基于UG的系列船用螺旋桨三维建模和数控编程技术研究
基于UG二次开发的船用螺旋桨参数化建模方法与实现_唐英
SHIP ENGINEERING 船舶工程V ol.32 No.4 2010 总第32卷，2010年第4期基于UG二次开发的船用螺旋桨参数化建模方法与实现唐英1，王志坚1，杨凯2（1．北京科技大学机械工程学院，北京 100083；2．中国电子科技集团公司第45研究所，三河 065201）摘 要：船用螺旋桨的建模方法是将二维初始型值点导入通用CAD软件，通过多步操作得出三维空间数据，完成整个造型过程.这种方法不但操作繁琐，而且效率低.在研究了船用螺旋桨参数化建模方法的基础上，采用对UG进行二次开发的方法，编制出船用螺旋桨参数化建模的功能模块.通过给定船用螺旋桨的主要几何参数，计算出初始型值点，进行坐标变换，将其从平面坐标系还原到空间真实位置.另外给出桨叶叶梢缺失部分数据的NURBS拟合补充方法，并在进行光顺处理后，最终生成船用螺旋桨的三维模型.关键词：船用螺旋桨；UG二次开发；自由曲面；参数化建模中图分类号：U664.33 文献标志码：A 文章编号：1000-6982 (2010) 04-0052-04Parametrical Modeling Method and Implementation of MarinePropeller Based on UG SoftwareTANG Ying1, W ANG Zhi-jian1, Y ANG Kai2(1.School of Mechanical Engineering, Beijing Science and Technology University, Beijing 100083, China; 2.The 45thResearch Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Sanhe 065201, China)Abstract:Marine propeller is a type of part with free-form surface. Traditional modeling method of marine propeller needs to export the origin data into CAD software, converting the origin 2D point data to the 3D point data after several steps and then complete the modeling process. This method is time-consuming and inefficiency.With parametrical modeling technology, functional package for marine propeller modeling based on UG software is developed and introduced in the paper. In the developed package, some key structural parameters of marine propeller are inputted firstly and then the 2D point data and the 3D surface data are calculated automatically. To build the 3D model of the propeller part, firstly the coordinate transformation operation from a 2D coordinate system to a 3D reference system is needed to recover the points in its 2D drawing to their true position in 3D model. And then, point data at the tip of propeller are added with NURBS fitting method. After smoothing calculation of the surface, the 3D model of the marine propeller is completed.Key words: marine propeller; UG Software; free-form surface; parametrical modeling0 引言船用螺旋桨是典型的自由曲面类零件，一般由桨叶和桨毂两部分构成.桨毂外形通常较为简单，是近似的圆锥体或圆柱体，而桨叶形状非常复杂.除极少数情况外，桨叶形状无法用简单数学公式进行描述，而是用许多离散点的坐标值来表示，这种用来表示形状的离散点称为型值点.每个桨叶叶片的型值点通常多达数百个，有时甚至更多.从二维图纸的型值点到最终三维模型的建立，其间需经过偏移、旋转、生成曲线、生成曲面等多步操作.大量数值的计算处理工作和繁冗复杂的操作过程使船用螺旋桨建模过程不仅费时费力，且容易出现差错.鉴于目前针对船用螺旋桨设计建收稿日期：2009-10-27；修回日期：2010-01-20作者简介：唐英（1967-），女，副教授，博士后，主要从事机械制造与自动化方面的科研与教学工作. DOI:10.13788/ki.cbgc.2010.04.013模的专用软件价格昂贵且适用面窄，本文在UG的基础上进行二次开发，开发出船用螺旋桨建模的专用功能模块.目的是在充分发挥UG强大功能优势的同时，回避通用软件操作繁琐复杂的弊端，降低对使用人员的技能要求，大幅缩短建模时间，提高工作效率.1 船用螺旋桨建模参数的选取[1]船用螺旋桨的主要参数包括直径、螺距（面螺距）、盘面比、桨叶切面类型、叶数、毂径比和后倾角等，它们共同决定了船用螺旋桨的形状.直径：船用螺旋桨无前后运动的旋转时，桨叶最外端形成的圆形轨迹直径称为船用螺旋桨直径，以D 表示（R表示半径）.它是确定船用螺旋桨大小的直接参数，并且和其它参数一起，决定船用螺旋桨的形状.螺距：船用螺旋桨桨叶叶面通常是螺旋面的一部分.如果叶面是等螺距螺旋面的一部分，则称为等螺距船用螺旋桨，反之称为变螺距船用螺旋桨.AU型船用螺旋桨是等螺距螺旋桨，螺距以P表示.盘面比：盘面比也是描述船用螺旋桨形状的一个重要参数，以a E表示.盘面比的大小实质上表示桨叶宽窄程度.在相同叶数下，盘面比越大，桨叶越宽.桨叶切面：与船用螺旋桨轮毂共轴的圆柱面与桨叶相截所得的截面称为螺旋桨叶切面，简称叶切面，它决定了船用螺旋桨叶片的局部形状，一般都是将其从圆柱面展为平面后给出轮廓尺寸.不同类型的船用螺旋桨，其叶切面轮廓有所不同.对于AU系列船用螺旋桨主要分AU、MAU、AU W、MAU W四种类型.叶数：普通船用螺旋桨常为3~6个叶片.一般情况下，各个桨叶形状完全相同且沿圆周方向等间距分布.以Z表示，则每两个相邻叶片之间间隔弧度均为2π/Z.毂径比：轮毂直径和船用螺旋桨直径的比值称为毂径比，以d h/D表示.AU型船用螺旋桨的毂径比一般取0.18，即d h = 0.18D.后倾角：后倾角目的在于增大桨叶与船体的间隙，以减小船用螺旋桨诱导的船体振动，以ε表示.后倾角不能取得过大，通常小于15°，本文计算时取ε=10°.因此，可以选取直径、螺距、盘面比、叶数、桨叶切面类型这几个重要参数，作为船用螺旋桨参数化建模中允许用户给定的参数.2 建模流程图1为船用螺旋桨三维建模的流程图.通过选取和输入船用螺旋桨的主要参数，即船用螺旋桨类型（包括叶数和桨叶切面类型）、直径、螺距和盘面比的数据，程序在后台自动进行数据的计算和处理，最终生成船用螺旋桨的三维模型.图1 船用螺旋桨三维建模流程2.1 二维型值点的计算选取和输入船用螺旋桨的主要参数后，利用螺旋桨要素表、桨叶轮廓尺寸表和叶切面尺寸表[1]，即可计算出母线到叶片随边的距离、母线到叶片导边的距离、叶片宽度、叶片厚度、导边至最厚点的距离及各个叶切面型值点的二维坐标值，这些数据就是传统二维图纸中给出的数据信息.2.2 型值点的坐标转换二维型值点是不可以直接用于三维建模的，因为它们都是在局部平面坐标系内的数值.因此，首先需要将各半径处的叶切面二维平面型值点还原到对应的三维空间坐标系中，就是将各切面对应“缠绕”到与桨毂共轴线的圆柱面上去.对于船用螺旋桨型值点从平面局部坐标系到空间全局坐标系的坐标变换公式，张宏伟等给出了详细推导过程[2]，这里简述该数学模型的建立方法并直接引用其推导结果.如图2所示，R i为某一叶切面对应半径，OH为基线，φ为螺距角，θ为纵斜角，因为通常情况下桨叶都向后倾斜，所以此处的纵斜角就是基本参数中的后倾角.坐标系OXYZ是全局坐标系，OXY平面与轮毂平面平行.O1X1Y1Z1坐标系与OXYZ平行，O1点为基线与圆柱面的交点.坐标系O2X2Y2Z2中，O2点为螺旋线与叶切面的切点，O2Z2轴经过叶切面厚度处.O2UVW坐标系的规定如图2中所示（U轴垂直于纸面，故在图中未标出），该坐标系可以通过旋转与O2X2Y2Z2坐标系重合.M 为叶切面轮廓上任意一点，A 点为O 1在圆柱底面的投影点，B 点为M 在圆柱底面的投影点.图2(b)为圆柱面展开而成的平面，其中M 1、A 1、B 1分别与图2(a)中的M 、A 、B 点相对应.Ψ为图2(a)中AB 所夹劣弧对应的圆心角，劣弧AB 的长度与图2(b)中线段A 1B 1的长度相等.图2 船用螺旋桨坐标变换原理图式（1）~式（3）为根据图2中几何模型推导出的坐标变换公式，可以将桨叶型值点由平面局部坐标转换成为空间全局坐标.式中L 为导边至最厚处的长度，即线段O 1O 2的长度.通过带入相关数据进行计算，即可完成坐标转换过程，得到各切面处型值点的三维空间坐标.()22cos cos sin cos i i X R Y Z L R φφφ=−+⎡⎤⎣⎦（1）()22sin cos sin cos i i Y R Y Z L R φφφ=−+⎡⎤⎣⎦（2）22sin cos sin tan i Z Y Z L R φφφθ=++− （3） 2.3 叶顶叶根型值点的计算对于AU 系列船用螺旋桨来说，二维图纸中的叶切面尺寸表包括从0.2R ~0.95R 共9个切面的数据，通过计算得到的三维型值点缺少0.95R 以上的叶稍部分数据和0.2R 以下至轮毂处的数据，故不能生成完整的桨叶曲面.这两部分缺失的型值点可用下述方法计算得出：将各叶切面叶面部分的两个端点数据提取出来，加上一个叶梢尖点坐标数据，采用NURBS 样条将这些点拟合成一条空间曲线[3]，进而对该条曲线0.95R 至叶梢的曲线段离散成若干型值点，以此作为叶面叶梢部分的型值点；对于0.2R 以下至轮毂缺失的叶面部分，可添加一定半径的圆弧数据点，以实现叶面根部与轮毂间的平滑过渡，这样做符合加工图纸中的实际要求.叶背曲面的情况和叶面曲面处理方法完全相同.这样就有了决定桨叶表面形状的所有空间型值点. 2.4 桨叶的光顺从几何造型的角度来说，计算出所有的空间型值点，就可以得到满足造型所需的全部数据信息.但是，从船用螺旋桨设计和加工的实际要求出发，造型结果必须满足对工件表面光滑程度的要求，因此，允许在一定范围内对其表面进行光顺处理.光顺后生成的曲面会与光顺前的空间型值点产生偏离，必须对其偏离程度进行检验以确保精度.2.5 生成三维模型分别拟合出叶面和叶背曲面之后，将叶片进行缝合、填充，再生成一个轮毂.然后通过圆周阵列的方法，围绕轮毂生成数个完全相同的桨叶.通过上述五个环节，就基本完成了船用螺旋桨的参数化造型工作.当然，还可以根据实际需要，对叶面与叶背曲面交界处进行圆角处理，构造其它细节特征.3 二次开发功能模块设计本文在UG 基础上进行二次开发定制专用功能模块.UG 作为大型通用CAD/CAE/CAM 集成化软件之一，目前广泛应用于各个行业中[4].UG 不是针对特定产品开发出的专用软件，因此难以很好地应对船用螺旋桨造型方面的工作需求，从而导致建模过程操作繁冗复杂，效率低下.如果以UG 软件为平台开发出专用模块，则可在很短的时间内完成建模工作.本文设计的功能模块用户界面如图3所示.该对话框通过UG/Open UIStyler 创建.图3 船用螺旋桨建模功能模块界面在用户界面首先选择船用螺旋桨类型，再输入螺旋桨直径、螺距、盘面比这些参数，单击“生成单个叶片型值点”按钮，程序就会自动调用对应的UG/Open API 函数，通过后台计算，生成所有二维和三维型值点数值.与此同时，程序后台会将数据保存至本地磁盘，用户可以根据需要，对指定目录下存放的数据文件进行修改.经核对无误后，单击“生成螺旋桨立体模型”按钮，程序会自动读取本地磁盘内的数据文件，Z YX O Z 2Z 1 X 1Y 1 X 2Y 2O 2 O 1 R 1 Z 2 Y 2Y 1Z 1 O 1 O 2M 1A 1 B 1V W A H B M (a)(b) Ψ θ φ完成三维模型的创建工作.图4中示意了桨叶叶面的构造过程，它包括三维型值点的生成、各切面型值点曲线的产生、叶顶曲线的补充以及光顺后的曲面生成几个部分.如2.4节中所述，为了保证最终生成的表面满足精度要求，需要对光顺后的曲面进行误差分析.将光顺前的三维型值点与光顺后生成的曲面导入Imageware 软件，该软件会计算出各型值点到曲面的距离，以各点距离中的最大值，作为误差进行精度评估.图5中显示的桨叶所属船用螺旋桨直径为4.74m ，根据比较结果可看出，光顺后生成的曲面与光顺前三维型值点的偏离值分布在4.8×10-4mm 到-5.26×10-4mm 之间.一般认为，造型精度应该比加工精度至少高一个数量级，参考国标中船用螺旋桨的加工精度要求[5]，对于直径为4.74m 的船用螺旋桨来说，由于光顺产生10-4mm 数量级的偏离误差完全能够满足造型精度的要求.图4 桨叶叶面的生成过程图5 Imageware 中显示的比较结果图6为在选择不同参数下分别生成的船用螺旋桨三维模型，这里轮毂部分用一个空心圆锥体来表示.实际上也可以根据需要，将轮毂设计成其它形式.图6 不同参数时生成的船用螺旋桨建模过程中用到的UG 主要函数及功能如下：UF_STYLER_ask_value ( )：获取用户界面中输入的参数值；UF_CURVE_create_point ( )：根据坐标值在UG 中生成点；UF_MODL_create_fitted_spline ( )：通过型值点拟合样条曲线；UF_CURVE_smooth_spline_data ( )：光顺样条曲线；UF_MODL_create_thru_curves ( )：依次通过曲线串生成曲面.4 结论本文通过详细介绍船用螺旋桨的几何参数和建模流程，系统阐述了船用螺旋桨的参数化建模方法，主要步骤包括二维型值点的计算、型值点的坐标转换、叶顶叶根型值点的计算和桨叶的光顺，最终生成三维模型.并在UG 软件基础上，开发出专用的参数化造型功能模块.只需在用户界面上选择和输入相关参数信息，就可以快速生成船用螺旋桨的三维模型，经检验其精度远高于加工要求.该模块操作简单，功能实用，大大提高了船用螺旋桨的建模效率.参考文献：[1] 盛振邦, 刘应中. 船舶原理[M]. 上海: 上海交通大学出版社, 2004.[2] 张宏伟, 王树新, 侯巍, 等. 螺旋桨三维建模方法研究[J]. 机床与液压, 2006(5): 60-62.[3] 施法中. 计算机辅助几何设计与非均匀有理B 样条[M].北京: 高等教育出版社, 2001.[4] 侯永涛, 丁向阳. UG/Open 二次开发与实例精解[M]. 北京: 化学工业出版社, 2007.[5] GB 12916-91. 船用金属螺旋桨技术条件[S]. 北京: 中国标准出版社, 1992.类型：MAU4-40 直径：4m 螺距：3m 盘面比：0.4 类型：MAU5-80 直径：4m 螺距：4m盘面比：0.8类型：MAU6-55直径：4m 螺距：4m 盘面比：0.55 (a)各叶切面 空间型值点(b) 各叶切面型值点连成的曲线 (c) 补充缺失部分后所有叶切面曲线(d) 生成的叶面曲面（带光顺）。
基于UGGrip的船用螺旋桨三维建模关键技术
第35卷 第4期大连海事大学学报Vol.35 N o.4 2009年11月Journal of Dalian Maritime University N ov., 2009文章编号:1006-7736(2009)04-0121-03基于UG Grip的船用螺旋桨三维建模关键技术程 东1,朱新河1,邓金文2(1.大连海事大学轮机工程学院,辽宁大连 116026; 2.中国船级社广州分社,广州 510000)摘要:为建立精确的船用螺旋桨三维模型,采用UG Grip二次开发技术探讨了船用螺旋桨三维建模的关键技术,实现了对桨叶叶尖、导(随)边缘过渡、防鸣音随边、根部过渡等关键部位的合理处理,建立了精确的三维螺旋桨模型.关键词:船用螺旋桨;三维模型;UG G rip;防鸣音中图分类号:U664.31 文献标志码:AKey technologies for3D modeling of marinepropeller based on UG GripCHENG Dong,ZHU Xin-he,DENG Jin-wen(1.Marine Eng ineering College,Dalian M aritime University,Dal ian116026,China;2.Guangzhou B ranch,China ClassificationSociety,Guangzhou510000,China)A bstract:T o establish a precise3D model of marine propeller, the key technolo gies fo r3D modeling of marine propeller were studied by using UG G rip seco ndary development,and a precise 3D model with co rrect treatment of blade tip,fillets of leading edge and trailing edge,anti-singing edge and blade root fillets w as established.Key words:marine propeller;3D mo del;UG G rip;anti-sing ing0 引 言建立完善的船用螺旋桨三维模型是实现螺旋桨铸造过程模拟、铸造砂型制作、数控加工等工艺过程的关键和难点,也是实现螺旋桨强度分析、特性分析的基础.国内不少学者对螺旋桨的三维造型方法进行了研究[1-4],但所建模型均未涉及叶尖、导(随)边缘过渡、防鸣音处理、根部过渡等关键技术.目前常用的三维模型设计软件主要有Pro E、UG NX、MDT 等.其中,UG NX(UG)是当今世界上先进的、紧密集成的、面向制造业的三维CAD CAM CAE高端软件之一,被众多制造商广泛应用于工业设计、工程仿真和数字化制造等领域.尤其是UG Grip的二次开发功能为用户提供了方便和功能扩展的空间.因此,本文拟采用UG Grip的二次开发技术自动实现螺旋桨的三维建模,并对桨叶的边缘和根部等关键部位进行合理处理,以建立精确的船用螺旋桨三维模型.1 船用螺旋桨三维建模的关键技术1.1 螺旋桨三维造型方法螺旋桨三维建模时,通常先建立桨叶的模型,再进行桨毂的造型,然后进行两者之间的过渡连接.桨叶的形状由轮廓参数和型值参数决定.桨叶轮廓参数主要包括截面半径、螺距、后倾值(角)等.图1 桨叶截面参数图1为桨叶截面型值参数示意图.图中C为叶截面型宽,CLE为导边到基线的距离(辐射参考系的距离),SS为吸力面型值点到螺距线的距离,PS 为压力面型值点到螺距线距离.造型时先构造出压力面和吸力面曲线,再对导边和随边进行过渡圆角处理.其中RLE、R TE为导边和随边的过渡圆角半径,Y TE、Y LE为过渡圆圆心到螺距线的距离.建立三维模型时,需将二维型值点转换为三维空间坐标点,再在立体空间中构造出桨叶的各个截面轮廓,然后利用BSURF命令构造出整个桨叶的外表面.三维空间坐标转换公式如下[5]:x=r cos((l-h tan)cosr)收稿日期:2009-08-25.作者简介:程 东(1972-),男,安徽宿州人,博士,副教授,E-mail:chddmu@.y =r sin ((l -h tan )cosr )z =P θ2π+h cos -r tan φθ=(l -h tan )cosr其中:r 为切面半径;h 为型值点到螺距线的距离;l为型值点到基线的距离; 为螺距角;φ为后倾角;P 为螺距.螺旋桨工艺型值参数较多,人工输入较为繁琐.为此,可事先将上述参数存入一个tx t 文件,然后利用FETCH 命令在执行程序时读出上述数据,便可实现模型的自动建立.1.2 导边、随边过渡圆的处理螺旋桨叶片切面运转于非均匀的尾流场中,叶切面边缘处圆弧的大小对螺旋桨的性能有极大的影响,特别对空泡性能的影响较大.因此螺旋桨边缘的圆弧处理正确与否,将严重影响螺旋桨的性能.通常设计单位只提供螺旋桨轮廓参数和叶面型值参数,桨叶边缘部分没有型值点参数,只有过渡圆角半径和圆心,且各个半径处的圆角半径各不相同.本文在二维坐标系统中首先根据各截面型值点构造出上下表面曲线,然后通过FILLET 指令根据已知的过渡圆角半径和圆心构造出过渡曲线.导边、随边过渡圆的圆心坐标分别为(RLE ,YLE )、(C -R TE ,Y TE ),如图2(a )所示.最后对过渡曲线进行离散处理,生成若干个点作为圆角部位的型值点[图2(b )],以便于与叶面、叶背的型值点拟合出各个半径处封闭的截面曲线.图2 桨叶边缘的过渡圆1.3 随边抗鸣音处理鸣音产生的主要原因是桨叶随边产生的漩涡频率恰好与桨叶的固有频率相近,使叶片发生弹性振动.常用的抗鸣音处理方法有:①加厚法:将桨叶随边中部加厚,使由桨叶随边发出的一系列漩涡引起的振动频率低于桨叶本身的固有频率.②减薄法:将桨叶随边中部减薄,使由桨叶随边发出的一系列漩涡引起的振动频率高于桨叶本身的固有频率.③特殊构造法:特殊构造法有多种,可以在随边部分粘贴一排小圆块,或把桨叶随边做成锯齿形,或者将桨叶的随边做成抗鸣音边.本文采用的抗鸣音边如图3所示.造型时先根据型值参数求出点A (0,TE 2)、点B (0,-TE 2)和m 点坐标(C -X TE ,0),通过m 点做一条垂直螺距线chord 的直线M 1M 2,求出直线M 1M 2与该截面的上下两条叶面曲线的交点M 1和M 2,连接M 1A 和M 2B ,对该两条直线进行离散,并在该两条直线上各选取4个点作为新的型值点.图3 抗鸣音边1.4 桨叶根部的过渡处理完成叶根的过渡处理,建立一个完善的螺旋桨三维模型是实现后期数控加工和应力分析的基础.图4 桨叶根部的过渡为减少应力集中,设计时叶根部有时采用两个过渡半径.图4中,R I 为第一过渡半径,H 为该半径的过渡起始处;R II 为第二过渡半径.当只有一个过渡半径时,R I =0.另外,多数大型螺旋桨设计时只给出最大截面的过渡半径R 0,而实际沿周向不同区域的过渡半径值不同.结合实际生产经验,本文所采用的过渡半径变化规律如图5所示(叶面、叶背相同).所122 大连海事大学学报 第35卷 形成的桨叶根部的过渡曲面如图6所示.图5 过渡半径R沿根部的变化图6 根部的过渡曲面1.5 桨叶尖部的处理上述方法所形成的三维桨叶模型的尖部并没有实现密封.为形成完整、封闭的三维实体,为后续的螺旋桨模型特性分析奠定基础,必须对桨叶的尖部进行合理处理.首先将导边和随边的边缘轮廓线过渡连接,形成如图7所示的桨叶尖端曲线,然后利用导边过渡曲线、随边过渡曲线、压力面曲线、吸力面曲线及桨叶尖端的过渡曲线,根据SSURF 命令形成桨叶尖端表面.图7 桨叶尖端曲面的形成方法1.6 模型特性分析将上述形成的桨叶尖部、桨叶表面及根部的过渡曲面缝合,并进行复制旋转.绘制完桨毂后形成的三维螺旋桨模型如图8所示.在此基础上可利用ANLSIS 命令进行螺旋桨的特性分析,计算其体积、重量,为螺旋桨铸造工艺参数的确定奠定基础.图8 三维螺旋桨模型2 结 论本文采用UG Grip 二次开发技术探讨了船用螺旋桨三维建模的关键技术,实现了对桨叶叶尖、导(随)边缘过渡、防鸣音随边、根部过渡等关键部位的合理处理,建立了精确的三维螺旋桨模型,为船用螺旋桨的三维建模提供一条有效的途径,也为船用螺旋桨的制造、加工和特性分析奠定了基础.参考文献(References ):[1]张振金,薛兆鹏.利用U G G RIP 构建螺旋桨三维数字模型[J ].现代制造工程,2009(2):52-55.[2]李艳聪,郑清春,薛兆鹏.基于UG Grip 的螺旋桨三维设计技术研究[J ].天津理工学院学报,2003,19(1):40-43[3]张宏伟,王树新,侯 巍,等.螺旋桨三维建模方法研究[J ].机床与液压,2006(5):60-63.[4]谢云平,张 伟,李 娟.基于NA PA 的螺旋桨几何造型和图形生成方法研究[J ].江苏科技大学学报:自然科学版,2009,23(1):9-12[5]姚 山,麻春英,徐艳丽,等.复杂曲面船用螺旋桨铸造工艺三维参数化设计[J ].铸造,2006,55(10):1004-1006.123第4期 程 东,等:基于UG Grip 的船用螺旋桨三维建模关键技术 。
螺旋桨三维建模方法研究
摘要 : 推导了螺旋桨叶切面处局部坐标系到全局坐标系的坐标变换公式 , 并提出了相应的坐标点计算程序设计方法 , 在此基础上用实例介绍了在 Pro / ENGINEER绘图环境下的螺旋桨三维实体建模过程 。
关键词 : 螺旋桨 ; 坐标变换 ; 三维建模 中图分类号 : TP391172 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 3881 (2006) 5 - 060 - 3
下的 Through Points选 项 , 然
后由底至顶逐点选取所生成
曲线族的端点 。至此完 成 了
螺旋桨空间边界曲线图 , 如
图 3 所示 , 面向我们观察方
向的为叶面方向 。
(5) 利用边界曲线图生 成螺旋桨桨叶曲面图 。边 界
(Boundaries) 是 曲 面 绘 制 经 常用到的方法 , 使用边界命
模型 。
最终生成的螺旋桨实体模型如图 4所示 。 4 结论
本文推导了螺旋桨叶切面局部坐标系到全局坐标 系的坐标转换公式 。从而解决了将图谱提供的空间叶 切面的几何数据应用到三维 CAD 造型过程之中的问 题 , 使整个造型过程变得简便直观 , 因此具有一定的 普遍意义 。
对于螺旋桨曲面创建过程 , 基于本文提出的方 法 , 可以简便地完成造型过程 , 可操作性强 。据此 , 对于常用的叶型 , 利用二次开发工具可以编制灵活而 实用的螺旋桨参数化设计制图软件 , 进而生成系列化 的螺旋桨 , 极大地提高了效率 。
Begin curve ! 2
1 11. 178253 166. 646916 40. 834568
2 15. 222363 166. 326269 40. 122382
基于VB6.0和UG的螺旋桨三维模型设计
Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ Ａｐ ｐ ｌ ｉ ｅ ｄ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｂｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ １ ２ ４， Ｃｈ ｉ ｎ ａ）
新技 术新 工艺
２ ０ １ ５ 年 第 ８期
基 于 ＶＢ ６ ． ０和 ＵＧ 的螺旋 桨三 维模 型 设计 ＊
杨海 强 ， 高 辉 ， 周灿 丰 ， 田融 冰。
（ １ ． 能源工 程 先进连 接技 术 北京 市ｘ － 程 研 究 中心 ， 北京 １ ０ ２ ６ １ ７ ； ２ ． 北 京 工业 大学 机 械 ＿ Ｔ － 程 与应用 电子技 术ｅ － 院， 北京 １ ０ ０ １ ２ ４ ）
（ １ ． Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｃｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ｏ ｆ Ｅｎ ｅ ｒ ｇ ｙ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ａｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｄ Ｊ ｏ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ２ ６ １ ７， Ｃｈ ｉ ｎ ａ； ２ ． Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ
பைடு நூலகம்
法。根 据 螺旋 桨二 维制 图的投 影 关 系和 螺旋 桨设计 参数 ， 运 用 ＶＢ语 言 编程 ， 快速、 准确 地 计 算 出螺 旋 桨
叶切 面特征 点 的 空间三 维 坐标 ， 将这 些 坐标 值 导入 ＵＧ软 件 中， 进 而生成 螺旋 桨三 维 实体模 型 。
关键 词 ： 推 力 吸附 ； 螺旋桨； ＶＢ 语 言 ； ＵＧ； 机 器 人 中 图分类 号 ： ＴＨ １ ２ ２ 文献标 志码 ： Ａ
螺旋桨UG建模
由桨叶截面尺寸表得到三维建模坐标直径D螺距P后倾角θ螺距角φ1、 计算出0.2R 、0.3R ……2、 利用反正切函数计算出螺距角：以0.2R 举例φ-0.2R=ATAN(P/(2*π*0.2R))，弧度表示φ-0.2R/π*180°或用=DEGREES(φ-0.2R)函数，角度表示3、 中心线距导边-最厚点距导边=中心线距最厚点=H X4、 h X =最厚点距导边-X5、 计算0.2R-0坐标注：h X =最厚点距导边-X ；H X =中心线距导边-最厚点距导边=中心线距最厚点6、叶梢坐标7、通过延伸插值得到0.1R处的叶宽、最大叶厚、最大叶厚至导边、中心线至导边，再用第5步计算。
螺旋桨UG中建模1、导入三维坐标2、连接样条曲线，随边点-导边点-随边点；连接螺旋桨轮廓3、将螺旋桨轮廓打断于叶梢点：编辑-曲线-分割曲线，类型选“在结点处”，选择曲线，结点方法选“选择结点”，确定。
或者采用添加点然后重新绘制两条样条曲线的方式，添加点：插入-基准/点，选择几何体中选择要添加点的样条曲线，等弧长定义中点数输入需要的点即可。
4、建立螺旋桨包面：主曲线—叶梢点+桨叶切面；次曲线—随边+导边+随边。
5、将桨叶表面封闭起来：插入-网格曲面-N边曲面-外环选择曲线即可裁去上述封闭曲面多余部分：修剪片体-目标选择片体-边界对象选择边界曲线-选择区域保留！6、桨叶片体缝合：插入-组合-缝合，选择需要缝合的片体即可7、阵列桨叶：阵列特征-选择特征（选桨叶包面）-布局（选圆形）-旋转轴（选桨榖对称轴）-角度方向（间距选数量和节距，数量选叶数，节距角为360/n），确定。
阵列后可能所有桨叶多余的片体都要修剪—此功能好像不成功或者采用旋转功能：编辑-移动对象-运动选角度-角度72°-结果复制原先的-非关联副本数48、建立桨榖。
目测回转的曲线为拍照CAD得到。
回转-选择曲线-指定矢量（选桨榖对称轴）-其他默认即可。
基于UG的系列船用螺旋桨三维建模和数控编程技术研究
基于UG的系列船用螺旋桨三维建模和数控编程技术研究船用螺旋桨是船舶推进系统中至关重要的部件，其影响着船舶的航行性能和能效。
为了提高船舶的推进效率和节能减排，需要对船用螺旋桨进行优化设计和制造。
在这个过程中，基于UG软件的三维建模和数控编程技术成为了不可或缺的工具。
UG（Unigraphics）是一款功能强大的三维设计软件，具有先进的建模和分析功能，可以实现复杂曲面的建模和细节设计。
利用UG软件，可以对船用螺旋桨进行精确的三维建模，包括叶片的设计、螺旋桨的结构等。
通过建模过程，可以快速生成螺旋桨的几何形状，并进行各种仿真分析，验证设计是否符合要求。
在完成三维建模后，需要进行数控编程，将设计好的螺旋桨转化为机器能够识别和加工的代码。
数控编程是将设计好的零件信息转换成机器指令的过程，需要考虑到机床的加工能力和工艺要求。
通过UG软件的CAM功能，可以进行数控编程，生成加工路径和刀具轨迹等信息，确保螺旋桨的加工质量和效率。
同时，基于UG的系列船用螺旋桨三维建模和数控编程技术研究还可以实现以下几个方面的优势：1.提高设计效率：利用UG软件的智能建模和分析功能，可以快速设计出符合要求的螺旋桨，减少设计周期和成本。
2.提高加工精度：通过数控编程生成的加工路径可以实现高精度的加工，保证螺旋桨的形状和尺寸准确度。
3.优化性能：通过三维建模和仿真分析，可以对螺旋桨的结构和叶片形状进行优化设计，提高船舶的推进性能和节能效果。
4.减少人为错误：数控编程可以减少人为的操作错误和误差，提高加工的一致性和稳定性。
总的来说，基于UG的系列船用螺旋桨三维建模和数控编程技术研究对提高船用螺旋桨的设计制造效率和质量具有重要的意义。
随着船舶工业的不断发展和技术的进步，这些技术将会在航运领域发挥更大的作用，为船舶的推进性能和安全提供更好的支持。
船用螺旋桨的参数化建模及数控加工
摘要船用螺旋桨是船舶动力系统的核心，其桨叶曲面是典型的自由曲面，设计和加工的质量直接影响螺旋桨的性能，而螺旋桨复杂的工作环境也对其建模及制造精度提出了更高的要求。
船用螺旋桨从设计到加工的过程复杂繁琐、周期较长，因此需要建立能够综合考虑螺旋桨设计、分析以及加工的螺旋桨参数化数学模型，并基于参数化模型对螺旋桨开展后续各项研究工作，以达到缩短螺旋桨的设计制造周期、提高生产效率的目的。
本文以实现螺旋桨参数化设计到数控加工为目的，建立了螺旋桨桨叶曲面的参数化方程，基于参数方程求解所得点建立了螺旋桨三维实体模型；以提高螺旋桨敞水效率为目的，对螺旋桨相关结构参数进行优化并进行了水动性能仿真；分析并制订了螺旋桨数控加工工艺，基于参数化模型编写了数控加工程序并进行了数控加工仿真与实验。
具体内容如下：在分析船用螺旋桨结构及成型原理的基础上，建立螺旋桨切面参数方程并推导了二维切面到三维空间的坐标转换公式，建立了桨叶曲面的参数化数学模型。
求解方程得到桨叶表面指定精度下的数据点，将其导入UG中建立三维实体模型。
对比传统由型值点所建立的螺旋桨模型，参数化方法建立的模型表面光顺性更优。
以螺旋桨最大敞水效率为目标，对螺旋桨盘面比、螺距比和进速系数等参数进行优化，得到了螺旋桨给定工况下的最佳匹配参数，优化后螺旋桨敞水效率提高了约3.18%。
对螺旋桨进行了水动性能仿真，验证了优化桨的敞水效率；分析了螺旋桨相关参数纵倾角和侧斜对螺旋桨敞水性能的影响。
分析螺旋桨的数控加工工艺，对加工阶段进行了划分，确定了毛坯、刀具、走刀方式等。
判断加工中干涉与过切情况，建立了刀具与工件间几何关系，研究了无干涉的刀具路径算法，基于桨叶的参数化数学模型计算了粗精加工的刀具轨迹，并通过后置处理将刀位信息转化为数控加工程序。
建立数控加工仿真环境，导入数控加工程序进行了数控加工仿真，仿真结果验证了刀具轨迹及数控程序，且螺旋桨获得较好的精度和表面质量。
最后在五轴数控机床上进行了加工实验。
基于UG的轮盘三维建模与仿真加工数控技术毕业论文
毕业论文课题名称基于UG的轮盘三维建模及仿真加工分院/专业机械工程学院/数控班级学号学生姓名指导教师：2013年6月1日摘要UG是一个交互式CAD/CAM(计算机辅助设计与计算机辅助制造)系统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。
它在诞生之初主要基于工作站，但随着PC硬件的发展和个人用户的迅速增长，在PC上的应用取得了迅猛的增长，目前已经成为模具行业三维设计的一个主流应用。
UG的目标是用最新的数学技术，即自适应局部网格加密、多重网格和并行计算，为复杂应用问题的求解提供一个灵活的可再使用的软件基础。
本文使用UG软件的建模模块完成产品的三维造型设计，并使用UG的制造模块对其进行了数控模拟加工并生成程序。
关键词：UG 造型设计模拟加工自动编程AbstractUG is an interactive CAD/CAM (computer aided design and computer aided manufacturing) system, it is powerful, can easily construct various complex entity and modeling. It is at the beginning of the birth is mainly based on the workstation, but with the rapid growth in the development of PC hardware and individual users, its application in PC has achieved rapid growth, has become a mainstream application of three-dimensional design of mold industry.The goal of UG is to use mathematical technology, namely the local adaptive mesh refinement, multigrid and parallel computing, provide a flexible and reusable software base for solving complicated practical problems.Model module using UG software complete the 3D product modeling design, Manufacture module and UG for NC simulation machining and production procedure of.Keywords:UG design Machining simulation automatic programming目录第1章绪论 (1)1.1 CAD/CAM与数字化制造 (1)1.2 CAD/CAM系统的功能使用方法及应用过程 (1)第2章基于UG的三维造型设计 (4)2.1 几何造型技术 (4)2.2 结构形状分析与造型思路 (6)2.3 轮盘的三维建模造型设计 (7)第3章轮盘的数控仿真加工 (12)3.1工艺方案分析 (12)3.2仿真加工 (13)3.3生成NC文件 (17)致 (18)参考文献 (20)第1章绪论1.1 CAD/CAM与数字化制造CAD/CAM（计算机辅助设计及制造）与PDM（产品数据管理）构成了一个现代制造型企业计算机应用的主干。
基于UG的数控编程及加工自动化的研究
基于UG的数控编程及加工自动化的研究一、本文概述随着现代制造业的快速发展，数控编程及加工自动化已成为提高生产效率、降低生产成本、保证产品质量的重要手段。
UG（Unigraphics N）作为一款功能强大的三维CAD/CAM/CAE集成软件，广泛应用于航空、汽车、模具等制造领域，其数控编程及加工自动化功能更是受到了广大制造业企业的青睐。
本文旨在探讨基于UG的数控编程及加工自动化的相关技术与应用，以期为提高我国制造业的自动化水平和核心竞争力提供参考和借鉴。
本文将首先介绍UG软件在数控编程及加工自动化方面的基本功能和特点，然后重点分析基于UG的数控编程技术，包括数控编程的基本流程、刀具路径的生成与优化、后处理技术等。
还将探讨UG在加工自动化方面的应用，如自动化夹具设计、加工过程仿真与优化等。
本文将结合具体案例，分析基于UG的数控编程及加工自动化在实际生产中的应用效果，并总结其优势和不足，为未来的研究和发展提供方向。
通过本文的研究，我们期望能够更深入地理解基于UG的数控编程及加工自动化的技术原理和应用方法，为推动我国制造业的转型升级和创新发展提供有力支持。
二、UG数控编程基础UG（Unigraphics N）是一款功能强大的工程设计软件，广泛应用于机械设计、数控编程、仿真分析等领域。
在数控编程及加工自动化方面，UG提供了全面的解决方案，能够显著提升编程效率和加工质量。
UG数控编程是指利用UG软件进行数控加工程序的编制，通过定义刀具路径、切削参数、机床运动等，生成可以直接被数控机床执行的G代码。
数控编程的核心是确保刀具按照预定的轨迹进行切削，实现零件的精确加工。
刀具路径生成：根据加工要求和零件几何特征，生成相应的刀具路径。
UG提供了多种刀具路径生成策略，如粗加工、半精加工、精加工等。
切削参数设定：设定切削速度、进给率、切削深度等参数，以满足加工质量和效率的要求。
后处理与代码输出：将生成的刀具路径转换为G代码，并输出到数控机床进行加工。
基于UG的螺旋桨设计
基于UG的螺旋桨的曲面造型1绪论1.1论文背景螺旋桨是船泊动力系统中的一个重要零件，自从蒸汽机出现以后，它就开始应用于船舶上，并成为了海船的主要推进形式。
螺旋桨是一种典型的自由曲面零件，它的曲面形状和制造精度直接决定了船泊的推进效率和噪音的大小，而其曲面造型的研究将有助于提高该类零件的加工精度和加工效率[1]。
由于它形状复杂，而且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。
螺旋桨的加工实际上就是对自由曲面的加工，而自由曲面加工一直是机械加工领域的难点，同时也是该领域的研究热点。
自由曲面之所以难以加工是由其本身的几何特点所决定的。
自由曲面是不能由初等解析曲面组成，而是以复杂方式自由变化的曲面。
这类曲面单纯用画法几何与机械制图是不能表达清楚的，它是工程中最复杂而又经常遇到的曲面，在航空、造船、汽车、能源、国防等部门中许多零件的外形如各种螺旋桨桨叶曲面、各种叶片曲面、许多变螺距旋面以及模具工作表面等均为空间自由曲面，其形状复杂、材料难以加工、精度要求高，在整个部件生产过程中其加工质量和加工效率的高低举足轻重。
所以这就要求我们寻求新的既方便有合理有效的曲面造型方法。
在科学技术不断发展的今天，采用UG给螺旋桨造型越来越凸显出它方便，直观，具体化的优势，成为螺旋桨造型的最主要方式之一。
综上所述，对基于UG螺旋桨的三维造型的研究意义重大，它是国家航海及造船技术的标志之一。
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螺旋桨的发展历程古代的车轮，即欧洲所谓“桨轮”，配合蒸汽机，将原来桨轮的一列直叶板斜装于一个转毂上,构成了螺旋桨的雏型。
古代的风车，随风转动可以输出扭矩，反之，在水中，输入扭矩转动风车，水中风车就有可能推动船运动。
在当时，已经使用了好几个世纪的阿基米德螺旋泵，它能在水平或垂直方向提水，螺旋式结构能打水这一事实，作为推进器是重要的启迪。
船用螺旋桨混联加工装置PA数控系统开发
船用螺旋桨混联加工装置PA数控系统开发随着我国工业4.0概念的提出和不断延伸,先进装备制造业的发展面临前所未有的机遇和挑战。
船用螺旋桨作为舰船装备的重要推进器件,其加工质量和效率象征着我国发展深海领域技术的源动力。
目前螺旋桨加工普遍存在的单面加工效率低下、装夹定位困难、桨叶振颤以及控制系统开放性和稳定性差等不足,为解决上述问题,课题组提出了基于混联机构的螺旋桨双刀双面对称加工的方法,该加工方法的核心技术就是数控系统的开发。
本课题针对XYZ-3RPS 6轴卧式混联加工装置,提出应用全软件型开放式PA数控系统对机床进行运动控制,并开发基于该系统的各控制模块,为后续桨叶双面对称加工奠定理论和技术基础。
对进一步完善船用螺旋桨的加工方法具有深远意义。
研究混联机床的运动控制算法。
通过分析6轴卧式混联机床结构,建立机床的数学模型和动平台的位姿描述,以及装置坐标系之间的约束方程,并在其基础上通过对串并联机构分别解耦推导得出6路驱动长度逆解算法。
然后利用MATLAB与ADAMS联合仿真,校验算法的有效性。
深入研究PA数控系统的结构组成并设计各控制模块的开发方案。
研究其运行机制和软硬件结构,通过分析控制系统功能需求,提出两套控制系统开发方案,并完成了PA相关硬件部分线路设计、安装和调试,确保电气系统安全无误。
开发适用于XYZ-3RPS卧式混联机床的PA数控系统,包括CNC控制算法、HMI 人机界面和PLC模块三部分。
首先,以VC++6.0为开发平台,通过编写动态链接库文件将控制算法嵌入到CNC,实现虚实轴模式切换以及对机床加工数据处理等功能;然后,根据功能需要开发更完善的人机界面,开发后置处理界面程序并实现通过HMI调用,开发实轴信息显示控件实现运动过程中实轴杆长信息实时显示;最后,开发PLC程序完成辅助监测等功能。
进行螺旋桨加工实验。
建立螺旋桨三维模型,分析加工工艺,利用UG中CAM 模块完成自动编程,经过刀轨可视化仿真后生成加工刀位文件并导入到所开发的系统中,对刀位文件完成进一步后置处理并得到PA系统所能识别的驱动数据,完成加工实验,验证了控制算法和系统的有效性和稳定性,最终通过两套开发方案的优缺点对比,提出了机床不同功能需求时的系统优选方案。
基于UG的整体螺旋诱导轮五轴联动数控加工研究
度．
大 ， 艺过 程 复杂 ， 造成 本高 ， 且 传 统 加工 出 工 制 并
来 的诱 导 轮 叶片 的表 面光 洁度 差 ， 而且 叶 片精 度
２ 这 种 诱 导 轮 相 邻 叶 片 最 小 间 距 ２ ． ７ ） ２ ９５
导轮 的 结构 、 工 工艺 、 轨规 划 及仿 真加 工等方 面研 究整 体诱 导轮 五 轴联 动数 控 加 工． 加 路
［ 键词 ］ 导轮 ； 轴联 动 ； 真 ； 关 诱 五 仿 数控 加 工 ［ 中图分 类号 ］ Ｈ１４ ［ 献标 志码 ］ ［ Ｔ ６ 文 Ａ 文章 编 号 ］６３— ０ ２ ２ １ ）３— ０ ８— ３ １７ ８ １ （０ ２ ０ ０ １ ０
ｍ 而且最 窄处 叶 片 深 度 ３ ． ８ ｍ 若 在 用 小 ｍ， ４ ６ ｍ， 直 径刀 具加 工 的情况 下 ， 刀具 刚 性差 ， 易折 断 ． 容
难 以保证 ， 平衡 性 能差 ． 动 现代 的 整体 式诱 导 轮 加 工 是 指 轮 廓 和 叶 片
在 同一 毛坯体 上 进行 的整体 加工 ， 而不 采 用铸 造 成 型 或 叶片加 工 成 形 后 焊 接 在 轮 廓 上 的工 艺 方 法 ． 般都 要 在 五 坐标 联 动机 床 上 进 行 加 工 ， 一 它 功能 强大 、 工 效率 高 、 加 质量 好 ， 到制 造 业 内 人 受 士 的青 睐． 在 加 工 中 有很 大 的 难 度 ， 须 要 选 但 必 择好 合适 的刀具 及 切削 用量 ， 划 好 流道 及 叶 片 规
图 １ 为 两 叶 变 螺 距 诱 导 轮 ，材 料 是
０ Ｃ ｌ Ｎ ｌ Ｍｏ ０ ｒ７ ｉ４ ２奥 氏体 不 锈 钢 ， 长 １８ ５ ｍ 总 ２ ． ｍ；
基于UG-18的螺旋桨建模与加工
基于UG-18的螺旋桨建模与加工
李艳聪; 薛兆鹏; 董宏; 徐燕申
【期刊名称】《《CAD/CAM与制造业信息化》》
【年(卷),期】2002(000)012
【摘要】一、引言 UG是当前世界上较先进和紧密制造的,面向制造行业的CAID/CAD/CAE/CAM高端软件之一。
它以其强大的参数设计和统一数据库管理等为特点实现了特征的尺寸驱动,具有实体特征建模、标准件库的建立、零部件装配、动态仿真、有限元分析、干涉检查及NC加工等功能。
该软件通常运行在客户机/服务器环境中,支持UNIX、Windows NT/2000等平台。
【总页数】4页(P69-71,73)
【作者】李艳聪; 薛兆鹏; 董宏; 徐燕申
【作者单位】天津农学院; 天津大学
【正文语种】中文
【相关文献】
1.小型无人机木质螺旋桨的三维建模与数控加工 [J], 纪小辉;王伟;陈彤
2.双叶等距木质螺旋桨的三维建模与数控加工 [J], 纪小辉;王伟;陈彤
3.基于铺覆模拟的复合材料螺旋桨叶片实体有限元建模分析 [J], 李雪芹; 陈科; 郭双喜
4.基于大涡模拟的螺旋桨毂涡结构分析与建模 [J], 李鹏程;周伟新;刘登成;苟英迪;谢文汉;张震
5.基于CAESES的船用螺旋桨三维建模研究 [J], 王超;吴浩;韩康;赵雷明
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针对UG的螺旋叶片数控五轴加工技术分析
针对UG的螺旋叶片数控五轴加工技术分析摘要：我国的经济社会飞速发展，科学技术水平显著提升。
在加工制造行业中，数控技术的应用最为广泛。
我国大部分工厂引进了数控技术，生产了五轴数控机床，提高了产品生产效率，实现了预期加工目标。
值得注意的是，在数控技术应用过程中仍然螺旋叶片加工质量不高等问题，为了发挥数控技术的应用价值，需要以UG处理模块作为依托。
本文将具体探讨基于UG的螺旋叶片数控五轴加工技术，希望能为相关人士提供一些参考。
关键词：UG；螺旋叶片；数控五轴；加工技术引言随着现代科学技术的发展，机械行业随之迅速发展，加工出的零件形状变得复杂多样，传统的加工设备已无法满足现阶段的加工需求，因此传统的机械加工设备已渐渐淡出人们的视线，涌现出更加先进的加工设备。
熟练掌握计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing，CAM）技术是能够操作这类设备的关键掌握好多轴加工技术既能避免二次装夹的误差，也能减少加工时间，提高生产效率。
可见，熟练掌握CAM技术和多轴加工技术，对我国进入工业制造强国具有里程碑意义。
1数控机床概述1.1运行方式在科学技术迅猛发展的背景下，数控技术的应用更加广泛。
数控编程的工作主体主要是数控机床，数控机床对操作系统产生重要影响，因此工厂大多引进了这种自动化机床。
数控机床应用数字控制技术，内部存有自控制系统，系统能够自行输入编码、指令等，并对数控机床进行指挥。
数控机床识别指令信息，展开后续操作，完成零件的生产加工等，使零件的形状、尺寸与理想状态相贴合。
1.2组成要素一般来说，数控机床都是由三个部分组成的：第一是数控系统，第二是伺服系统，第三是机床主体。
第一部分为数控机床的中心，也是指挥数控机床的关键一环，数控系统可以自动运行加工程序，对零件生产加工数据进行逻辑运算。
在得到运算结果后，数控系统会将相关数据输送给伺服系统，伺服系统对机床进行控制，使机床运作生产。
数控系统是由计算机系统组成的，在计算机的作用下，开放式的数控系统形成，各种处理程序等也应运而生。
船用螺旋桨三维建模方法研究
０ 引 言
目前 ，螺 旋 桨仍 然是 经济 性较 好 、应 用 最广 的 一种船 舶推 进器 。设 计者 确 定螺旋 桨 的设 计参 数后 ，需
要 加工 桨模 进 行水池 试 验 ，或 者运 用计 算机 模拟 对 其性 能计 算分 析 。因此 ，快速 建立 精 确 、合 理 的三 维模
型 显得 非 常必 要 。
最大 厚度
导
最 大拱 度
弦长
图 １ 二 维 叶切 面
图２ ＮＡ Ｃ Ａ 二 维 切 面 型值 分 布
收 稿 日期 ：２ ０ １ ３ － ０ ５ — ０ ６ 第 一 作 者 简 介 ：张 磊 ， 男 ，助 理 工 程 师 ， １ ９ ８ ６年 生 。２ ０ １ ２年 毕业 于 大 连 理 工大 学船 舶 与海 洋 结 构 物 设 计 制 造 专业 ，现 从
事船 舶设 计 工 作 。
张
磊 ，等 ：船 用 螺 旋 桨 三 维 建 模 方 法 研 究
４ １
分布 的纵坐标值 ，把这些坐标值用光顺 曲线连接便是拱度线 （ 或中拱线 ） 。以最大厚度和厚度分布计算 出 该切 面沿 弦长 分布 的半 厚度值 。然后 根据 式 （ １ ）计算 出上 表面 （ 叶 背 ）和 下表 面 （ 叶面 ）的坐标 值 ［ ２ ］ ，由
Ｉ 螺旋 桨几何 特征
通 常 ，设计 螺旋 桨 需要确 定 其在 不 同半径 处 的弦长 、最 大拱度 和 最大 厚度 、螺距 、侧 斜和 纵 倾等 轮廓 参 数 的分布 。此 外 ，还 需要 己知 其 叶切面 纵坐 标 的分布 形 式 ，如 ：系列 图谱 设计 中，Ａ Ｕ 型、ＭＡ Ｕ型和 Ｂ 型螺 旋桨 叶切 面 的叶面 、 叶背纵 坐标 值直 接 以其 最大 厚度 的百 分 比分布 给 出【 ｌ 】 ；ＮＡＣ Ａ 系列 则分 别给 出拱 度 、厚度沿 弦 长 的分布 Ｌ ２ Ｊ 。
利用UGGRIP构建螺旋桨三维数字模型
Ｏ 引言 搅拌操作是工业反应过程的重要环节，广泛应用于
化工、食品、医药和发酵等领域。搅拌可以加快两种或 两种以上具有不同性质的物质相互问的分散速度，从而 达到快速均匀混合的目的。搅拌设备在传质及传热过 程中有着广泛的用途…，其中螺旋搅拌桨就是关键部件 之一，多采用不锈钢１ Ｃｒｌ８Ｎｉ９Ｔｉ材料制造螺旋搅拌桨。
伍，纠
Ｊ
ｏ（ｏ，０）
图５柱剖面上控制点阵的计算
￥￥生成离散点 ＤＯ／ＣＲＥＡＴＰ：，ｌ，１，１８ ＣＰｓＥＴ／ＣＨＯＲＤ，ＢＣ（Ｉ），０．０２５４，ＰＣ（Ｉ，１．．１０００） ＣＲＥＡＴＰ： ￥￥移动离散点至柱面
ＤＯ／ＭＯＶＰ：，Ｉ，ｌ，１８ ＤＯ／ＭＯＶＰ：，Ｊ，１，１０００
ＩＦ／ＰＣ（Ｉ，Ｊ）＝＝＆ＮＵＬＥＮＴ，ＪＵＭＰ／ＭＯＶＰ： ｏｂｔａｉｎ／ＰＣ（Ｉ，Ｊ），ｐｘ，ｐｙ，ｐｚ
４．００ ３４．９８
０．３ ３６．１７ ４０．４２ ７６．５９
３．５２ ３９．７６
图３桨叶伸张轮廓图
伸张轮廓图共有９个剖面，计算中要确定这９个 剖面的弦长和曲线控制点。螺旋桨结构尺寸见表１。 当螺旋桨开始工作时，叶片首先拨动水的一边称为导 边，而水流从叶片脱离的一边称为随边。Ｌ，、厶、厶分 别表示从中心线到随边、中心线到导边和最大厚度到 导边的距离。从导边至随边，曲线共有１３个点控制曲 线形状。螺旋桨桨叶切面型值见表２。
２ 螺旋桨型面特征分析及型值点计算
普通螺旋桨的桨叶为等螺距Ｐ螺旋面的一部分， 任何与螺旋桨共轴的圆柱面与叶面的交线为螺旋线 的一段，如图２所示。设圆柱面的半径为ｒ，则展开后 螺距三角形的底边长为２丌ｒ，节线与底线之间的夹角ｐ 为半径ｒ处的螺旋角，可根据如下公式确定：
ｐ＝ａｒｃｔａｎ［ｐ／（２＂ｒｒｒ）］
基于UG的船用螺旋桨CAD∕CAM计算机仿真系统的开发与建模
基于UG的船用螺旋桨CAD∕CAM计算机仿真系统的开发与建模UG( Unigraphics )是美国Siemens PLM Software公司产品——NX软件的前身，是流传甚广的三维实体造型和计算机辅助设计／计算机辅助制造（CAD/CAM）软件，被广泛应用于航天、汽车、模具、机械等行业领域。
船用螺旋桨是电力船或者航行性质高的船只必备的部件。
船用螺旋桨的设计对于电力船的航行性能影响非常大。
本文通过UG软件的开发与建模，着重介绍船用螺旋桨CAD/CAM计算机仿真系统的开发过程。
首先，编写代码实现开发。
在UG软件中，我们通过编写代码实现自己想要的功能。
因此在本项目中，通过编写代码实现了海船用螺旋桨的几何建模和翼型的绘制。
其次，进行参数化建模。
在参数化建模中，通过输入参数，就可以实现螺旋桨的自由开发和结构分析，其中包括几何造型分析、二次开发等。
参数化建模在设计中可以极大的提高设计效率，让我们快速的调整参数，得到我们想要的设计效果。
然后，进行仿真分析。
利用UG软件中开发的仿真模块，对海船用螺旋桨的结构强度和气动加热效果进行有限元分析和CFD分析，得到更加精确的设计参数。
仿真分析可以有效的避免了螺旋桨的结构问题，确保了螺旋桨的功能和性能。
最后，进行自动化加工。
在自动化加工中，通过插入CAM刀路，直接生成数控机床的加工程序，再通过数控机床进行加工，从而实现了自动化的加工。
自动化加工可以有效地提高加工效率，通过数控机床实现加工，使我们的螺旋桨制作更加精确和可靠。
总之，我们通过UG软件的开发与建模，实现了一个完整的CAD/CAM计算机仿真系统，对螺旋桨进行了全流程的设计与制造，从而达到高效、快捷、精确的设计与生产效果。
虽然开发过程中存在一定的技术难点，但是通过不断的努力和钻研，我们相信这个系统可以得到更广泛的应用，为电力船的发展做出贡献。
在这里，我们将对以下数据进行分析：1. 中国人口增长率2. 中国GDP增长率3. 全球二氧化碳排放量4. 美国失业率5. 日本年平均气温1. 中国人口增长率自1970年代以来，中国的人口增长率一直呈下降趋势。
船用螺旋桨桨叶五轴数控虚拟制造
訇 似
船 用螺旋桨桨 叶五 轴数 控虚 拟制 造
５－ Ａ ｘｉ ｓ ｎｕｍ ｅｒ ｉｃａｌ ｍ ａｃｈｉ ｎｉ ｎｇ ｓ ｉ ｍ ｕｌ ａ ｔ ｉ ｏｎ ｏｆ ｍ ａｒ ｉ ｎ ｅ ｐｒ ｏｐｅｌ ｌ ｅｒ ｂｌ ａｄｅｓ ｂ ａｓｅｄ ｏｎ ＵＧ
Ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ￣ ｝ ／ Ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ９ －０ １ ３ ４ ． ２ ０ １ ３ ． ０ １ （ 下） ． １ ６
０ 引言
船 用 螺 旋 桨 是 舰 船 的关 键 部 位 ，桨 叶 表 面 的 加 工 质 量 直 接 影 响 船 舶 的行 进 。螺 旋 桨 的 毛 坯 常 用 铸 造 件 ， 本 文 的 船 用 螺 旋 桨 的 桨 叶 材 料 为 碳
干 涉 等 问题 。
钢 ，具有 较 高 的强 度和较 好 的 塑性 与韧性 。同 时 ， 螺旋 桨 桨 叶是 典 型 的 自由 曲 面 零 件 ，形 状 复 杂 ，加 工 时容 易会 发 生过 切 和 干 涉 等现 象 。合 理
的 确 定 船 用 螺 旋 桨 叶 片 加 工 工 艺 ，对 于 提 高 螺 旋
接 起 来 的空 间 曲面 ，加 工 时 往 往在 叶 面 和 叶背 加 工 完 后 进 行 一 次 铣 削 修 正 即 可 。０ ． ２ Ｒ以下 的桨 叶 由 于 螺 旋 桨 零 件 图 中 没 有 给 出 相 应 的 桨 叶 型 值 点 ，依 据 其 他 文 献 所 述 也 是按 照 桨 叶 与 桨 背 的 加 工方 法加 工 。如 图１ 所示 。 由于本 文 的 螺旋 桨桨 叶 只有４ 叶 ，所 以不 存 在 加 工 过 程 中 出现 重 叠 区域 、桨 叶 加 工 时 会 出现 的
精度和效率。在分析桨叶的数控加工工艺的基础上，模拟五轴数控加工过程 ， 为实际数控加工 螺旋桨桨叶提供基础。 关键 词 ：五轴加工 ；虚拟制造 ；桨叶
基于参数化模型的船用螺旋桨的数控加工
基于参数化模型的船用螺旋桨的数控加工苟向锋，朱星辰（天津工业大学机械工程学院，天津300387）CNC machining of marine propeller based on parameterized modelGOU Xiang-feng ，ZHU Xing-chen（School of Mechanical Engineering ，Tiangong University ，Tianjin 300387，China ）Abstract ：To achieve parametric design and CNC machining of propellers袁parameterized mathematical equation for thesurface of the propeller blade is established based on the geometry and forming principle of the propeller blade.The processing technology of the propeller is analyzed袁and the tool position and the tool axis vector for 5-axis machining of propeller are calculated based on the parameterized mathematical equation of the C machining program was obtained by converting the tool position information into the motion coordinates.Finally袁the CNC simulation of the propeller was performed in Vericut.The results show that the design method based on parametric equations improves the design efficiency and accuracy of the blade surface.The simulation results verified the tool path and the CNC program袁meeted the processing requirements of the propeller.The CNCmachining calculation method based on parameterized mathematical model of blade can automatically generateCNC programs and improve the programming efficiency and machining accuracy of the propeller.Key words ：parameterized model ；propeller ；mathematical equation ；CNC machining ；machining simulation摘要：为实现螺旋桨的参数化设计及数控加工，根据螺旋桨桨叶的几何结构和成型原理建立桨叶曲面的参数化数学方程；分析螺旋桨的加工工艺，基于桨叶参数化数学方程计算五轴加工螺旋桨的刀位点和刀轴矢量，并通过后置处理将刀位信息转化为机床运动，得到数控加工程序，在Vericut 中进行螺旋桨数控加工仿真。
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系统的主要任务是为螺旋桨 的 Ｃ Ｍ 系统快速提供精确 的螺旋桨三维模型。 Ａ 螺旋桨的 Ｃ Ｍ 系统主要由 Ａ
４ 个模块和 １ 个知识库组成 ， 其中 ４个模块分别是螺旋桨的加工工艺决策模块、 优化加工方案模块、 后
置 处 理模 块和 知 识 管理 模块 ；知识 库 是 由工 艺知 识库 、 刀具 库 、切 削参 数库 、机 床 及后 处理 器库 和模 板 库等 组成 的广义 知识 库构 成 。广 义知 识库 里蕴 含 了企业 多 年积 累 的宝贵 经验 ，使 得在 Ｃ Ｄ／Ａ 操 Ａ Ｃ Ｍ 作 过 程 中减 少 或 者 取代 Ｃ ＮＣ 工 程 师 的判 断和 决 策 ，是 整 个 Ｃ ＡＭ 系 统 正 确 运 行 的基 础 和 保 障 。 船 用螺 旋桨 Ｃ Ｄ／Ａ 系统 运行 的过程 是 ： Ａ Ｃ Ｍ 首先 ， 通过 螺 旋桨 的参 数化 建模 系统 构建 螺旋 桨 的 Ｃ Ｄ Ａ 模 型 ；其 次 ，通 过模 板 的 匹配 、工 艺 决策和 加 工 向导 生成 螺旋 桨 的加 工 刀轨 ；最 后 ，通 过后 置处 理器 生 成螺 旋桨 的数控 代 码 。整 个过 程 仅需 很少 的交互 式 操作 ，就 能 实现 螺旋 桨 的快速 编 程 ， 降低 了对 工
人员 要 求很 高等 原 因 ，因此 Ｃ ＡＤ／ ＡＭ 系 统 尚未在 螺 旋桨 的数 控 编程 中发 挥重 要 作用 。 国外 的软件 科 Ｃ
技公 司对 螺 旋桨 Ｃ ／ＡＭ 技 术 的研 究 比较早 ，技 术相 对 比较成 熟 】 且 已经 为螺旋 桨 设计 了专 用 ＡＤＣ 。，而
的 Ｃ ＡＤ／ ＡＭ 软件 ，但 是对 我 国实行 技 术封 锁 ，软件 价 格 也极 其 昂贵 ，这 些不 利 因素 导致 了专 用 的 Ｃ Ｃ ＡＤ／ Ａ 软 件 在 我 国螺旋 桨制 造 企业 中 尚未得 到应 用 。 Ｃ Ｍ
软件 。首先运 用 ｖｃ ＋ ＋ 的编程 技术 实现 了螺旋 桨 的参数 化造 型 ；其 次应 用 知识
工程 技 术将 螺旋 桨 工程 技术 人 员多年 积 累 的知识 融合 到 Ｃ ＡＭ 系 统 中，实 现 了船用 螺 旋桨 智 能编程 系 统 的开 发 ，从而 达 到 了 Ｃ Ｄ／Ａ 系 统 的集 成 ，有效 地提 高 了螺 旋桨 的编 程效 率和 加 工质 量 ，缩 短 了 Ａ Ｃ Ｍ
螺 旋桨 作 为一 种应 用广 泛 的推 进 器 ，是 船舶 和 水下 航 行器 动 力系 统 的核 心部 件 ，其 设 计和 制造 状
况关 系着 以造 船 业 为代表 的重大装 备 制造 业 的水 平和地 位 【。传统 的螺 旋桨 设计 和 加工 方 法效 率极 低 ， １ ］ 加工 精 度达 不 到要 求 ，而 且对 工 人 的技 术水 平要 求 很 高 。随着 先进 的五轴 数控 加 工 中心 的 出现 ，螺 旋 桨 的数 控加 工 已成 为 必然 。 目前 ，国 内的螺 旋桨 制 造企 业 数控 编程 的方法 都 比较 落 后 ，某 些企 业 已经 引进 了通用 的 Ｃ ／ＡＭ 系 统 ，但是 由于 编程 操作 繁 琐复 杂 、重 复性 劳动 多 、 自动 化程 度 低 、对编 程 ＡＤ Ｃ
的二次开发工具 Ｕ ／ｐｎ ｒ ＧＯ ｅ Ｇｉ ｐ为工具开发 了船用螺旋桨 的参数 化建模 系统。 在此基 础上 ， 对螺旋桨数控编 针 程工作 目 前存在 的问题 ，将知 识工程技术引入螺旋桨 的数控编程 中，构建 了螺旋 桨的广义知识库和加工知 识
模 板。运用知 识推理进行 螺旋桨 的加 工工艺决策；并且在 ＵＧ 的平 台上 ，通过二次开发 技术完成 了船用螺旋
螺旋 桨 的设计 制 造周 期 。
收稿 日期 ：２ １－９１ ：修 改稿 收稿 日期 ：２ １．２２ ０ １０—９ ０２０—３
５ ３卷
第 １期 （ 总第 １９期 ） ９
张胜文， 基于 Ｕ 等： Ｇ的系列船用螺旋桨三维建模和数控编程技术研究
１ 系统 工作原理及组成
船 用 螺旋 桨 Ｃ Ｄ／Ａ 系 统 的工作 原 理如 图 １ 示 。螺旋 桨 的 Ｃ Ａ Ｃ Ｍ 所 ＡＤ 系统 主要 由 ２个模 块 和 １ 个 数 据 交换平 台组成 ，其 中 ２个模 块 分别 是螺 旋桨 的叶切面 型值 点 计算 模块 和基 于 Ｕ ／ ｐｎＧ ｉ 图形 Ｇ Ｏ ｅ ｒ ｐ的 绘 制模 块 ；１ 数据 交换 平 台主 要是 为 了获取 各类 螺旋 桨 的桨 叶轮廓 尺 寸数 据和 叶切 面尺 寸数 据 。 Ａ 个 Ｃ Ｄ
基 于 ＵＧ 的 系 列船 用螺 旋 桨 三 维 建 模 和 数 控 编 程 技 术 研 究
张胜文 ，徐 玲 ，方喜峰 ，朱成顺
（ 苏科技 大学现代制造技 术研 究所 ，镇 江 ２ ２ ０ 江 １０ ３）
摘
要
螺旋桨是一 类复 杂的 自由 曲面零件 ，根据螺旋桨 的主 要设 计数据和叶切面的投影原理 ，以 Ｖｃ ＋ Ｕ ＋ 和 Ｇ
５ ３卷
第 １ （ 期 总第 １９期 ） ９
中
国 造 船 、ｏ．３ Ｎｏ １ （ ｅｉｌ ． ９ ，１ ５ ． Ｓ ｒａ Ｎｏ １ ９）
Ｍ ａ ．２ ｌ ｔ ０２
２１ ０ ２年 ３ 月
Ｓ Ｐ ＨＩ ＢＵＩ ＬＤＩ ＮＧ ＯＦ ＣＨＩ ＮＡ
文 章 编 号 ： １０ ．８ ２ （ ０ ２ １ １２０ ０ ０４ ８ ２ １ ）０ ． ７ —５ ０
桨 的 自动数控编程系 统的开发 ，实现 了船用 螺旋桨 Ｃ ＤＣ Ｍ 系统的集成化 、 自 Ａ ／Ａ 动化和智 能化。
关 键 词 ：船用螺旋桨；Ｃ ＤＣ Ｍ；数控编程；知识工程 Ａ ／Ａ 中图分 类号 ：Ｕ ７． ； Ｐ ８ ６１ ９Ｔ １２ ９ 文 献标 识码 ：Ａ
０ 引 言
为 了缩 小 与 国外 的差 距 ，打 破 国外 的技 术封 锁 ，尽 早 实现 船 用螺 旋桨 的 自动 数控 编 程 技术 ，在 国
外通 用 的 Ｃ ／ Ａ ＡＤ Ｃ Ｍ 软件 的基 础 上 ，针对 螺旋 桨制 造 企业 的 需求 ，通 过二 次开 发工 具 开发 出适 合螺 旋
桨 的专用 的 Ｃ ／Ａ ＡＤ Ｃ Ｍ