是一类典型的自由曲面零件，它的设计和制造精度直接决定了其推进效 率。传统的螺旋桨加工方法是通过普通铣床粗加工加上大量的人工修磨来完成的。此方 法费时费力，精度难以保证。随着数控技术的发展，目前螺旋桨大都采用数控机床进行 加工，但是数控机床生产厂家没有提供专门加工螺旋桨的软件包，从而使许多螺旋桨生 产厂家不得不使用通用的c a d c a m 软件( 如c a t i a 、c a m m a n d 、u g n x 、p r o e 等) 作为螺旋 桨设计和加工编程平台。由于通用软件用于螺旋桨加工编程缺乏针对性，使用时工程人 员工作量仍然很大；国外有专用螺旋桨c a d c a m 软件，但是，这些软件价格及其昂贵， 令大多数厂家难以承受。设计自主产权的螺旋桨专用软件是解决这些问题的最好办法。 研制开发具自主产权的优秀的螺旋桨c a d c a m 软件，一方面要消化吸收引进的先进 技术，另一方面应加强对数控加工理论和应用的研究。本文在对螺旋桨的设计方法和五 坐标数控加工特点进行研究的基础上，按照软件工程的要求和螺旋桨生产企业的需求， 借助于开放的图形设备库0 p e n g l ，以v c + + 6 0 为平台迸行了螺旋桨c a d c a m 软件的开发。 该系统根据不同型号螺旋桨的设计图谱，采用面向截面测量数据b 样条曲面光顺方 法构造出螺旋桨模型，并调用o r ，e n g l 的接口函数进行立体显示，并可以实现图形的动 态观察。 通过选择适当的刀具和工艺方案生成无干涉的刀位文件，并利用0 p e n g l 提供的双 缓存技术进行加工过程的动态仿真，最后根据机床的具体结构型式进行后嚣处理生成具 体机床识别的n c 代码。 系统根据模块化设计要求，提出了数控加工系统的整体体系结构和各功能模块，使 系统能够准确、直观、快速地构造螺旋桨模型、生成数控加工程序、进行加工仿真等， 同时系统具有良好的稳定性和扩展性。 关键词：c 加c 埘；船用螺旋桨；五坐标：加工仿真 王学文：船用螺旋桨五坐标数控c a d c a m 系统 c a d c a ms y s t e mf o rm a r i n ep r o p e l l e r a b s t r a c t m a r i n ep r o p e l l e ri sat y p eo ff r e ef o r ms u r f a c ep a r t i t sd e s i g na n dm a n u f a c t u r ep r e c i s i o n d e c i d es h i p st h r u s te f f i c i e n c yd i r e c t l y t h et r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r em e t h o do fap r o p e l l e ri s b yr o u g h i n gw i t hg e n e r a lm i l l i n gm a c h i n ep l u sam a s so fm a n u a lp o l i s h i ti sl a b o r i o u sa n d t i m ec o n s u m i n ga n dt h ep r e c i s i o nc a r l tb eg u a r a n t e e d w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn c t e c h n o l o g y ，a tp r e s e n t ，m o s to ft h em a c h i n i n go fap r o p e l l e ri s o f t e nf i n i s h e db yan c m a c h i n i n g ，b u tt h en cm a c h i n et o o lf a c t o r i e s a r en o tp r o v i d et h ep r o f e s s i o n a ls o f t w a r e p a c k a g ef o rm a r i n ep r o p e l l e rm a n u f a c t u r e c o n s e q u e n t l y ，m a n ym a r i n ep r o p e l l e rf a c t o r yh a v e t ou s eu n i v e r s a lc a d c a ms o f t w a r ep a c k a g e s ( s u c ha sc a t i a ，c a m m a n d ，u g n x ，p r o e a n ds oo n 、a sd e s i g na n dm a n u f a c t u r ep r o g r a m m i n gp l a t f o r m b e c a u s ei ti sl a c ko f p e r t i n e n c e t ou s eu n i v e r s a ls o f t w a r ef o rm a r i n ep r o p e l l e rm a n u f a c t u r ep r o g r a m m i n g ，i ti s s t i l ll a b o r i o u s t h e r ea r ep r o f e s s i o n a lp r o p e l l e rc a d c a ms o f t w a r eo v e r s e a s ，b u tt h e s es o f t w a r ea r e e x p e n s i v e ，m a n yf a c t o r i e sc a nn o tp a yt h e m i ti s t h eb e s tw a yt os o l v ea l lp r o b l e m st o d e s i g n i n gp r o f e s s i o n a ls o f t w a r ew i t hi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s i no r d e rt o d e v e l o pc a d c a ms o f t w a r e f o rm a r i n e p r o p e l l e r w i t h i n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s ，w em u s td i g e s ta n da b s o r ba d v a n c e dt e c h n o l o g y ；o nt h eo t h e r h a n dw em u s ts t r e n g t h e nt h er e s e a r c hf o rt h en cp r o c e s s i n gt h e o r ya n da p p l i c a t i o n a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n to fs o f t w a r ep r o j e c ta n dm a r i n ep r o p e l l e rf a c t o r y ，b a s e d o nt h e r e s e a r c ho fd e s i g n i n gm e t h o do f m a r i n ep r o p e l l e ra n dc h a r a c t e r i s t i c so f5 - a x i sm a c h i n i n g ，a c a d c a ms o f t w a r eo f m a r i n ep r o p e l l e rh a sb e e nd e v e l o p e d b yu s i n gv c + + 6 0p l a t f o r ma n d t h r e e - d i m e n s i o n a lg r a p h i c sd e v e l o p i n gi n s t r u m e n to p e n g l t h es y s t e mu s e sf a i rf i t t i n gm e 1 0 do fb s p l i n es u r f a c ef o rs e c t i o n a lp o i n t st oc o n s t r u c t m a r i n ep r o p e l l e rs u r f a c em o d e la c c o r d i n gt od i f f e r e n tt y p ep r o p e l l e r sa t l a s ，a n du s e so p e n g l i n t e r f a c ef u n c t i o n st od i s p l a yw i t ht h r e e d i m e n s i o n a lg r a p h i c s i ta l s oc a ni m p l e m e n td y n a m i c o b s e r v a t i o no fg r a p h i c s t h en o n - i n t e r f e r e n c et o o lp a t hf i l e sc a i lb eg e n e r a t e db yu s i n gt h i ss y s t e mv i ac h o o s i n g t o o l sa n dp r o c e s s i n gs c h e m e sp r o p e r l y t h ed y n a m i cs i m u l a t i o no fm a c h i n i n gp r o c e s si s r e a l i z e db yu s i n gd o u b l eb u f f e rt e c h n o l o g yp r o v i d e db yo p e n g l a tt h ee n d ，t h en cc o d ei s g e n e r a t e db yp o s tp r o c e s s i n gf o rs p e c i f i e dm a c h i n e t 0 0 1 a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fm o d n i ed e s i g n i n g ，t h es y s t e ms t r u c t u r ei sp r e s e n t e d a n dt h em a i nf u n c t i o n a lm o d u l e sa r ei m p l e m e n t e d b yu s i n gt h i ss y s t e m ，t h es u r f a c em o d e lo f m a r i n ep r o p e l l e r ，t o o l - p a t hg e n e r a t i o na n dm a c h i n i n gs i m u l a t i o nc a nb er e a l i z e dq u i c k l ya n d 大连理工大学硕士研究生学位论文 v i s u a l l y o nt h es a m et i m e ，t h es y s t e mp o s s e s s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fg o o ds t a b i l i t ya n d e x p a n s i b i l i t y k e yw o r d s ：c a d c a m ；m a r i n ep r o p e l l e r ；5 - a x i s ；m a c h i n i n gs i m u l a t i o n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 查望翌：三盔堂堡主塑窒生堂垡堡苎 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 至鲎垂 导师签名： ! 盘查 i 当 塑! 年j 三月丛f i 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的目的及意义 自从船用蒸汽机出现以后，螺旋桨就开始应用于船舶上，并成为了海船的主要推进 形式【lj ，船舶的性能主要取决于该船的船型、主发动机和螺旋桨三大因素，其中螺旋桨 的推进效率又主要取决于螺旋桨桨叶的设计与制造。 螺旋桨属于自由曲面，由于它形状复杂，过去螺旋桨大多是通过普通铣床粗加工加 上大量的人工修磨来完成的，当螺旋桨的盘面比较大时，各个桨叶可能互相覆盖，导致 其加工费时、费力，加工精度和效率难以提高。因此，加工精度和生产效率都很低，工 人劳动环境和条件较差，而且由于这些加工方法本身能力的限制，一直难以保证精确的 螺旋桨设计与加工成型。随着数控技术的发展，船用螺旋桨的数控加工成了主流。利用 计算机辅助设计对螺旋桨进行造型和计算机辅助制造来获取螺旋桨的数控加工刀轨并 进行仿真( 即螺旋桨c a d c a m ) 的技术的研究成为了螺旋桨设计和加工研究的主要方面。 船用螺旋桨的c a d c a m 技术有两种思路，一种利用通用的商品化c a d c a m 软件进行 二次开发作为螺旋桨的数控加工软件，二是专门开发的螺旋桨数控加工专用软件。就国 内的螺旋桨生产厂家而言，也不外乎这两种思路。采用第一种思路的，通常采用u g n x 、 c a t i a 、i d e a s 、c a m m a n d 等通用商用软件，由工程人员操作，针对不同型号螺旋桨进行 曲面造型、刀位计算等工作，来获取数控代码。由于这些软件并非专门针对螺旋桨设计 和加工进行编制的，所以工程技术人员必须进行大量的手工操作，设计出的数控加工代 码也很可能存在大量冗余，并且需要操作人员具有较高的软件水平，耗费人力较多。采 用第二种思路的，国外有专用螺旋桨c a d c a m 软件，如美国的a c m e 和m u l t i s u r f 、澳大 利亚的c o m p u p r o p 、日本的m i k a d o 、韩国的b a e k s a n 等，但是，这些软件价格极其昂贵， 令大多数厂家难以承受。同时，由于螺旋桨加工在军事工业中的重要地位，国外专业的 软件公司在出售软件的同时对核心关键技术严格保密。当厂家螺旋桨型号改变时，难以 使用专用软件自行获得数控代码，所以国内厂家对其的使用并不得心应手。 综上所述，开发有自主版权的螺旋桨c a d c a m 软件、使我国的螺旋桨制造业的整体 水平得到提高、缩小与先进国家的差距是螺旋桨设计和加工部门的当务之急。国内也有 些厂家的研究部门结合自己的情况进行了此方面的工作，但很少有能够应用广泛、运行 稳定、结果准确的专用软件，许多软件都有很大的局限性。 王学文：船用螺旋桨五坐标数控c a d c a m 系统 1 2 文献综述 通常来讲，船用螺旋桨五坐标c a d c a m 系统的输入参数应为螺旋桨的关键参数，而 输出参数为具体机床能够使用的数控代码。故在系统中应能完成利用关键参数获取曲面 型值点坐标列表、并利用曲面的型值点坐标进行曲面造型，包括曲线曲面的拟合、复杂 曲面求交等过程。在此基础上，针对造型获得的曲面数据进行数控加工刀位轨迹的计算。 对于计算得到的刀轨需要进行误差计算及干涉检查。并通过加工过程的动态仿真及后置 处理才能最终确定可以使用的刀位轨迹及数控代码。 1 2 1 曲面造型技术的研究现状 在工程中，构成叶片类的自由曲面由离散点或边界曲线来表示。最早工程技术人员 利用薄的木条通过关键点来拟合所需要的曲线形状。样条曲线由此得名，上世纪4 0 年代， 样条的方法就己经产生并得到了应用。1 9 6 3 年美国波音飞机公司的弗格森( f e r g u s o n ) 首先提出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，构造了组舍 曲线和由四角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。1 9 6 7 年，美 国麻省理工学院( m i t ) 的孔斯( c o o n s ) 提出了孔斯双三次曲面片。它与弗格森所采 用的曲线曲面片的区别在于将角点扭矢由零矢量改取为非零矢量。但两者都存在形状控 制与连接问题。1 9 7 1 年法国雷诺( r e n a u l t ) 汽车公司的贝齐儿( b e z i e r ) 提出了由控制 多边形定义曲线的方法。它简单易用，很好地解决了整体形状控制问题p 引，但仍有局 部修改问题。德布尔( d eb o o r ) 1 9 7 2 年给出了关于b 样条的一套标准算法。美国通用汽 车公司的戈登( g o r d o n ) 和里森费尔德( r i e s e n f e l d ) 于1 9 7 2 1 9 7 6 年用b 样条基替代了 贝齐儿曲线中的伯恩斯坦基函数，从而建立了b 样条曲线、曲面的计算方法【4 刊，由于b 样条基具有良好的性质，从而b 样条曲线与曲面也具有良好的性质。它几乎继承了贝齐 儿方法的一切优点，克服了贝齐儿方法存在的缺点，较成功地解决了局部控制问题，而 且在参数连续性基础上解决了连接问题。然而将其应用于圆锥截线和初等解析曲面时， 却是不成功的，每种方法只能给出近似表示，故不能适应大多数工业产品的要求。1 9 7 5 年，基于r i e s e n f e l d 的工作，v e r s p r i l l e 在他的博士论文中，将b 样条理论推广到有理情形， 之后经过p i e g l 和t i l l e r 等人的努力完善与发展，8 0 年代后期，非均匀有理b 样条方法成为 使用最为广泛的曲线曲面描述方法【_ 卜9 】，美国的p d e s 标准和国际标准组织( i s o ) 关于 工业产品数据交换的s t e p 标准相继将n u r b s 作为定义工业产品几何形状的唯一数学方 法。但是，n u r b s 技术并非十分完美，现在仍在发展中，一些问题如生成曲面时怎 样确定合适的参数化与权因子等有待进一步研究。而且对于拓扑结构复杂的曲面， 大连理工大学硕士研究生学位论文 n u r b s 方法使用起来有很大的不便，需要将复杂曲面分解为若干个简单的自由曲面分 别处理，然后再进行大量的曲面拼接才能够完成【1 1 1 。 1 。2 ，2 五坐标数控加工技术的研究现状 目前，国内外数控加工理论方面的研究文献大多集中在讨论自由曲面的数控铣削加 工，铣削曲面时，以往大都使用球头铣刀，这是因为使用球头铣刀加工曲面时，球头刀 对加工对象的适应能力很强，且编程与使用也较方便，但球头刀加工也存在一些不足之 处。球头切削刃上各点的切削情况不同，越接近球头刀的底邦其切削条件越差( 切削速 度低、容屑空间小等) 。为了改善加工精度、提高加工效率，在五坐标加工中，多采用 非球头刀具，如何在被加工曲面上确定非球面刀刀位轨迹和控制加工精度，是曲面c a m 技术研究所面临的一个难题【1 2 】。文献 1 3 ，1 4 研究发现，当被加工曲面几何尺寸较大时， 法曲率较小，在五坐标机床上采用端铣刀加工比采用球头刀加工的精度和效率高。 g w v i c k e r s 教授对分别采用球形刀和立铣刀进行曲面加工的结果进行了比较，发现立 铣刀能更好地与曲面的几何特性相匹配【1 5 】，因而可以减少走刀次数，切削效率高，且刀 具使用寿命长。f r i t z 分析了非可展直纹面的特性，提出了无干涉圆柱形刀具磨削直纹面 的方法 1 “，文中指出这种直纹面大都是由双曲点组成，刀具轴线沿负主曲率所在的方向 放置，即可避免干涉现象。美国学者y u a n s h i nl e e 对环形刀具加工自由曲面的局部干 涉和全局干涉问题进行了较全面的分析，并给出了无干涉刀位算法【i ”。以色列学者 g e l b e r 和美国犹太大学的r f i s h 提出了用直纹面片逼近自由曲面的方法【l 列，并将五坐 标数控机床线接触法可加工的曲面由凸曲面扩展到鞍形曲面而不产生干涉。该方法采用 均匀b 样条曲面来表示被加工曲面，用直纹面遥近该曲面的办法则是不断细分莱一参 数，使逼近曲面与原曲面之间的误差小于给定的公差；在每一小曲面片内，为使刀具和 被加工表面不会产生干涉，将刀具轴线安放在主曲率较小的那个主方向上；同时，作者 指出机床刀具路径可用直纹面直接逼近原曲面然后求其等距面获得，或者先求原曲面的 等距面，之后再用直纹面逼近该等距面得到。y u a n s h i nl e e 运用椭圆偏置方法分析了 圆柱形刀具粗加工直纹凹坑曲面的方法 ，使粗加工后的曲面更接近理论曲面，便于精 加工的进行。j o u n g h a h ny o o n ，h e l m u tp o t t m a n n 和y u a n - s h i nl e e 应用微分几何中杜潘 标形的方法，提出了一种优化的刀位确定方法【2 0 】，其原理是在每一个刀触点处，刀具与 工件曲面的标形差为一二次曲线，因此只需在三个法截面内进行检验，即可确定二次曲 线的三个系数，从而确定刀具的优化位置。j mr e d o n e t 提出让刀具同两条准线和一条 直母线相切来计算刀位，计算每个刀位要解一个含有七个方程的非线性方程组j 。这种 方法比较准确，但计算量大，鲁棒性低，不便于采用数值方法进行计算。s a n j e e vb e d i 王学文：船用螺旋桨五坐标数控c a d c a m 系统 提出了让刀具沿着两条准线滑动，同时保证刀具同两条准线在同一条母线的两端点相 切，这样就使母线中间的误差最大田】。 华中理工大学的全荣博士 2 3 研究了五坐标联动数控技术及其在汽轮机叶片砂带磨 削加工中的应用，提出了用双一次均匀b 样条曲面去逼近叶片型面，并计算出其刀位数 据。王小椿等 2 4 】等提出了用中凹的盘形铣刀加工自由曲面的密切曲率法，在每一行程中 让刀具轴线相对于工件按特定的规律摆动，使得在垂直于进给方向的法截面内，由刀尖 轨迹形成的包络面与理论曲面的法截线具有相同的1 至3 阶导数，从而在保证精度的前 提下获得较高的加工效率。刘雄伟教授 2 5 , 2 6 提出了两种刀位计算方法，单点偏置法( s p o ) 和双点偏置法( d p o ) 。单点偏置法就是使刀轴方向同直母线平行，沿着直母线中点法 矢方向做距离为刀具半径的等距点，得到刀轴上一点。双点偏置法是把同条直母线上 1 4 和3 4 处的两点都沿着各自的法矢方向做距离为刀具半径的等距点，得到两个点， 连接这两点就得到了刀轴方向矢量。赖天琴【2 7 】提出了两种加工直纹面的方法。第一种方 法是把非可展直纹面进行可展化，这种方法只适用于曲面扭曲很小的情况。第二种方法 是让刀具同直纹面在一条准线上有相同的法矢，而在另一条准线上相交的方法，该方法 必然导致相交的一端附近误差最大，误差分布不均匀。西安交通大学的陈丽萍博士【2 8 】 将五坐标精加工侧铣刀具的刀轴矢量选在曲面的最小法曲率方向，通过调整刀轴使其与 刀具表面上的切触曲线段平行，得到刀具的刀心坐标和调整角。上海交通大学的倪炎榕 【z 9 】等探讨了用圆环形刀具加工复杂曲面的优化算法，该算法把曲面离散为点，从宏观范 围考察瞬时刀位下刀具和型面的接触误差分布，并按宏观曲率吻合原则对刀位进行优化 调整，实现了宽带线接触加工。 使用非球头刀具，所涉及的主要问题是无干涉刀位生成较困难，而且容易发生全局 性干涉。如何切实有效地解决空间曲面非球头刀具切削加工中存在的干涉现象不仅是多 坐标数控加工中的关键技术，也是生产中亟需解决的问题。因此要充分发挥五轴数控非 球头刀加工的优势，必须从根本上解决其干涉问题。为此，众多专家学者在干涉检验方 面进行了广泛研究，提出了多种方法【弧m i 。其中具有代表性的有：日本y t a k e u c h i 在 基于实体模型的p - c a p s 系统中首次提出离散刀具的思想，在刀具的径向和轴向设置许 多检查点，干涉检验即为测试点是否存在于用c s g 表示的加工曲面内，然后根据曲面与 检查点的干涉程度调整刀轴矢量来避免干涉。l _ x s u s a n 等人提出基于曲面模型的干涉 检验方法，将加工曲面进行三角离散化，在三角化网格基础上生成刀位轨迹，并进行干 涉检验和刀位修正。y s l e e 和t c c h a n g 基于关键检查点的思想，提出了应用曲面凸 包性来解决自由曲面五轴加工中的碰撞问题。 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 2 ，3 国内外螺旋桨造型与加工的研究现状 针对螺旋桨的曲面造型和数控加工，国内外学者进行了大量的研究。g e o f f r e yw v i c k e r sp 叫早在7 0 年代就研究了用数控机床采用球头刀加工中等尺寸的螺旋桨。他首次 提出用计算机辅助计算螺旋桨的表面，螺旋桨各部分曲面和各截面的图形可在图形终端 上显示出，而且可以交互修改。螺旋桨加工主要采用数控铣床进行铣削加工，最后再采 用少量的手工修整。x i u z iy e 【36 j 提出了结合物理约束主要包括曲面法矢来设计螺旋桨曲 面，最终曲面是一个完整的非均匀b 样条曲面，该曲面是用最小二乘法拟合给定的数据 点及这些点上面的法矢得到的。这种设计螺旋桨桨叶曲面的方法是结合对螺旋桨流体动 力学的分析进行的。他这种方法主要是考虑到工程中对几何实体的评价主要是其物理功 能的实现，而不是其几何外形的美观。h s i n g - c h i a 3 ”结合螺旋桨曲面建模的结果，利用 微分几何的相关原理，分析了该曲面的曲率、主方向等几何性质，并在此基础上，把桨 叶区域分为椭圆点区域和双曲点区域。在不同区域上，给出了球头刀和端铣刀的刀位计 算方法。而且给出了控制直线插补误差和刀轨间残留误差的方法。韩国人j a e w o o n g y o u n i 删在五坐标机床上采用球头刀加工螺旋桨。他把螺旋桨加工分成三步完成：粗加 工、半精加工和精加工。为生成精确的精加工刀轨，首先计算检查向量，来决定刀轨上 每个刀位处的两个极限角度，它们是由刀具尺寸和加工带宽狭定的。最终的刀具方向矢 量是根据经验按照定的比例得到的。 哈尔滨工业大学的任秉银【3 9 , 4 0 采用球头刀加工螺旋桨。他把螺旋桨桨叶工作面分为 标准螺旋面和流线型曲面两部分，提出对螺旋面部分建立解析方程，导出刀具参数和加 工参数的计算表达式。利用微分几何中关于法曲率和主曲率的理论，通过计算曲面上任 意点处的主曲率，找出最大主曲率，求出叶片压力面数控加工用的最大允许球刀半径。 螺旋桨叶面的加工路径一般取桨叶上等半径上的螺旋线。球头刀的中心位于螺旋面的法 向等距面上，刀心轨迹线是在等距面上与刀触点轨迹线法向等距的曲线。求出刀具沿轨 迹线运动时形成的包络面，相邻两包络面的交线便是实得曲面的特征线，这条曲线与设 计曲面的距离便是及何残留误差。天津农学院的李艳聪【4 l 】充分利用了u g 软件的建模与 加工模块，先建立螺旋桨几何模型，然后生成数控加工程序。文献 3 9 ，4 0 1 虽然提出把螺 旋桨桨叶分成两个部分，但是如何严格地划分桨叶工作面的两个部分，以及两部分曲面 如何拼接等问题没有解决。文献 4 1 充分利用了现有软件。但是，对于形状较复杂的螺 旋桨，通常所给的设计数据很少，难以用u g 软件建出精确的模型，因此需要对仅有的 数据点进行加密才能得到足够多的数据点，然后对这些数据点拟合，得到所需的桨叶曲 面。而且，u g 软件针对三轴的加工模块功能非常强大，而针对五轴的加工模块功能还 壬学文：船用螺旋桨五坐标数控c a d c a m 系统 不是很完善。但对于桨叶较多的螺旋桨，仅三轴机床很难加工，甚至不能加工。所以对 于桨叶较多，一般五叶以上的螺旋桨，仅依靠u g 的加工模块，还是有很大的局限性。 从文献和国外专业软件的介绍来看，国外在螺旋桨设计和加工方面已远远领先我 国，相应的技术完全被各个公司所掌握，很难得到相关的技术资料，因此，要想摆脱这 种被动的局面，必须立足于开发我国自己的专业软件，避免受制于人。 1 3 论文的主要研究工作 本论文属于计算机辅助设计和制造领域，主要研究设计和加工船用螺旋桨的 c a d c a m 系统。本论文从以下几个方面进行研究：螺旋桨的造型、刀位轨迹的规划、加 工过程的动态仿真以及后置处理。主要内容如下： ( 1 ) c a d c a m 软件系统设计在利用统一方法进行曲面造型的基础上，可获得统一的 曲面模型，使得对曲面的造型设计修改和数控自动编程可以基于同一数据结构，从而可 建立螺旋桨c a d c a m 一体化软件。其模块化构造可增加程序重用率；减少硬件资源消耗， 提高运算效率。 ( 2 ) 输入b 型螺旋桨的关键参数，根据其设计图谱得到螺旋桨叶片的截面型值点， 采用面向截面测量数据b 样条曲面光顺原理反算控制网格，并使用o p e n g l 图形接口生 成立体模型。 ( 3 ) 采用球头刀、圆柱刀利用参数线法生成无干涉的刀位轨迹，保存到刀位文件。 ( 4 ) 利用o p e n g l 中的双缓存技术通过读取生成的刀位文件进行加工过程的动态仿 真，并对加工中的整体碰撞、刀位干涉进行检验。 ( 5 ) 研究了后置处理的基本原理及过程。 大连理工大学硕士研究生学位论文 2 系统结构及相关技术 2 1 系统结构 2 1 ，1 系统框架 船用螺旋桨五轴数控c a d c a m 软件系统应当符合软件工程的要求，系统的总体结构 根据软件工程的目标进行设计。面向对象的模块化设计是现代软件设计的最基本要求 h “，模块化软件具有便于管理、代码冗余度小、利于数据交换、可扩展性好、安全度 高等优点。对模块化软件的要求是：各功能模块应满足低耦合度，各功能模块内部高聚 合度，并尽可能降低模块间接口的复杂性，提高软件的可移植性，将软件的输入输出独 立于少量的模块，不分散在整个软件系统中。 软件的用户接口设计应以用户为出发点，以方便、适用和易操作为原则，符合人机 交互的原则。 本论文在充分考虑了船用螺旋桨的特点，按照功能模块化的要求进行了微机版的船 用螺旋桨五轴数控c a d c a m 系统设计。系统为在一个主模块控制下的多个功能模块，各 功能模块可以在主模块的控制下统一执行，也可单独运行。船用螺旋桨五坐标数控 c a d c a m 系统结构框图如图2 1 所示。 图2 1 系统结构框图 f i g2 1s y s t e ms t r u c t u r ed i a g r a m 王学文：船用螺旋桨五坐标数控c a d c a m 系统 主模块对其它各个模块进行组织和管理，它可以根据用户指令对其它各模块进行集 成和调用。在其中进行了全局变量的定义、数据结构的定义、窗体的定义和控制显示等。 各模块之间通过数据库进行相互之间的动态数据交换，保证了内部数据开放性。使用键 盘的同时支持鼠标选择的方式进行菜单驱动，有很好的人机交互功能。系统配置模块用 来配置运行过程中所需调用的其它软件的系统路径。 曲面造型是整个螺旋桨c a d c a m 软件的基础，它对c a d 得出的数据进行处理，为c a m 进行数据准备。曲线曲面造型模块的目的就是完成这一功能。在此模块中通过螺旋桨的 关键参数根据设计图谱计算出叶片截面型值点。利用b 样条光顺的方法反算出控制网格， 得到螺旋桨实体造型。 刀位轨迹生成模块是从c a d 向c a m 转化的桥梁，是整个c a d c a m 系统的枢纽。刀具 轨迹生成的首要目标是使所生成的刀具轨迹能满足：无干涉，无碰撞，轨迹光滑，切削 负荷光滑并满足要求，代码质量高。同时，刀具轨迹生成还应满足通用性好，稳定性好， 编程效率高，代码量小等条件。 加工仿真模块是针对刀位文件进行的仿真，它利用计算机图形学图形显示系统把加 工过程中零件模型、刀具轨迹、刀具外形一起显示出来，对零件的a n t 过程进行数控加 工仿真。这种通过软件模拟加工环境、刀具路径来检验并优化加工程序的方法，具有成 本低、效率高且安全可靠等特点。因此它是刀位文件有效、安全和快速的检验方法，是 降低生产成本，提高编程效率与质量的重要措拖。 后置处理模块可以根据用户提供的不同机床对计算获得的加工刀位轨迹进行转换， 直接输出数控代码。 2 1 2 系统数据结构 软件系统应根据对象不同而采用不同的数据结构，以期更准确的反映各元素之间的 关系、减少数据冗余、提高数据查询和处理的速度、增强灵活性、以便软件的运行、管 理和维护。船用螺旋桨五轴数控c a d c a m 系统中数据结构不仅要利于图形的设计、控 制和显示，还要有利于数控编程的处理。 螺旋桨造型时，实体分为两部分，即叶片和桨毂，因为得到的叶片的造型数据为反 算得控制网格，所以使用m f c 类库中c a r r a y 类来实现数组的动态存储更为简单、明了。 而对于桨毂和刀位点数据可由关键点进行存储表示。 ( 1 ) 桨毂的数据结构 t y p e d e fs t r u c th u b d o u b l es m a l lr a d i u s ； 火连理r 大学硕士研究生学 ? i ) ：论文 d o u b l el a r g e r a d i u s ； ( 2 ) c a r r a y 类的用法 c a r r a y 的主要成员函数如下： i mg e t s i z e ( ) c o n s l ； 功能：获得数组的大小。 ( 墓) v o i ds e t s i z e ( i n tn n e w s i z e ，i n tn g r o w b y = 一1 ) ； n n e w s i z e ：指定数组的大小。 n g r o w b y ：如果需要增加数组大小时增加的元素的个数。 功能：指定数组的大小。 i n ta d d ( a r gt y p en e w e l e m e m ) ； n e w e l e m e n t ：向数组中添加的新元素。 功能：向数组中添加新元素。 v o i df r e e e x t r a ( ) 功能：整理多余的空间。 v o i dr e m o v e a l l 0 功能：删除全部元素。 采用上述数据结构处理信息灵活，易于实现几何变换、刀位计算、后置处理、文件 转化，占用空间少、计算效率高。 2 2 开发平台 系统选用v i s u a lc + + 6 0 作为开发平台。m i c r o s o f t 公司的v i s u mc + 十是目前世界 上相当流行的一个全面和完善的程序开发产品，它是v i s u a ls t u d i o 中功能最为强大、 代码效率最高的开发工具。它提供了一个由许多组件组成的完整丌发环境，这些组件协 同工作，从而简化了软件的丌发过程。 v i s u a le + + 6 0 是基于c + + 编程语言的集成开发工具，睁+ 是源于c 而高于c 的- - f l 编程语言。c + + s u 最重要的创新既是语法性的，又是概念性的，它定义了一种新的叫做 “类( c l a s s ) ”的数据类型，对“面向对象的程序设计( o o p ) ”提供了显式的支持。 m i c r o s o f t 的基本类库m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s sl i b r a r y ) 是i s v c 软件包的一 部分。v i s u a lc + + 将m f c 库作为c + + 开发w i n d o w s 的重要工具。m f c 成功地将面向对象 和事件驱动的编程概念联系在一起，它的应用不仅缩短了w i n d o w s 应用的源代码，而且 由于工作平台中包含了a p p w i z a r d 和c l a s s w i z a r d 程序设计工具，建立基于m f c 的 w i n d o w s 应用还可以自动化，从而大大地缩短了应用的丌发周期。 王学文：船用螺旋桨五坐标数控c a d c a m 系统 2 3 界面 系统界面应满足简洁、人机对话性好等特点，本着这一原则，系统将v c 窗口拆分 为两个子窗口，如图2 2 所示，左窗口从c f o r m v i e w 类继承丽来，用做系统的控制区域， 右窗口从c v i e w 类继承而来，为系统提供显示功能，左窗口加入功能按钮，以实现系 统的各功能模块。 2 40 p e n g l 简介 图2 2 系统界面 f i g 2 2s y s t e mi n t e r f a c e 2 4 10 p e n g l 三维图形开发环境简介 o p e n g l 即o p e ng r a p h i c sl i b r a r y ( 开放的图形设备库) 。2 0 世纪8 0 年代末9 0 年 代初，随着计算机软硬件和计算机图形学的迅猛发展，三维图形技术在科学计算可视化、 虚拟现实技术及计算机仿真等领域得到了越来越广泛的应用。一些计算机公司相继推出 各自的三维图形工具软件包，但没有一种三维工具软件包在交互式三维图形建模能力和 编程方便程度上能够和o p e n g l 相比。o p e n g l 是一个性能卓越的三维图形标准，它是 在s i l i c o ng r a p h i c s ( s g i ) 等多家世界闻名的计算机公司的倡导下，以s g i 的g l 的三 维图形库为基础制定的一个通用共享的开放式图形标准。o p e n g l 经过对g l 的进一步 发展。更加灵活方便地实现了二维和三维的高级图形技术，在性能上表现的异常优越。 人连理i 人学硕十研究生学何论文 它包括建模、变换、光线处理、色彩处理、动画以及更先进的能力，如纹理映射、物体 运动模糊效果和雾化效果等。o p e n g l 的这些能力为实现逼真的三维绘制效果、建立交 互的三维场景提供了良好的条件。 o p e n g l 是一种硬件图形发生器的软件接口，同时它又是与设备无关的图形开发平 台，它的图形a p i 以函数形式提供了1 1 5 个核心库函数，4 3 个实用库函数g l u 、3 1 个编 程辅助库函数g l a u x 以及若干个xw i n d o w m s w i n d o w 专用库函数g l x w g l ，开发者可以 利用这些函数来构造景物模型，进行三维图形交互软件的开发。 o p e n g l 及其支持系统是一种可选的图形生成环境，o p e n g l 可以以库函数的形式被c 语言或其它高级语言( 如f o r t r a n 等) 调用，也可以被窗口系统调用，目前大多数工作 站和p c 机都支持o p e n g l 。由于o p e n g l 独立于硬件设备、窗口系统和操作系统，许多计 算机公司已经把o p e n g l 集成到各种窗口和操作系统中，其中窗口系统由x 系统、w i n d o w s 系统等，操作系统包括u n i x 、w i n d o w sn t 、w i n d o w s 2 0 0 0 等。但是，为了实现一个具有 完整功能的图形处理系统，就必须把o p e n g l 与相应的软硬件环境结合起来。通常，一 个与o p e n 6 l 有关的系统其结构可以分为五层：最底层是图形硬件，第二层为操作系统， 第三层为窗口系统，第四层为o p e n o l ，最上层为应用软件。一个完整的图形处理系统如 图2 3 所示。 幽2 3o p e n c , l 运行平台及结构 f i g2 3r u np l a t f o r ma n ds t r u c t u r eo f o p e n g l 王学文：船用螺旋桨五坐标数控c a d c a m 系统 2 4 2o p e n g l 函数库 o p e n g l 核心函数：包括1 1 5 个函数，这些函数均以g l 开头。这些函数是最基本的， 它们可以在任何o p e n g l 的工作平台上应用。该库用于建立各种形体，产生光照效果， 进行反走样及纹理映射、投影变换等。由于这些核心函数有多种形式并能够接受不同类 型的参数，所以它们派生出3 0 0 多个函数。 ( 1 ) o p e n g l 实用库 包括4 3 个函数，每个函数以g l u 开头。该库在核心函数库的上一层，这类函数提供 了简单的调用，其实质是调用核心函数。合理使用实用库函数，可减少开发者的编程工 作量。 ( 2 ) o p e n g l 辅助库 包括3 1 个函数，每个函数以& u x 开头。该库可以分为6 类：窗口初始化函数、窗 口处理和事件处理函数、定义场景绘制循环函数、三维物体绘制函数、颜色索引表装入 函数和空闲事件处理函数。提供了一些基本的窗口管理和基本三维图形绘制，可方便的 创建完整的o p e n g l 应用程序，但对复杂的应用程序及一些深入的需求，辅助库则远远 不能满足。 ( 3 ) w i n d o w s 专用库函数 包括6 个函