一種復(fù)雜曲面的分層光順方法
【專利摘要】一種復(fù)雜曲面的分層光順方法，該方法具體步驟如下：步驟一、采用三次B樣條曲線分別插值給定的設(shè)計數(shù)據(jù)點得到所有截形線即公差基線；步驟二、對每條截形線進行光順，放樣得到基準(zhǔn)曲面；步驟三、在曲面上按照預(yù)定方法抽取三條等曲率線作為龍骨線，將其分別投影到與龍骨線所在曲面點的平均法矢量張成的直紋面上，得到三條投影龍骨線；步驟四、在投影平面內(nèi)以截形線的縮放、旋轉(zhuǎn)和平移變換滿足截形線輪廓度、位置度與扭角公差為約束條件，對投影龍骨線整體進行光順，從而得到截形線的變換量，重新放樣得到光順的曲面。本發(fā)明將曲面光順問題轉(zhuǎn)化成曲面截形線與龍骨線的光順，使問題大大簡化，保證光順之后的曲面能夠滿足設(shè)計與加工的要求。
【專利說明】—種復(fù)雜曲面的分層光順方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種復(fù)雜曲面的光順方法，尤其涉及一種復(fù)雜曲面的分層光順方法，屬于CAD/CAM【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]航空發(fā)動機葉片等重要復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)零件中的設(shè)計數(shù)據(jù)通常是以截面線上離散數(shù)據(jù)點的形式給出，這些點通常是根據(jù)氣動性能的需要而設(shè)計的，大多數(shù)點只考慮了其O階特性而未考慮其I階以上的特性，因此僅僅依靠這些數(shù)據(jù)點擬合出的型面并不光順，這樣會導(dǎo)致數(shù)控加工時發(fā)生嚴(yán)重刀軌波動，影響葉片等復(fù)雜曲面的加工質(zhì)量。因此，對于復(fù)雜曲面的設(shè)計數(shù)據(jù)，為了保證加工的要求，通常需要對其進行光順處理，即對復(fù)雜曲面的數(shù)學(xué)模型進行精細設(shè)計或再設(shè)計。
[0003]現(xiàn)有的復(fù)雜曲面光順的方法已經(jīng)有多種:
[0004]現(xiàn)有技術(shù)一:曲面整體光順法。該方法通過對樣條剪力躍度或彈性薄板應(yīng)變能進行簡化得到具有明確物理意義和幾何意義的能量函數(shù)，將能量函數(shù)值最小作為光順準(zhǔn)則修改曲面控制頂點使曲面趨于圓滑。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)二:曲面局部光順法。該方法通過分析曲面的等曲率線、等照度線或反射線等找出曲面不光順區(qū)域，然后對該區(qū)域的型值點(即“壞點”)進行修改，在局部區(qū)域?qū)η孢M行光順。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)一將曲面的能量函數(shù)值最小作為光順準(zhǔn)則計算量大，而且對于葉片這種特殊的NURBS曲面，并不能起到較好的光順效果，尤其是對于前后緣。
[0007]現(xiàn)有技術(shù)二適合于壞點較少的情況，當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)多個壞點時，光順效果往往比較差?？傊侥壳盀橹?，關(guān)于曲面光順的方法還非常有限。
[0008]它們的共同特征是將曲面的全部或者部分控制頂點統(tǒng)一作為設(shè)計變量進行優(yōu)化，這種方法通常會忽視曲面設(shè)計時對于截形線等單獨提出的公差要求，而實際情況是，流體機械通常對復(fù)雜曲面的設(shè)計采用獨立原則分別給定了公差值，包括線輪廓度、扭角位置度、坐標(biāo)原點位置度等。另一方面，曲面光順問題是一個優(yōu)化設(shè)計問題，當(dāng)設(shè)計變量過多時該問題很難收斂。相對而言，關(guān)于曲線的光順技術(shù)已經(jīng)比較成熟，每條曲線需要的設(shè)計變量很少，因此易于求解。如果把復(fù)雜曲面的光順問題轉(zhuǎn)化成若干曲線的光順問題，則復(fù)雜曲面的光順問題可以得到大幅度簡化，而且容易實施。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]1、目的:本發(fā)明的目的是提供一種復(fù)雜曲面的分層光順方法，以提高復(fù)雜曲面的造型質(zhì)量，為其后續(xù)精密數(shù)控加工的加工質(zhì)量提供保障，具有實際的工程應(yīng)用價值。
[0010]2、技術(shù)方案:本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。
[0011]本發(fā)明不僅考慮了曲面設(shè)計與加工時對于截形線提出的公差要求，而且巧妙的將復(fù)雜曲面光順問題轉(zhuǎn)化成兩層曲線光順問題。在滿足公差要求的前提下對截形線進行適當(dāng)縮放、平移和旋轉(zhuǎn)等變化，以保證龍骨線盡量光順，從而使放樣曲面光順。直觀的理解，假定截形線與龍骨線通過交點焊接，當(dāng)對龍骨線進行光順時，截形線會隨之發(fā)生變化，這種變化只能是平面內(nèi)的平移與旋轉(zhuǎn)整體變化。如果保證截形線的所有變化都滿足公差要求，則龍骨線也可以盡量的光順，這就是本發(fā)明的關(guān)鍵所在。
[0012]本發(fā)明一種復(fù)雜曲面的分層光順方法，該方法具體步驟如下:
[0013]步驟一、采用三次B樣條曲線分別插值給定的設(shè)計數(shù)據(jù)點得到所有截形線(公差基線)。
[0014]步驟二、對每條截形線進行光順，放樣得到基準(zhǔn)曲面；
[0015]步驟三、在曲面上按照預(yù)定方法抽取三條等曲率線作為龍骨線，將其分別投影到與龍骨線所在曲面點的平均法矢量張成的直紋面上，得到三條投影龍骨線；
[0016]步驟四、在投影平面內(nèi)以截形線的縮放、旋轉(zhuǎn)和平移變換滿足截形線輪廓度、位置度與扭角公差為約束條件，對投影龍骨線整體進行光順，從而得到截形線的變換量，重新放樣得到光順的曲面。
[0017]其中，步驟一中鑒于離散點所表示曲線與插值曲線誤差較小，且插值曲線具有合理的切線特征，因此可以采用插值曲線作為公差表示的基線。
[0018]其中，步驟二中光順之后的截形線會存在偏差，這個偏差必須滿足截形線的部分線輪廓度公差。實際上截形線的線輪廓公差可以用于兩部分:截形線光順偏差與截形線縮放量。
[0019]其中，步驟三中三條龍骨線抽取方法為:在曲面邊緣處抽取一條較穩(wěn)定的等曲率線作為起點，偏移指定的參數(shù)值在曲面上選取另外兩條等曲率線。由于空間曲線較難光順，所以對三條龍骨線進行投影以轉(zhuǎn)化成直紋面上投影曲線的光順；
[0020]其中，步驟四中投影龍骨線的光順偏差反映到截形線上為三個點的變化，而三點的變化可以大致確定截形線的兩個平移、一個旋轉(zhuǎn)共三個自由度的變化。因此，可以以截形線的三個自由度變化必須滿足位置度與扭角公差要求為約束條件對投影龍骨線按照預(yù)定的準(zhǔn)則整體進行光順，從而得到最理想的截形線變換。
[0021]3、優(yōu)點與功效:本發(fā)明將曲面光順問題轉(zhuǎn)化成曲面截形線與龍骨線的光順，使問題大大簡化，而且在光順中嚴(yán)格考慮了曲面截形線設(shè)計的線輪廓度、原點位置度和扭角公差，保證光順之后的曲面能夠滿足設(shè)計與加工的要求。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0022]圖1是一種封閉曲面分層光順的示意圖。圖中，曲面的主體骨架可以分解成t條截形線(圖中t=4)和3條龍骨線組成，其中的每條龍骨線可以是曲面上的實體線，也可以是根據(jù)實體線定義的與設(shè)計曲面具有確定關(guān)系的其它曲線，如兩條截形線的平分線等(本發(fā)明采用的是等曲率線)。曲面的光順問題可以分解成截形線的光順和龍骨線族的光順問題。在曲面上選擇一條較穩(wěn)定的等曲率線(如S1)作為所有曲線的起點，并按指定參數(shù)在曲面上選定另兩條線S2和S3。分別選擇龍骨線所在曲面點處的平均法矢量張成的直紋面作為投影面，將三條龍骨線分別向各自的投影面投影得到三條投影龍骨線Spl、Sp2、Sp3。在光順過程中，這些投影龍骨線將隨著截形線的光順而變動。對t條截面線和3條投影龍骨線進行光順就可以實現(xiàn)整個曲面的光順。實際上，每條截形線控制曲面的橫向光順性，而3條投影龍骨線則可控制曲面的扭曲和彎曲。
[0023]圖2是單一截面的截形線插值示意圖。鑒于離散點所表示曲線與插值曲線誤差較小，且插值曲線具有合理的切線特征，因此采用插值曲線作為公差表示的基線具有更大的方便性。插值曲線光順性并不一定好，所以可以將截形線的一部分線輪廓公差用于截形線的光順。通過插值所得截形線可以放樣成一張曲面，該曲面可以作為基準(zhǔn)曲面。
[0024]圖3是單一截面的截形線縮放示意圖。由于偏置變換并不改變曲線的光順性，但適當(dāng)?shù)钠脜s能提高曲面縱向的光順性，因此可以在截形線輪廓度中保留一定的偏置公差來實現(xiàn)。
[0025]圖4是單一截面的截形線旋轉(zhuǎn)示意圖。流體機械通常容許較大的扭角公差，這當(dāng)然主要是考慮到曲面的加工變形等原因的需要。如果變形量能減小一些，其扭轉(zhuǎn)公差可以保留一部分用于龍骨線的光順。
[0026]圖5是單一截面的截形線平移示意圖。同扭轉(zhuǎn)公差一樣，考慮到變形等因素，流體曲面設(shè)計時還設(shè)計了坐標(biāo)原點的適度變化，這種變化中的少量用于曲面光順則可以顯著提高曲面的質(zhì)量。
[0027]圖6是本發(fā)明曲面分層光順的流程圖。
[0028]圖中符號說明如下:
[0029]圖1:S1、S2、S3一二條龍骨線；Spl、Sp2、Sp3一二條投影龍骨線；
[0030]Pu—龍骨線與截形線的交點。
[0031]圖2:Ca，1、Ctu—截形線輪廓度上下限；CM、Cti一用于截形線光順的公差上下限；
[0032]Cm—公差基線；δ j一用于截形線光順的公差；
[0033]Δ一線輪廓度公差；Ρη、Pu、Pu—龍骨線與截形線交點
[0034]圖3:Cg, 1、Ch, i—截形線縮放上下限；δ 2—截形線縮放公差
[0035]圖4:Λ α —截形線旋轉(zhuǎn)角
[0036]圖5:Λ X，Δ y一截形線平移量
【具體實施方式】:
[0037]見圖1一6，本發(fā)明的具體實施步驟如下:
[0038]步驟一、已知給定的一組數(shù)據(jù)點(即型值點)Pi (i=0，I,…m)，m+l為型值點的數(shù)目。采用參數(shù)三次非均勻B樣條曲線插值這組數(shù)據(jù)點得到樣條曲線，方程為:
【權(quán)利要求】
1.一種復(fù)雜曲面的分層光順方法，其特征在于:該方法具體步驟如下: 步驟一、采用三次B樣條曲線分別插值給定的設(shè)計數(shù)據(jù)點得到所有截形線即公差基線.步驟二、對每條截形線進行光順，放樣得到基準(zhǔn)曲面； 步驟三、在曲面上按照預(yù)定方法抽取三條等曲率線作為龍骨線，將其分別投影到與龍骨線所在曲面點的平均法矢量張成的直紋面上，得到三條投影龍骨線； 步驟四、在投影平面內(nèi)以截形線的縮放、旋轉(zhuǎn)和平移變換滿足截形線輪廓度、位置度與扭角公差為約束條件，對投影龍骨線整體進行光順，從而得到截形線的變換量，重新放樣得到光順的曲面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)雜曲面的分層光順方法，其特征在于:步驟一中鑒于離散點所表示曲線與插值曲線誤差較小，且插值曲線具有合理的切線特征，因此采用插值曲線作為公差表示的基線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)雜曲面的分層光順方法，其特征在于:步驟二中光順之后的截形線會存在偏差，這個偏差必須滿足截形線的部分線輪廓度公差；實際上截形線的線輪廓公差用于兩部分:截形線光順偏差與截形線縮放量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)雜曲面的分層光順方法，其特征在于:步驟三中三條龍骨線抽取方法為:在曲面邊緣處抽取一條較穩(wěn)定的等曲率線作為起點，偏移指定的參數(shù)值在曲面上選取另外兩條等曲率線，由于空間曲線較難光順，所以對三條龍骨線進行投影以轉(zhuǎn)化成直紋面上投影曲線的光順。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)雜曲面的分層光順方法，其特征在于:步驟四中投影龍骨線的光順偏差反映到截形線上為三個點的變化，而三點的變化大致確定截形線的兩個平移、一個旋轉(zhuǎn)共三個自由度的變化；因此，以截形線的三個自由度變化必須滿足位置度與扭角公差要求為約束條件對投影龍骨線按照預(yù)定的準(zhǔn)則整體進行光順，從而得到最理想的截形線變換。
【文檔編號】G06F17/50GK103761389SQ201410025828
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月20日
【發(fā)明者】陳志同, 江澤鵬, 吳獻珍, 徐義平 申請人:北京航空航天大學(xué), 昌河飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司