叶片曲面造型与多坐标数控加工技术研究

徐炜

江苏科技大学 机械工程学院 215000 联系方式：186xxxxxxxx

摘要：

随着航空航天,汽车制造业的飞速发展,自由曲面广泛应用于复杂零件的形状表达,对于自由曲面类零件的加工需要在多坐标数控机床上进行,以便获得更高的加工效率和更好的加工质量。因此自由曲面造型与多坐标数控加工已成为CAD/CAM技术的一个重要研究方向。 本文对离心压缩机叶轮叶片的几何造型与数控加工技术进行了系统、深入的分析与研究,主要的研究工作为叶片曲面的非均匀B样条方法造型和多坐标数控加工刀具轨迹生成。主要研究内容如下:首先,对非均匀B样条曲线曲面相关算法进行了研究,并用C++语言和面向对象的程序设计方法实现了非均匀B样条曲线曲面的正算、反算、导矢等核心算法。通过Visual C++/MFC集成开发环境下的OpenGL程序创建,实现了叶片曲面的三维显示。

其次,在对自由曲面数控加工刀具轨迹的生成方法进行分析的基础上,本文采用等参数线法与等残留高度法两种方法生成叶片曲面数控加工刀具轨迹。采用等参数线法,计算出走刀行距、走刀步长、刀触点、刀位点以及刀轴矢量,完成了叶片数控加工刀具轨迹计算。。在对曲面微分几何特性的分析以及相邻切触点轨迹计算的基础上,采用等残留高法进行数控加工刀具轨迹的计算,使刀具按相邻刀具轨迹加工时所形成的残留高度保持为常数。采用这种方法加工曲面,曲面上所形成的刀痕高度处处相等,避免了走刀的冗余,大大提高了加工效率。通过球形刀刀具轨迹的计算,在Visual C++/OpenGL环境下实现了刀具轨迹的三维显示,结果表明迹线均匀分布在原叶片曲面的等距面上。

再次,对多坐标数控加工后置处理的特点进行了分析,结合四坐标数控机床的结构特点研究了四坐标数控机床的后置处理算法。

最后,通过后置处理算法生成的数控加工程序,用SL-EXSLWIN数控仿真软件对叶片加工过程进行了仿真,并在三坐标数控机床上完成试验加工,验证了相关算法的正确性。 关键词：叶片;自由曲面;非均匀B样条;数控加工;刀具轨迹生成。

ABSTRACT

引言

计算机辅助设计与制造(CAD／CAM)技术是近30年来工程技术领域中发展最迅速、最引人注目的高技术之一，它的崛起己成为工业生产现代化的重要标志，它的应用及发展正在深刻地引起一场产品工业设计与制造的技术革命，并对产业结构、产品结构、企业结构、管理结构、生产方式以及人才知识结构等方面带来深刻的影响。CAD，CAM技术被视为20世纪最杰出工程成就之一。随着市场竞争的日益激烈及全球市场的形成，21世纪企业竞争核心将是新产品的开发能力与制造能力，CAD／CAM技术是提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低产品生产成本的强有力手段。CAD／CAM技术的发展与应用水平是衡量一个国家科技现代化与工业现代化水平的重要标志之一。 1．1自由曲面造型技术概述

在工业生产中一些零件有着复杂的外形表面，而自由曲面又是工程领域中最复杂且经常遇到的曲面，在航空、造船、汽车、能源，国防等领域内有着广泛的应用，

如各种叶片

表面、模具的工作表面等都是空间自由曲面，其形状复杂，加工精度要求高。对自由曲面加工质量和加工效率的提高，在整个零部件的加工中起着至关重要的作用。在工程应用中，对于叶轮类零件的加工，最难解决的问题就是叶轮叶片的加工。因为叶片曲面及其轮廓曲线都不能像规则曲面体那样用二次方程来定义。构成叶片类的自由曲面由离散点或边界曲线来表示。在CAD／CAM技术之前，工程技

术人员利用很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40年代，样条方法就已经产生并得到了应用。

19xx年美国波音飞机公司的弗格森

(Ferguson)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，构造了组合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。

19xx年，美国麻省理工学院(MIT)的孔斯(coons)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。

19xx年法国雷诺(Renault)汽车公司的贝齐尔(Bezier)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，但仍有局部修改问题。

德布尔(de B00r)19xx年给出了关于B样条的一套标准算法。19xx年美国通用汽车公司的戈登(Gordon)和里森费尔(Riesenfeld)将B样条理论应用于形状描述，建立了B样条曲线、曲面的计算方法。B样条曲线、曲面具有良好的性质，它几乎继承了贝齐尔方法的一切优点，克服了贝齐尔方法存在的缺点，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。B样条方法较成功地解决了自由型曲线曲面形状的描述问题。然而，将其应用于圆锥截线及初等解析曲面时，却是不成功的，只能给出近似表示，不能满足大多数工业产品的要求。 19xx年，美国锡拉丘兹(Syracuse)大学的弗斯普里尔(Versprille)在他的博士论文中，将

B样条理论推广到有理形式，之后得到Piegl和Tiller等人完善与发展。80年代后期，非均匀有理B样条方法成为使用最广泛的曲线曲面的描述方法。美国国家标准(ANS)和国际标准化组织(ISO)关于工业产品数据交换的STEP标准相继将NURBs作为定义工业产品几何形状的惟一数学方法。但是NURBs方法并非十分完美，目前仍在发展之中，一些问题如权因子怎样影响曲线曲面的参数化及怎样确定合适的权因子等有待进一步研究。同时，对于拓扑结构比较复杂的曲面，NURBs方法使用起来有很大的不便，需要将复杂曲面分割为若干个简单曲面进行分别处理，然后再进行大量的曲面拼接才得以完成。

正文

1．3叶片数控加工概述

叶轮机械广泛地用于能源动力、航空航天、石油化工、冶金等行业，在国民经济和国防事业中发挥着巨大作用。叶轮叶片加工的复杂性在于其叶身部分由复杂曲面组成。根据叶片的几何形状，可将叶轮分为直纹面叶片叶轮和自由曲面叶片叶轮。对于可展直纹面叶片，可以用常规机械加工技术加工，而对于非可展直纹面和自由曲面叶片，则必须采用多坐标数控机床加工，如图1．2所示：

图1.2 五坐标数控机床加工叶轮类零件 有多种加工方法可用来加工叶片，如铸造成形后修光法、石蜡精密铸造法、电火花加工法、三坐标仿形加工等。这些加工方法在现在看来不仅效率低下，而且加工出的叶片质量差。数控加工方法因具有较短的生产周期和良好加工质量等优点而成为中小批量叶片加工的首选方式。到了上世纪80年代，随着CAD／CAM及数控技术的发展，数控机床的价格大幅度下降，

其应用也日益

普及，叶轮叶片的数控加工受到了人们的高度重视。

叶轮叶片的数控加工方法主要有两种：点铣法和侧铣法。点铣法是指用球头刀按叶片的流线方向逐行走刀，逐渐加工出叶片曲面。点铣法主要用于叶身为自由曲面的叶片。用这种加工方法加工出的叶片能较精确地符合叶片的设计型面，精度较高，而且走刀方向与流线方向基本一致。这样有利于保护叶片的气动性能。其不足之处在于该方法产生了不必要的程序细化，加工效率比较低。侧铣法利用圆柱铣刀或圆锥铣刀的侧刃铣削叶片曲面。主要用于叶身是直母线型曲面或是具有平坦方向的自由曲面的叶片。这种铣削方法与点铣法相比，显著改善了叶片的表面质量，提高了叶片的加工效率。但该方法对数控机床的要求较高，通常都要在四坐标、五坐标数控机床上完成。著名的美国NERC公司提供的资料就显示了其所开发的MAX5软件可为叶片和叶轮的四坐标数控侧铣编写数控代码。在该软件中采用了三项美国专利来解决用侧铣加工非可展直纹面的误差问题。

目前国内效率较高的叶轮叶片加工方法是分片侧铣法。分片侧铣是指按加工特征和工艺要求把叶片分成若干片，用侧铣的方法加工叶片。加工时首先用刀具侧刃加工最外边的一片，然后不断的进退刀以加工相邻的分片。理论上分片越多，叶片与刀具的接触线越短，加工精度就越高。但频繁的进退刀和更换装夹方式制约了加工效率的提高。著名的意大利C．B．F机床公司研制的五坐标叶片加工专用机床可以针对自由曲面叶片进行螺旋加工，快速完成典型叶片的叶身加工。其加工效率和加工质量均取得满意的结果。

目前，国内已有越来越多的厂家开始采用多坐标数控加工方法来生产加工叶轮叶片，使叶轮叶片的精度和强度均得到较大的提高，但由于国内还没有比较成熟的叶轮CAD／CAM专用软件系统，绝大多数厂家还依靠从国外引进的软件完成叶轮的加工。这些软件价格昂贵，令大多数厂家难以承受。同时，由于叶轮加工在军事工业中的重要地位，国外的专业软件公司都采用封闭的功能模块，对核心关键技术严格保密。因此，当厂家叶轮型号改变时，就难以使用专用软件自行获取数控代码。

参考文献

【l】宁汝新，赵汝嘉，欧宗瑛．CAD，CAM技术．北京：机械工业出版社，1999， 【2】袁哲俊．五坐标端铣数控加工理论分析．机械工程学报，v01．129，№．1，1993：3107． 【3】王小椿，吴序堂，李艳斌．密切曲率法——一种自由曲面加工的新概念．西安交通大学学报，1992，26(5)：5l8．

【4】王国瑾，汪国昭，郑建民．计算机辅助几何设计．北京：高等教育出版社，海德堡：施普林格出版社。2001．

致谢

衷心感谢江苏科技大学方喜峰教授在学习、生活上给与我的帮助。同时感谢李钦奉老师在试验过程中以我提供的指导与帮助。衷心感谢全体江苏科技大学数控中心的老师和同学，

他们帮助我克服了写作过程中遇到的困难。同时对关心和支持我的全体的同学表示感谢。

感谢所有关心和帮助过我的老师和同学们!

第二篇：建筑工程技术专业质量分析报告

建筑园林工程系2011-2012学年第一学期

建筑工程技术专业期末考试质量分析报告

建筑园林工程系2011--2012学年第一学期建筑工程技术专业期末考试已圆满完成。现对考试质量情况分析报告如下。

一、试卷来源及试卷总体评价

本次考试的试卷由建筑园林工程教研室的任课老师统一命题，每位教师按照所教授课程的知识内容和实际情况进行命题，命题完成后交教研室主任和系主任处进行审核，通过两级审核最终确定试卷内容。纵观整个试卷，本期末测查试卷是一份精心设计有价值的试卷，内容覆盖面广，重点突出，有一定的代表性，试卷题量适中，难易适度，有一定的层次性，分值分配合理,既注重对基础知识的考察，又注重对学生能力的培养、归纳，能较全面的检查学生对本学期所学基础知识的掌握情况。试卷按照学院要求的格式统一印制、装订，在试卷印制、装订、保管存放过程中严格保密，未出现试卷丢失、考题泄露等现象的发生。考试前的试卷发放过程，监考老师亲自到场领取试卷，并签字确认，直至考试开始前亲自打开试卷。

二、考试质量情况

本次考试班级数、参考学生数，设置考场场次，缺考人次，作弊人次。从总成绩来看优秀人数及优秀率，及格人数及及格率，不及格人数及不及格率等（或划分分数段）。

对专业主干课程和重点考试课目的考试质量情况应有单项的重点分析。

三、取得的成效

1.立足基础，恰当评价学生对基础知识和基本技能的理解和掌握情况。

建筑工程技术专业要求学生牢固掌握建筑工程中的基本常识，对于在建筑工程中经常用到的常识性知识，在考试中应该常抓不懈，保证学生一一过关，使学生牢固掌握，不至在工作中出现常识性低级错误。本次考试中学生基础知识的得分率相当高，对于建筑识图、建筑材料、建筑法规、项目管理等重点学科的基本常识做到了了如指掌。。

2.关注差异，不追求各门课程的整齐划一而追求评价最优化。 针对建筑工程技术专业各门课程内容结构的不同，根据各年级、各层次学生的培养目标的差异，在各门课程中采取了灵活的命题方式，即在学校统一的命题格式下，根据各门课程的特点，题型灵活多变，适当调整各类题型的比例，重点考察能够反映学生对本课程重点内容掌握情况的方面。如

3.补差帮困，因材施教颇有成效

全体教师本着面向全体学生，为每一位学生负责，让每一位学生进步的态度。加强补差的力度，强调补差帮困的实效性，激发学习兴趣，利用一些课余时间及时做好补缺、补差工作，力争做到日日清。

对学困生采取优先措施，如优先提问，优先辅导，优先面批作业等等，全面提高合格率。正是因为各班有提高合格率的具体措施和行为落实，我们的合格率在逐渐提高。

四、存在的问题

1. 2. 3. 4.

五、改进的措施

1.抓严抓实各项常规工作。

严抓各科教学计划的落实。学期开学后，我们要严抓各类计划的制订，要求专业教师在一周内制订好本学期的各项工作计划，要保证教学工作具有科学性、计划性、可行性，做到每项工作开展时有目标、有方案、有规划、有管理。同时制定各类教学计划时，要注意和加强可操作性，保证目标明确，计划合理，管理到位。

2.加强随堂听课。

新的学期，组织专业任课教师不定时走进课堂，深入教学第一线，以随时发现问题，及时加以指导、改进。随堂听课后将查教师的教案、听教师教学设想、看教师课后作业设计、问学生掌握情况等，并做好记载，提出建设性意见，敦促整改，使教师不断提高课堂教学能力，从而追求课堂教学的有效性。

3.认真组织开展好每次的教研活动。

要求教研组精心组织，定时间、定人员、有针对性，确保教研活

动有成效，让全体教师都能受益。加强集体备课，通过集体研讨，提

高教师对教材的整体把握能力。 建筑园林工程系 建筑园林工程教研室

20xx年 12 月 31 日