摘 要 本文以形状复杂的水轮机轴流式转轮为例，研究了将AutoCAD与UNIGRAPHICS相结合对复杂外形零件进行几何造型设计的方法，指出利用AutoCAD做有关前期工作，与配备有大型CAD/CAM软件的单位外协合作完成设计，是企业既节约开支和时间又提高设计质量的一条有效措施.
关键词 复杂外形零件；AutoCAD；UNIGRAPHICS；几何造型
中图资料分类号 TP 39.72
A STUDY OF THE GEOMETRIC MODELING OF THE
COMPLEX ConTOUR PARTS WITH CAD/CAM
Wang Sui
(Dept. of Engineering Graphics, Guangdong Industrial Univ.)
Abstract Taking the complex contour wheeling-rotating as an example, the paper studies the geometric modeling of the complex contour parts by means of both AutoCAD and UNIGRAPHICS. It points out that the use of AutoCAD in the first phase of the design work should be carried out in close cooperation with those units which possess large CAD/CAM graphic software so as to produce design. Such an approach is an effective measure to reduce expenses and save time. Moreover,it improves the quality of design for the enterprise.
Key words complex contour part； AutoCAD； UNIGRAPHICS； geometric modeling
在机电产品的设计和制造中，有许多零件外形复杂，数学描述不方便，二维图表现不易明确，给设计表达和加工编程造成一定的困难.一直以来，复杂外形零件的CAD几何造型是难度较大的研究课题，一般的机械CAD软件不易做到.如利用UNIGRAPHICS、Pro/E、EUCLID、CATIA、I-deas等大型CAD/CAM软件的几何造型系统和复杂的型面设计特点，可以进行复杂外形零件的几何造型，但这类软件以及与之相匹配的计算机工作站或高档微机价格昂贵，非一般企业能够承担，而与有条件的企业搞协作设计，上机费用也比较贵.因此，利用AutoCAD做有关前期工作，通过数据转换后与配备有大型CAD/CAM软件的单位外协合作完成设计和数控加工编程，是企业既节约开支和时间又提高设计质量的一条实际措施.本文以水轮机轴流式转轮叶片零件为例，探讨AutoCAD与UNIGRAPHICS相结合的设计方法的可行性.
1 数据的输入和转换
水轮机轴流式转轮由叶片和带有上冠、下环的转轮体组成，叶片通常是复杂的雕塑曲面体，其型线和型面必须严格按要求进行设计才能保证机组具有较高的动力性和经济性.传统设计多采用木模图进行，但木模图绘制出的数据量有限，在测量、加工时会产生较大误差.采用计算机辅助设计的相关功能，实现叶片的造型，可以大大提高设计质量.该零件造型设计的依据是来源于样件测量的原始数据，采用截面图来描述，不同的截面高度定义Z坐标，由截面定义X、Y坐标，因而，首要问题是解决数据输入.设计中利用AutoCAD函数功能读入这些空间点，按空间截面线在AutoCAD中分别作B样条曲线，利用AutoCAD的DXF或IGES接口生成DXF或IGES接口文件，完成数据转换.再用UNIGRAPHICS软件读入这些曲线.其过程如图1所示.
图1 数据传递过程
Fig.1 Fhe process of data transmiting
2 零件造型
2.1 叶片的三维造型
2.1.1 建立叶片截面曲线
1)运行UNIGRAPHICS;
2)读入由AutoCAD转换生成的DXF或IGES接口文件的截面数据;
3)对叶片正、背面分别建立三阶B样条，利用叶片截面的正背面样条断点以及样件测量的圆角半径建立进水边圆角；
4)重复2)、3)步骤，直到在UNIGRAPHICS环境下建立叶片全部截面曲线，如图2所示.
2.1.2 建立叶片曲面
图2 以截面图描述的叶片曲线
Fig.2 The vane curve described by section
1)此例由于截面曲线较多，采用双补片来构造曲面，利用Creat→Free Form Feature(创建→自由形状特征)中的Through Curves(过曲线)选项及Parameter(参数)造型方法，为上述叶片截面样条建立一曲面.
2)利用各截面样条出水边端点，于叶片正背面分别建立两条曲线，利用Creat→Free Form Feature(创建→自由形状特征)的Ruled(直纹)选项建立直纹面；
3) 利用Creat→Feature(创建→特征)中的Sew(缝)选项，将生成的样条曲面和出水边直纹面逐一缝合成一个整体，如图3所示.
图3 叶片的曲面造型
Fig.3 The surface modeling of vane
2.2 转轮体的造型
在制造中，轴流式转轮是由一组等角距的叶片连接在带有上冠、下环的转轮体上而成的.根据叶片的造型结果，可以按结构要求对转轮体进行造型.将叶片正面与上冠、下环相连的边缘投影到XZ屏幕上，以此投影线作母线绕Z轴旋转生成回转面，用正、背面去Trim(修整)得到“带状”回转面，采用sketch(草图)功能作出母线，采用Feature→Body of Revolution(特征→旋转体)造出转轮体上的上冠、下环如图4所示.
图4 转轮体的上冠、下环造型
Fig.4 The upper crown and lower ring modeling of turn wheel-body
2.3 转轮整体造型
将上述方法造出的叶片按圆周上布置的总叶片数与转轮体组合，采用Edit/Transform→Rotate about a line（选择Z轴）→Copy（编辑/变换→绕固定轴旋转→复制）至要求叶片个数的方法，再和转轮体上的上冠、下环United（组合)组成整体转轮如图5所示.
图5 转轮整体造型
Fig.5 The whole modeling of turn wheel
3 5轴联动加工叶片的刀位计算
3.1 叶片加工位置的确定
通常叶片在机床上的加工工位并非是前述的几何造型位置，必须根据具体的机床结构和装夹方式将叶片变换到加工工位，由于叶片形状是复杂的雕塑曲面体，加工前是砂型铸造毛坯，而且，一般水轮机叶片都很重，如何利用软件解决装夹找正是重要的一步，此处采用Edit/Transform（编辑/变换)中Translate(平移)和Rotate(旋转)功能将叶片变换到加工工位位置，并根据机床具体情况，设定机床坐标系.
3.2 轴联动加工刀位计算
在加工中，叶片加工工艺通常是根据叶片加工部位、机床类型及刀具的切削参数等来制订，根据余量分布情况和机床的NC铣头功能，对叶片每个面一般要分多次初铣和一次精铣.每个加工面的具体情况不同，采用控制刀轴矢量的方法也不同.UNIGRAPHICS对曲面加工有多种刀轴控制方法.
从加工效率和叶片特点来看，加工时一般采用面铣刀端铣，可用同一直径的面铣刀，也可采用不同直径的面铣刀分区域铣，以提高加工效率，究竟采用多大直径的面铣刀，可借助Iofo/Curvature→Surface(分析/曲率→外表)分析曲面的曲率，根据曲率的分布情况选择刀具直径.
根据加工的合理性，应分别编出粗、精铣的加工程序，因粗、精铣的切削参数，在Step Method(分步法)及Gouge Check(凿孔检验)区域不同，但都采用Paramenter Line(参数线)走刀.在计算粗铣刀位时，将叶片曲面从上冠到下环分成两个或三个区域，对于不同区域用不同直径的面铣刀，对于曲率较大的区域Gougecheck off(凿孔检验关闭)，曲率或曲率半径比变化大的区域可采用较小直径的面铣刀，Step Method(分步法)采用Number of points(点数据)并且Gouge check on(凿孔检验开启).粗加工给定每层的Stock(加工量)，精加工时采用同一直径的刀，Step Method(分步法)采用Stepping and Scallop Ht Method(分步和扇形方式)按粗糙度要求给定残余高度.
4 小 结
(1)在外形复杂的零件设计中数据处理量较大，利用AutoCAD做设计的前期工作，可以将大量的数据输入和处理任务放在一般微机上进行，可以大大节省企业费用.
(2)利用AutoCAD函数功能读入叶片测量的空间点，按空间截面线在AutoCAD中分别作B样条曲线时，应将明显的坏点剔除，曲线的光顺处理进入UNIGRAPHICS以后进行.
(3)叶片测量出的空间点实际上是B样条插值曲线上的型值点，在UNIGRAPHICS中过型点的3次B样条曲线要比5次B样条曲线光顺得多，并非一般人们认为B样条曲线的阶数越高曲线就越光顺，处理时要慎重.
(4)在构造B样条曲面时，对于截面曲线数超过25条的型面，采用多补片构造曲面.这样可解决曲面边界平滑过渡问题.
(5)在叶片建立过程中，建立样条和曲面缝合时所需公差值均要预先设置，在缝合时，误差值必要时需进行调整，保证缝合顺利进行.
