面向數(shù)控加工的船模曲面三維造型方法研究

面向數(shù)控加工的船模曲面三維造型方法研究

0船模曲面造型船模型是根據(jù)船體的形狀和圖紙，在一定比例內(nèi)縮小制造的船體模型。這是報告實際船只航行性能和為船只科學研究和教育而提供重要工具的重要工具。船模曲面是具有雙曲度的、復(fù)雜的空間自由曲面,在計算機上的三維造型(簡稱船模曲面的三維造型)是實現(xiàn)船模數(shù)控加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。當前關(guān)于船模曲面的三維造型技術(shù),國內(nèi)外文獻還很少見,一般的做法是借鑒船體曲面的三維造型技術(shù)。關(guān)于船體曲面三維造型的研究始于1977年,直到20世紀90年代初船體曲面的設(shè)計主要采用B樣條曲線曲面技術(shù)。20世紀90年代中期以后,NURBS方法開始被應(yīng)用于船體曲面造型。關(guān)于NURBS方法構(gòu)造船體曲面的關(guān)鍵技術(shù)及其實現(xiàn)方法,國外文獻一般很少介紹,國內(nèi)雖有一些文獻進行了介紹,但由于船體和船模在尺寸、材質(zhì)、制造方面都存在巨大的差別,船體曲面三維造型的結(jié)果,還不適用于實際船模曲面的數(shù)控加工。因此,本文根據(jù)船模曲面的具體特點,開發(fā)滿足船模曲面數(shù)控加工要求的三維造型方法。1船部分的型線船模的尺寸是根據(jù)船體的尺寸縮小一定比例得到的,因此船體的型值表和型線圖也是船模曲面造型的主要依據(jù)和檢驗標準。圖1為船體型線的形成示意圖(因篇幅所限,只給出船艏部分),型線是型表面上相互垂直的三族平面截線(水線、橫剖線、縱剖線),三族型線的交點叫做型值點。船體的型線圖是以三視圖的形式表達的,部分型值點的坐標由型值表反映。船模曲面造型的主要要求為:由于型線較型值點蘊涵更多的設(shè)計信息,因此船模曲面不僅要涵蓋所有的型值點,而且要涵蓋盡可能多的型線,以實現(xiàn)船模曲面的精確造型;船模曲面要光順,以減小船模在水中的運動阻力。2船模曲面的造型方法由船模曲面三維造型的依據(jù)和要求可知,船模曲面的造型屬于曲面插值的問題。根據(jù)插值信息量的多少,曲面插值可以分為2類:插值型值點,例如張量積(TensionProduct)曲面與三角曲面的插值等;插值型線,也稱超限插值,例如蒙皮法(SkinningSurface)與過曲線網(wǎng)格法(ThroughCurveMesh)等。由于船模的型線不僅是光順的,而且涵蓋了所有型值點,并且三族型線在空間相互交織構(gòu)成了一張船模曲面的3-D網(wǎng)格結(jié)構(gòu),船模曲面的造型只有盡可能地插值這三族型線,才能最大限度地保留船模曲面的形狀設(shè)計信息,實現(xiàn)船模曲面精確而光順的造型,因此插值型值點的曲面造型方法不適合于船模曲面的造型?，F(xiàn)基于UG,本文利用插值型線的2種曲面造型方法(蒙皮法和過曲線網(wǎng)格法),分別構(gòu)造船模曲面,并對造型效果進行分析比較。2.1骨架上的滑動的皮該法構(gòu)成的插值曲面,可形象地看成為一張蒙在由一組截面曲線構(gòu)成的骨架上的光滑的皮。由于該法要求被插值的一組曲線,方向大致平行且不能相交,因此將該法應(yīng)用于船模曲面的造型時,只能利用三族型線中的一族,因此造型精度和光順效果不夠理想(圖2)。2.2族型線的設(shè)計該法不是插值在同一參數(shù)方向的一組曲線,而是插值沿2個參數(shù)方向的2組曲線,因此將該法應(yīng)用于船模曲面的插值時,能最大限度地利用三族型線,所構(gòu)造的船模曲面蘊涵更多的設(shè)計信息。但是由于該法要求沿2個參數(shù)方向的2組曲線之間必須兩兩相交,同一組曲線之間又不能相交,因此艏艉的造型不能同時利用三族型線。盡管如此,相對于蒙面法,該法的造型精度和光順效果有了明顯改善(圖3),應(yīng)該選擇過曲線網(wǎng)格法為船模曲面三維造型的主要方法。3撲矩形網(wǎng)格采用過曲線網(wǎng)格法進行曲面造型的關(guān)鍵是構(gòu)造拓撲矩形曲線網(wǎng)格。船模曲面除舯體曲面滿足要求外,艏艉曲面一般不滿足要求,因此必須通過局部區(qū)域包容方案和分片造型方案滿足該法的造型要求。3.1開軸口包裝法船模曲面局部區(qū)域包容的主要目的為了滿足過曲線網(wǎng)格法的條件,以保證整體的造型精度。但是局部區(qū)域包容會造成船模曲面加工的欠切削,增加后續(xù)工作量,因此應(yīng)當對局部包容的空間區(qū)域體積嚴格控制。如圖4所示,由于雙艉船模出軸口處形狀的突變和復(fù)雜,在該處的2族型線(橫剖線和水線)不完全相交,因此在該處不能采用過曲線網(wǎng)格法。為了采用過曲線網(wǎng)格法以保證整體的造型精度,應(yīng)將該局部區(qū)域進行包容:包容出軸口與船體之間狹小的空間區(qū)域。對出軸口與船體之間空間區(qū)域的包容,意味著該區(qū)域內(nèi)材料的去除不能通過數(shù)控加工來實現(xiàn),只能通過手工修復(fù)來完成。由于被包容的空間區(qū)域狹小,加之船模的材料是木材,手工修復(fù)量非常小;同時包容方案也有助于提高出軸口處的剛度和強度,防止出軸口在切削力作用下產(chǎn)生過大的變形、振動,甚至折斷,因此該包容方案是現(xiàn)實可行的。3.2船模的整體造型由于雙艉船模曲面的復(fù)雜性,采用一種造型方法難以實現(xiàn)船模曲面的精確造型,因此應(yīng)當對船模曲面進行分片,根據(jù)各片體的形狀特點采用不同的造型方法,最后通過縫合和鏡像的技術(shù)實現(xiàn)船模的整體造型。如圖5所示,雙艉船模形狀經(jīng)局部包容后的分片方案為:1.艉封板;2.后船出軸口后側(cè)底;3.出軸口端面;4.后船出軸口前側(cè)底;5.后船甲板;6.前船船底;7.前船側(cè)面;8.前船甲板。其中1、3、6為平面,采用過曲線的曲面生成方法實現(xiàn);5、8為柱面,采用折角線拉伸然后裁減的方法實現(xiàn);2、4、7均采用過曲線網(wǎng)格法實現(xiàn)。這些是雙艉船模曲面造型的重點,其中2、4的造型需預(yù)先構(gòu)造包容線,以實現(xiàn)對出軸口局部區(qū)域的包容,是船模曲面造型的關(guān)鍵。3.3元分形造型由于雙艉船模曲面形狀在出軸口處產(chǎn)生突變,后船側(cè)底沿出軸口處的橫剖面一分為二,分別進行造型。由于型值表和型線圖沒有提供出軸口處的橫剖線,為此需要在該處構(gòu)造2條橫剖線:一條用于后船出軸口后側(cè)底的造型,稱為0.5′橫剖線,另一條用于后船出軸口前側(cè)底的造型,稱為0.5″橫剖線。3.3.1構(gòu)造1.2橫剖線利用型線圖的dwg文件,獲得0.5′橫剖線與各水線和縱剖線的交點(加密點),見圖6,依次為A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K,并且A點的切矢沿垂直方向,K點的切矢沿水平方向,然后采用依次過各點的方法生成NURBS曲線段ABCDEFGHIJK,該曲線段就是0.5′橫剖線。3.3.2橫向構(gòu)造工藝的應(yīng)用(1)因為出軸口與船體之間空間區(qū)域的包容是通過構(gòu)造0.5″橫剖線實現(xiàn)的,因此,該橫剖線的構(gòu)造要確保數(shù)控加工后,通過采用去除材料的手工修復(fù)方式,能夠?qū)崿F(xiàn)出軸口區(qū)域的精確造型。(2)為了嚴格控制手工修復(fù)量,兩構(gòu)造橫剖線所圍成的區(qū)域面積要小。(3)后船側(cè)底在構(gòu)造橫剖線處的連接(出軸口端面除外)要光順。3.3.3構(gòu)造加加樣條型(1)將出軸口橫截線LMNOL沿其水平對稱線QR分為兩段QNR和QLR。(2)將0.5′橫剖線在H、J處打斷,將0.5′橫剖線分成ABCDEFGH、HIJ、JK3段。(3)構(gòu)造型值點P、S、T、U(加密點),其中P、S兩點關(guān)于第3個縱剖面對稱,兩點之間的水平距離與Q、R相當,P、S與HIJ之間垂直距離大約為Q、R與HIJ之間垂直距離的1/4。(4)過H、P、Q生成一樣條曲線,并且約束該樣條曲線在H、Q處的切矢分別與曲線HIJ和QNR相切,得到樣條曲線HPQ。類似可以得到樣條曲線RSJ,必要時構(gòu)造加密點T、U,使兩曲線段HPQ與RSJ形狀大致對稱。(5)將曲線段ABCDEFGH、HPQ、QNR、RSJ、JK連成一體,就為0.5″橫剖線。3.3.4分角線為主曲線+交叉線前船船側(cè)和后船側(cè)底是船模曲面的主要部分,也是船模曲面造型的重點,均采用過曲線網(wǎng)格法。其中前船船側(cè)以所有的水線和折角線為主曲線,以部分縱剖線及前船的橫剖線為交叉線;后船側(cè)底沿出軸口端面分兩次造型,以相同的縱剖線、折角線和水線為交叉線,以各自的橫剖線為主曲線。這種方案充分利用了三族型線,最大限度地保留了船模曲面形狀的設(shè)計信息;同時相鄰片體之間由于采用相同的型線作為主曲線或交叉線,因而相鄰片體在結(jié)合處較光順,二者充分保證了船模曲面的造型精度和光順效果。4船模曲面的生成和加工基于過曲線網(wǎng)格法及其關(guān)鍵技術(shù),采用UG二次開發(fā)工具UG/OpenGrip自主開發(fā)了船模曲面三維造型模塊,該模塊的軟件開發(fā)流程見圖7。該模塊從二維的船模型值表與型線圖中提取型值點和端點切矢的信息,自動生成各種型線,由加密點自動生成包容線,型線和包容線均需光順性檢查。經(jīng)分片后,采用不同的方法(以過曲線網(wǎng)格法為主)生成各個片體,然后通過縫合與鏡像技術(shù)生成船模曲面,經(jīng)光順性檢查后生成最終船模曲面。目前該模塊已應(yīng)用于自行研制開發(fā)的、國內(nèi)首臺四坐標船模曲面數(shù)控加工系統(tǒng)上,已成功實現(xiàn)了多種類型船模曲面的造型和加工。圖8為該模塊實現(xiàn)的一艘雙艉船模曲面的三維造型結(jié)果。圖9為數(shù)控加工后的該艘雙艉船模曲面,其曲面的尺寸為8000mm×1300mm×700mm。若采用傳統(tǒng)的制作方式,該船模曲面的制造至少需要30d,而采用四坐標船模曲面