[發明專利]一種復雜曲面的分層光順方法

有效

• 申請號: 201410025828.2
• 申請日: 2014-01-20
• 公開（公告）號: CN103761389A
• 公開（公告）日: 2014-04-30
• 發明（設計）人: 陳志同;江澤鵬;吳獻珍;徐義平
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學;昌河飛機工業(集團)有限責任公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

技術領域

本發明涉及一種復雜曲面的光順方法，尤其涉及一種復雜曲面的分層光順方法，屬于CAD/CAM技術領域。

背景技術

航空發動機葉片等重要復雜曲面結構零件中的設計數據通常是以截面線上離散數據點的形式給出，這些點通常是根據氣動性能的需要而設計的，大多數點只考慮了其0階特性而未考慮其1階以上的特性，因此僅僅依靠這些數據點擬合出的型面并不光順，這樣會導致數控加工時發生嚴重刀軌波動，影響葉片等復雜曲面的加工質量。因此，對于復雜曲面的設計數據，為了保證加工的要求，通常需要對其進行光順處理，即對復雜曲面的數學模型進行精細設計或再設計。

現有的復雜曲面光順的方法已經有多種：

現有技術一：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，將能量函數值最小作為光順準則修改曲面控制頂點使曲面趨于圓滑。

現有技術二：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域，然后對該區域的型值點（即“壞點”）進行修改，在局部區域對曲面進行光順。

現有技術一將曲面的能量函數值最小作為光順準則計算量大，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。

現有技術二適合于壞點較少的情況，當連續出現多個壞點時，光順效果往往比較差。總之,到目前為止，關于曲面光順的方法還非常有限。

它們的共同特征是將曲面的全部或者部分控制頂點統一作為設計變量進行優化，這種方法通常會忽視曲面設計時對于截形線等單獨提出的公差要求，而實際情況是，流體機械通常對復雜曲面的設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、坐標原點位置度等。另一方面，曲面光順問題是一個優化設計問題，當設計變量過多時該問題很難收斂。相對而言，關于曲線的光順技術已經比較成熟，每條曲線需要的設計變量很少，因此易于求解。如果把復雜曲面的光順問題轉化成若干曲線的光順問題，則復雜曲面的光順問題可以得到大幅度簡化，而且容易實施。

發明內容

1、目的：本發明的目的是提供一種復雜曲面的分層光順方法，以提高復雜曲面的造型質量，為其后續精密數控加工的加工質量提供保障，具有實際的工程應用價值。

2、技術方案：本發明是通過以下技術方案實現的。

本發明不僅考慮了曲面設計與加工時對于截形線提出的公差要求，而且巧妙的將復雜曲面光順問題轉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縮放、平移和旋轉等變化，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，當對龍骨線進行光順時，截形線會隨之發生變化，這種變化只能是平面內的平移與旋轉整體變化。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，這就是本發明的關鍵所在。

本發明一種復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計數據點得到所有截形線（公差基線）。

步驟二、對每條截形線進行光順，放樣得到基準曲面；

步驟三、在曲面上按照預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、在投影平面內以截形線的縮放、旋轉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。

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。

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。

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定的等曲率線作為起點，偏移指定的參數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化成直紋面上投影曲線的光順；

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定的準則整體進行光順，從而得到最理想的截形線變換。