面向数控加工的船模曲面三维造型方法研究

面向数控加工的船模曲面三维造型方法研究

0船模曲面造型船模型是根据船体的形状和图纸，在一定比例内缩小制造的船体模型。这是报告实际船只航行性能和为船只科学研究和教育而提供重要工具的重要工具。船模曲面是具有双曲度的、复杂的空间自由曲面,在计算机上的三维造型(简称船模曲面的三维造型)是实现船模数控加工的关键技术之一。当前关于船模曲面的三维造型技术,国内外文献还很少见,一般的做法是借鉴船体曲面的三维造型技术。关于船体曲面三维造型的研究始于1977年,直到20世纪90年代初船体曲面的设计主要采用B样条曲线曲面技术。20世纪90年代中期以后,NURBS方法开始被应用于船体曲面造型。关于NURBS方法构造船体曲面的关键技术及其实现方法,国外文献一般很少介绍,国内虽有一些文献进行了介绍,但由于船体和船模在尺寸、材质、制造方面都存在巨大的差别,船体曲面三维造型的结果,还不适用于实际船模曲面的数控加工。因此,本文根据船模曲面的具体特点,开发满足船模曲面数控加工要求的三维造型方法。1船部分的型线船模的尺寸是根据船体的尺寸缩小一定比例得到的,因此船体的型值表和型线图也是船模曲面造型的主要依据和检验标准。图1为船体型线的形成示意图(因篇幅所限,只给出船艏部分),型线是型表面上相互垂直的三族平面截线(水线、横剖线、纵剖线),三族型线的交点叫做型值点。船体的型线图是以三视图的形式表达的,部分型值点的坐标由型值表反映。船模曲面造型的主要要求为:由于型线较型值点蕴涵更多的设计信息,因此船模曲面不仅要涵盖所有的型值点,而且要涵盖尽可能多的型线,以实现船模曲面的精确造型;船模曲面要光顺,以减小船模在水中的运动阻力。2船模曲面的造型方法由船模曲面三维造型的依据和要求可知,船模曲面的造型属于曲面插值的问题。根据插值信息量的多少,曲面插值可以分为2类:插值型值点,例如张量积(TensionProduct)曲面与三角曲面的插值等;插值型线,也称超限插值,例如蒙皮法(SkinningSurface)与过曲线网格法(ThroughCurveMesh)等。由于船模的型线不仅是光顺的,而且涵盖了所有型值点,并且三族型线在空间相互交织构成了一张船模曲面的3-D网格结构,船模曲面的造型只有尽可能地插值这三族型线,才能最大限度地保留船模曲面的形状设计信息,实现船模曲面精确而光顺的造型,因此插值型值点的曲面造型方法不适合于船模曲面的造型。现基于UG,本文利用插值型线的2种曲面造型方法(蒙皮法和过曲线网格法),分别构造船模曲面,并对造型效果进行分析比较。2.1骨架上的滑动的皮该法构成的插值曲面,可形象地看成为一张蒙在由一组截面曲线构成的骨架上的光滑的皮。由于该法要求被插值的一组曲线,方向大致平行且不能相交,因此将该法应用于船模曲面的造型时,只能利用三族型线中的一族,因此造型精度和光顺效果不够理想(图2)。2.2族型线的设计该法不是插值在同一参数方向的一组曲线,而是插值沿2个参数方向的2组曲线,因此将该法应用于船模曲面的插值时,能最大限度地利用三族型线,所构造的船模曲面蕴涵更多的设计信息。但是由于该法要求沿2个参数方向的2组曲线之间必须两两相交,同一组曲线之间又不能相交,因此艏艉的造型不能同时利用三族型线。尽管如此,相对于蒙面法,该法的造型精度和光顺效果有了明显改善(图3),应该选择过曲线网格法为船模曲面三维造型的主要方法。3扑矩形网格采用过曲线网格法进行曲面造型的关键是构造拓扑矩形曲线网格。船模曲面除舯体曲面满足要求外,艏艉曲面一般不满足要求,因此必须通过局部区域包容方案和分片造型方案满足该法的造型要求。3.1开轴口包装法船模曲面局部区域包容的主要目的为了满足过曲线网格法的条件,以保证整体的造型精度。但是局部区域包容会造成船模曲面加工的欠切削,增加后续工作量,因此应当对局部包容的空间区域体积严格控制。如图4所示,由于双艉船模出轴口处形状的突变和复杂,在该处的2族型线(横剖线和水线)不完全相交,因此在该处不能采用过曲线网格法。为了采用过曲线网格法以保证整体的造型精度,应将该局部区域进行包容:包容出轴口与船体之间狭小的空间区域。对出轴口与船体之间空间区域的包容,意味着该区域内材料的去除不能通过数控加工来实现,只能通过手工修复来完成。由于被包容的空间区域狭小,加之船模的材料是木材,手工修复量非常小;同时包容方案也有助于提高出轴口处的刚度和强度,防止出轴口在切削力作用下产生过大的变形、振动,甚至折断,因此该包容方案是现实可行的。3.2船模的整体造型由于双艉船模曲面的复杂性,采用一种造型方法难以实现船模曲面的精确造型,因此应当对船模曲面进行分片,根据各片体的形状特点采用不同的造型方法,最后通过缝合和镜像的技术实现船模的整体造型。如图5所示,双艉船模形状经局部包容后的分片方案为:1.艉封板;2.后船出轴口后侧底;3.出轴口端面;4.后船出轴口前侧底;5.后船甲板;6.前船船底;7.前船侧面;8.前船甲板。其中1、3、6为平面,采用过曲线的曲面生成方法实现;5、8为柱面,采用折角线拉伸然后裁减的方法实现;2、4、7均采用过曲线网格法实现。这些是双艉船模曲面造型的重点,其中2、4的造型需预先构造包容线,以实现对出轴口局部区域的包容,是船模曲面造型的关键。3.3元分形造型由于双艉船模曲面形状在出轴口处产生突变,后船侧底沿出轴口处的横剖面一分为二,分别进行造型。由于型值表和型线图没有提供出轴口处的横剖线,为此需要在该处构造2条横剖线:一条用于后船出轴口后侧底的造型,称为0.5′横剖线,另一条用于后船出轴口前侧底的造型,称为0.5″横剖线。3.3.1构造1.2横剖线利用型线图的dwg文件,获得0.5′横剖线与各水线和纵剖线的交点(加密点),见图6,依次为A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K,并且A点的切矢沿垂直方向,K点的切矢沿水平方向,然后采用依次过各点的方法生成NURBS曲线段ABCDEFGHIJK,该曲线段就是0.5′横剖线。3.3.2横向构造工艺的应用(1)因为出轴口与船体之间空间区域的包容是通过构造0.5″横剖线实现的,因此,该横剖线的构造要确保数控加工后,通过采用去除材料的手工修复方式,能够实现出轴口区域的精确造型。(2)为了严格控制手工修复量,两构造横剖线所围成的区域面积要小。(3)后船侧底在构造横剖线处的连接(出轴口端面除外)要光顺。3.3.3构造加加样条型(1)将出轴口横截线LMNOL沿其水平对称线QR分为两段QNR和QLR。(2)将0.5′横剖线在H、J处打断,将0.5′横剖线分成ABCDEFGH、HIJ、JK3段。(3)构造型值点P、S、T、U(加密点),其中P、S两点关于第3个纵剖面对称,两点之间的水平距离与Q、R相当,P、S与HIJ之间垂直距离大约为Q、R与HIJ之间垂直距离的1/4。(4)过H、P、Q生成一样条曲线,并且约束该样条曲线在H、Q处的切矢分别与曲线HIJ和QNR相切,得到样条曲线HPQ。类似可以得到样条曲线RSJ,必要时构造加密点T、U,使两曲线段HPQ与RSJ形状大致对称。(5)将曲线段ABCDEFGH、HPQ、QNR、RSJ、JK连成一体,就为0.5″横剖线。3.3.4分角线为主曲线+交叉线前船船侧和后船侧底是船模曲面的主要部分,也是船模曲面造型的重点,均采用过曲线网格法。其中前船船侧以所有的水线和折角线为主曲线,以部分纵剖线及前船的横剖线为交叉线;后船侧底沿出轴口端面分两次造型,以相同的纵剖线、折角线和水线为交叉线,以各自的横剖线为主曲线。这种方案充分利用了三族型线,最大限度地保留了船模曲面形状的设计信息;同时相邻片体之间由于采用相同的型线作为主曲线或交叉线,因而相邻片体在结合处较光顺,二者充分保证了船模曲面的造型精度和光顺效果。4船模曲面的生成和加工基于过曲线网格法及其关键技术,采用UG二次开发工具UG/OpenGrip自主开发了船模曲面三维造型模块,该模块的软件开发流程见图7。该模块从二维的船模型值表与型线图中提取型值点和端点切矢的信息,自动生成各种型线,由加密点自动生成包容线,型线和包容线均需光顺性检查。经分片后,采用不同的方法(以过曲线网格法为主)生成各个片体,然后通过缝合与镜像技术生成船模曲面,经光顺性检查后生成最终船模曲面。目前该模块已应用于自行研制开发的、国内首台四坐标船模曲面数控加工系统上,已成功实现了多种类型船模曲面的造型和加工。图8为该模块实现的一艘双艉船模曲面的三维造型结果。图9为数控加工后的该艘双艉船模曲面,其曲面的尺寸为8000mm×1300mm×700mm。若采用传统的制作方式,该船模曲面的制造至少需要30d,而采用四坐标船模曲面