基于NX二次开发的直纹面叶片造型技术刘竞志，阎长罡 （大连交通大学机械工程学院，辽宁大连116028） 摘 要：总结了文献中叶轮造型的方法的优点与不足。提出使用NXGrip二次开发来提高计算和建模效率。使用MATLAB导入了叶片中面原始数据并生成了创建点和厚度数组的Grip代码。使用NXGrip二次开发创建了叶片的插值节点、三次B样条和直纹面。从工艺的角度对叶轮的结构进行了分析。对中面进行适当延伸，加厚并进行修剪得到叶片实体。对叶轮其它结构进行建模并最终生成可用于加工的叶轮模型。 关键词：直纹面；叶轮；NX；二次开发 0 引 言整体式叶轮是透平机械中的重要零件。由于其叶片曲面往往是非可展直纹面，使得叶轮零件的加工需要借助CAM技术以及五轴加工中心。因此，建立准确的、符合工艺要求的叶轮CAD模型便成为一个关键的步骤。 对于在CAD软件下建立叶轮模型，已有许多文献论述。许剑[1]在叶片上截取若干截面线串，这些截面线串包含了叶片侧面以及前缘、后缘的圆角，通过不断调整插值节点使曲线光顺，用UG的通过曲线组命令生成扫略曲面；庄伟娜[2]在叶片的截面线串的前、后缘处按照设计要求作圆，并不断调整截面线串的控制点使其在前、后缘处尽量贴合所作的圆。刘国田等[3]使用MATLAB编程反算出叶片的轴盘侧、盖盘侧曲线的控制点，以此为基础在CATIA中以扫描、填充的方式建立了叶片曲面。阎长罡[4]、贾国高[5]在反算控制顶点的基础上，将盖盘侧、轴盘侧上的点沿中面法线偏置不同的厚度，将计算结果在UG中以通过曲线组的方式建立叶片实体并建立叶轮实体。李群等[6]将叶片分为平面曲线叶片和空间曲线叶片两种，对于前者使用通过曲线组命令生成实体，对于后者提出在叶片片体两侧建立缝合面，将片体缝合成实体。 以上观点和方法的提出为叶轮零件的造型带来了很好的思路。但是，也存在以下几个方面的问题：1)在建立截面线串的过程中就开始考虑圆角的建立，这增加了操作的复杂度，同时圆角曲线还会影响到叶片曲线；2)使用通过曲线组建立的曲面不一定是直纹面，如果要对其进行侧铣操作，必须使用更加复杂的自由曲面侧铣工艺，加工难度大大增加；3)反算极点、偏置叶片厚度的过程应当充分发挥CAD集成软件的功能，交由软件来做；4)较少从工艺的角度对叶轮的结构进行讨论；5)原始点的导入、样条的建立重复操作较多，未提出提高工作效率的方法；6)片体缝合成实体的操作理论上可行。实际上由于建模公差的存在，缝合有时会失败。而且实体一旦生成，只能修剪，几乎不能光顺地延伸，这使得细小结构的处理变得困难。 有鉴于此，本文将从某叶轮零件叶片中面的轴盘侧、盖盘侧的原始点数据出发，使用NX Grip二次开发建立叶片的中面，并将原始数据点沿中面法向偏置各自的规定厚度，进而得到吸力、压力曲面，然后在交互式环境下，遵循“用片体修剪实体”的原则建立叶片实体以及其它结构的实体。 1 叶片曲面的造型1.1 直纹面概述 经典的微分几何教材中直纹面的定义如下所示[7]：  式中：C1:r*=a(u)称为直纹面的准线，C2:r**=I(u)称为直纹面的直纹。 直纹面还可以有如下定义[8]：  实际上在NX软件中，直纹面的建立是基于式(2)的[9]。容易理解，从r1*=r1(u)和r2*=r2(u)也就是直纹面的两条准线上取参数u相等的点，将这些点连成直线，无数条这样的直线构成了直纹面。 1.2 使用NX二次开发构造叶片直纹面 将点的数据导入NX软件，再将其连成样条，这是一个重复性的、很耗时的操作。为了将中面上的点沿中面的法线偏置规定的厚度，必须求出中面在这些点处的单位法向量。为此，可以考虑使用Grip二次开发语言进行中面、叶片曲面的样条线以及直纹面的创建。Grip语言中创建点的语句如下例所示：  表示建立实体数组pt1，容量为41个实体，第1个实体是一个点，坐标为（62.0270,46.7770,61.3210）。其它的点以此类推。而对于每个点处对应的叶片厚度，应使用数值数组表示：  显然写这种语句非常耗时。可以使用MATLAB写一段简短的程序，让它自动生成这些代码[10]。在运行这个程序之前，我们先用MATLAB的导入数据工具打开存有原始数据的Excel表格，选择轴盘侧的坐标数据并导入为矩阵，名称为POINTS1。接下来运行以下程序：  这样，41个点的创建命令就全部自动地写入inpp. grs这个文件中。同样的方法可以生成厚度数组的创建命令。盖盘侧相关数据也用这种方法处理。 接下来要对数据点进行B样条插值得到B曲线。Grip允许用户创建所谓“通过点”的B曲线，也就是说系统会在后台自动计算极点，不需要用户自己反算极点。顺便指出，这些原始数据点属于设计资料，不是测量数据，不需要使用“拟合样条”命令使样条逼近数据点，而是样条通过数据点即可[11]。用户可以定义样条的阶数，一般来说高阶的曲线能够比较好地拟合一些复杂的形状，但随之带来的是处理效率低下且数值稳定性差[12]。因此，工程上一般使用3阶样条。NX软件会自动根据用户指定的阶数和节点个数对曲线进行分段处理。具体的Grip代码如下（实体声明语句略去，下同）：  SPLN1和SPLN2分别为轴盘侧和盖盘侧中面的B曲线，作为中面的准线，为3次B样条曲线。face为直纹面，创建命令为RLDSRF，由SPLN1和SPLN2为准线以等参数（默认）方法对应而成，其原理就是式(2)。实际上为了建立这种对应关系，还需要定义曲线从哪个端点开始。pt1(1)和pt2(1)为两条曲线同一侧的端点。只有开始端点对应正确，两条线串上其它的点才会对应正确。 有了中面，就要求出在数值点处中面的单位法向量。将数据点沿单位法向量的正、负方向分别偏移0.5倍的厚度，得到吸力、压力曲面的插值节点。相关命令如下：  这里使用了do循环语句。snorf是求曲面法矢的函数，其输入形参除了曲面外，还有曲面上点的u,v参数坐标，而不是笛卡尔坐标[13]。这就需要先用OBTAIN函数获取点的笛卡尔坐标，再用sparf函数获取u,v参数坐标。UNITF是矢量单位化函数。pt11和pt12分别是两边的偏置点。以上只是轴盘侧两条叶片曲线的建立过程，盖盘侧的两条曲线的建立方法与此相同。使用RLDSRF函数分别建立吸力曲面、压力曲面，方法与中面的建立相同。 以上各部分编写完毕后，在程序后面加上结束语句halt。经过编译、连接，生成可执行的.grx文件。在NX中执行文件→执行→Grip命令，选择要执行的.grx文件，运行结果如图1所示。为了之后的操作方便，将各个插值节点和吸力曲面、压力曲面的样条线隐藏。但是中面的样条线保留，因为我们还需要它生成叶毂曲面和包覆曲面。 2 叶片实体的生成 图1 程序运行后得到的三张直纹面 2.1 三个重要的辅助面 叶毂曲面是由轴盘侧的样条线绕Z轴旋转一周后的旋转曲面，包覆曲面是盖盘侧的样条线绕Z轴旋转一周后的旋转曲面[14]，此外，叶盆的大外圆还可以构成一个圆柱面。这三个重要的辅助面将在叶片实体的生成中发挥作用。 前文中我们将中面上的点沿中面法向偏置厚度，这其实忽略了叶片与其它部分之间的联系。实际上，叶片的造型还要解决以下问题：1)轴盘侧要与叶毂曲面重合;2)盖盘侧要与包覆曲面重合;3)尾缘侧要与叶盆的大外圆重合。 问题1)是显然的。问题2)和问题3)不仅是结构上的需要，也是因为在叶片加工之前，需要把叶盆的大外圆车出或铣出，也要以包覆曲面为参考对毛坯进行车削或铣削。同时，叶片加工的编程过程中还需要用到“从包覆插补到叶毂”[15]这样的刀轨生成方法。如果这些地方出现台阶，将给工艺带来不必要的困难。而用以上方法生成的叶片曲面，如果直接设法实体化，恰恰就会出现一条棱边在辅助面内侧，而另一条棱边在辅助面外侧的情况。这是绝对不允许的。 2.2 叶片实体的生成与修剪 我们可以考虑将叶片适当扩大，再用辅助面将其修剪得到叶片实体。由于延伸实体比较困难，考虑将中面在轴盘侧、盖盘侧、尾缘侧适当延伸，加厚到一定厚度，能够将吸力、压力曲面的插值节点包容起来。将吸力、压力曲面也适当延伸，使其四条边在中面的加厚体之外。用吸力、压力曲面以及三个辅助面对中面的加厚体进行修剪，得到叶片实体，如图2所示。为了修剪叶片实体，包覆曲面和叶毂曲面也进行了延伸。  图2 用片体修剪叶片实体 3 其它实体的生成根据设计图样的要求，草绘叶盆的截面，旋转生成叶盆实体，再用叶毂曲面对实体进行修剪。在叶片前缘进行三面的面倒圆操作。对叶片进行阵列，将叶片与叶盆求和。生成叶片与叶盆之间的边倒圆。至此，叶轮模型创建完毕，最后的结果如图3所示。 ［参考文献］ [1]许剑.整体叶轮的五轴高速铣削加工与仿真[D].武汉:武汉理工大学,2011. [2]庄伟娜,周来水,安鲁陵,等.基于UG整体叶轮实体造型研究[J].中国制造业信息化,2008(5):35-37,42. [3]刘国田,宋瑞东,李松,等.基于CATIA的叶片曲面造型技术研究[J].现代机械,2015(2):43-46. [4]阎长罡.数控侧铣加工的几何学原理与方法[M].北京:科学出版社,2016. [5]阎长罡,贾国高.基于UGNX4.0的整体叶轮曲面造型[J].大连交通大学学报,2009(5):6-10. [6]李群,陈五一,单鹏,等.基于UG的复杂曲面叶轮三维造型及五轴数控加工技术研究[J].航天制造技术,2007(4):40-44. [7]王幼宁,刘继志.微分几何[M].北京:北京师范大学出版社,2003. [8]蔺小军,樊宁静,郭研,等.非可展直纹面侧铣刀位轨迹优化算法[J].机械工程学报,2014(9):136-141. [9]Siemens PLM Software.NX 11帮助.[DB/OL].https)://docs.plm. automation.siemens.com/tdoc/nx/11/nx_help/#uid):index,2016. [10]罗华飞.MATALBGUI设计学习手记[M].北京:北京航空航天大学出版社,2014. [11]北京兆迪科技有限公司.UGNX8.5曲面设计教程[M].北京:机械工业出版社,2013. [12]PIEGL L,TILLER W.非均匀有理B样条[M].北京：清华大学出版社,2010. [13]Siemens PLMSoftware.NXGRIP Reference Guide.[DB/OL].https): //docs.plm.automation.siemens.com/data_services/resources/nx/10 /nx_api/en_US/custom/grip/index.html,2015. [14]王睿.数控铣自动编程CAXA版[M].北京:北京理工大学出版社, 2014. [15]寇文化.UGNX8.0数控铣多轴加工工艺与编程[M].北京:化学工业出版社,2015. （编辑 明 涛） Modeling Technology of Ruled Surface Impeller Based on NX Secondary Development LIU Jingzhi,YAN Changgang Abstract：This paper summarizes advantages and shortcomings of impeller modeling methods reported in literature.NX Grip secondary development is used to improve the efficiency of calculation and modeling.MATLAB is used to import the initial data of blade’s middle surface,and generate the Grip code to create the arrays of points and the thickness data.NX Grip secondary development is used to create interpolation nodes,cubic B-splines and ruled surfaces.The structure of the impeller is analyzed based on production processes.The middle surface is properly extended,thickened and clipped to create the blade entity.Model of other structures of impeller are built to obtain impeller model which can be used in the manufacture processing. Key words：ruled surface;impeller;NX;secondary development 中图分类号：TG 547 文献标志码：A 文章编号：1002-2333（2017）07-0019-03 作者简介：刘竞志（1992—），男，硕士研究生，主要研究方向为复杂曲面的加工。阎长罡（1971—），男，博士，硕士生导师，副教授，研究方向为复杂曲面的设计与加工等。 收稿日期：2016-11-27 基金项目：辽宁省自然科学基金项目(201602139) |
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