焦龙海文献综述_焦云红文献综述2稿

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重庆理工大学毕业论文文献综述

船用推进器建模及数控仿真加工

焦龙海

摘 要：船用螺旋桨是一类典型的自由曲面零件，它的曲面形状和制造精度直接决定了船舶的推进效率和嗓音的大小，而加工方法的研究将有助于提高该类零件的加工精度和效率。传统的螺旋桨加工方法是通过普通铣床粗加工加上大量的人工修磨来完成的，此方法费时费力，且精度难以保证。随着数控技术的发展，目前的螺旋桨大多采用数控加工中心来制造，所用的刀具通常为球头刀或平头刀，但加工精度和效率仍然不够理想。如何充分发挥五坐标加工中心的潜能，采用非球头形式的刀具侧铣加工该类自由曲面，以提高螺旋桨的加工精度和效率，是当前数控加工的一个研究重点。

本论文在深入分析螺旋桨曲面成型原理的基础上，将设计时给定的桨叶曲面的切面数据转化为笛卡尔坐标系中的坐标，利用B样条方法对截面数据点插值并加密，得到足够的数据点，进而利用最小二乘法拟合出桨叶曲面，通过调整偏离权和光顺权得到了理想的二阶连续的桨叶曲面。针对圆柱体棒料毛坯，提出了采用类似型腔加工和逐点搜索的两种粗加工方法，前一种方法能精确地控制加工区域，同样可应用于精加工：后一种方法计算简单、易于编程。利用微分几何学知识，分析了螺旋桨桨叶曲面的局部特征，在研究圆柱刀二阶密切法规划刀位的基础上，探讨了圆锥刀和圆环刀的二阶密切刀位计算方法，采用二阶密切法规划刀位可以显著地提高加工精度。提出了基于二阶密切法的加工路径规划方法，采用该方法可以在保证精度的前提下使加工带宽明显增大。提高加工效率。充分利用UG、Vencut等软件的建模和仿真功能，对螺旋桨的曲面造型和数控加工方法的正确性进行了验证。

关键词：船用螺旋桨；路径规划；B样条拟合；加工仿真

一、研究船用螺旋桨的发展状况

船用螺旋桨是船用推进器中效率比较高，应用最广的一种，其主要功用是使船舶前进和后退，有时也协助船舶回转。船舶的性能主要取决于该船的船型、主发动机和螺旋桨三大因素。而螺旋桨的推进效率又主要取决于螺旋桨桨叶的设计与制造。螺旋桨通常由桨叶和桨毅两部分组成，而桨叶又分为叶面和叶背。叶面的中闻区域通常采用等螺距螺旋面或变螺距螺旋面设计，而导边和随边处则采用流线型设计；叶背则是根据不同半径处的切面厚度来决定的。因此，它的设计和制造相对于常规机械零件复杂得多。通常给出螺旋桨的设计数据后，首先要对螺旋桨造型，所涉及的就是自由曲面的造型问题。曲面造型的好坏，直接决定了其加工质量。而自由曲面的造型属于CAGD(计算机辅助几何设计)学科领域。当前曲面造型的主流方法之一就是B样条方法(basic spline)。

螺旋桨用材料从以前的随意材料演变到现在必须经过的特种试验技术,空泡腐蚀试验技术、腐蚀疲劳试验技术、整桨模拟试验技术的产生和发展,使得螺旋桨用材料的研究和应用研究更加完善。因为其材料要求力学性能高铸造性能优良耐海水腐蚀性、耐腐蚀疲劳性、耐空泡腐蚀性能优异,耐海生物污染能力强,同时应有良好的焊补性能,在某些场合下还要求材料具备高阻尼性能。

其设计大致可分为三个发展阶段：第一阶段为 19 世纪中叶，动量理论、叶元体理论的提出；

第二阶段为 20 世纪 20 ~ 80 年代，升力线模型、升力面模型的提 出和发展；第三阶段为 20 世纪 80 年代至今，边界元法的应用、直接考虑流体粘性的研究。其加工由传统的通过普通铣床粗加工加上大量的人工修磨来完成的演变到现在由采用数控机床进行加工。但是现在也面临新的难题：数控机床生产厂家没有提供专门加工螺旋桨的软件包，从而使许多螺旋桨生产厂家不得不使用通用的CAD／CAM软件(如CATIA、CAMMAND、UGNX、Pro—E等)作为螺旋桨设计和加工编程平台。由于通用软件用于螺旋桨加工编程缺乏针对性，使用时工程人员工作量仍然很大；国外有专用螺旋桨CAD／CAM软件，但是，这些软件价格及其昂贵令大多数厂家难以承受。设计

自主产权的螺旋桨专用软件是解决这些问题的最好办法。针对螺旋桨的曲面建模和数控仿形加

工，国内外学者进行了大量的研究。

各种螺旋桨理论相互联系，螺旋桨理论本质上是流－固相互作用问题，核心是作用力的分析

求解。随着计算机技术和计算流体力学的发展。螺旋桨理论研究的发展方向是和流体力学学科发

展的联系越来越紧密，建立更为严密的理论体系和获取更精确的解现代船用螺旋桨的设计研究方

向是在实际设计中直接采用面元法，RANSE 和其它相关方法来解决除推进效率之外的螺旋桨空

泡、剥蚀、振动和噪声等问题。这些方法离不开计算机软件的开发和应用船用螺旋桨的设计研究

还有大量问题需要解决，如从力学模型、二相流算法等方面寻找更精确的计算流体动力学方法探

索更合理有效的理论方法，解决考虑船体影响的CFD问题，进一步考虑波浪对船舶推进影响，解决实践中的各种难题、新问题，比如吊舱式推进装置的设计，设计要考虑加工技术的发展节能

等。

二、课题研究的内容及目的自从船用蒸汽机出现以后，螺旋桨就开始应用于船舶上，并成为了海船的主要推进形式，船

舶的性能主要取决于该船的船型、主发动机和螺旋桨三大因素，其中螺旋桨的推进效率又主要取

决于螺旋桨桨叶的设计与制造。

本论文属于计算机辅助设计和制造领域，主要研究设计和加工船用螺旋桨的CAD／CAM系

统。本论文从以下几个方面进行研究：螺旋桨的造型、刀位轨迹的规划、加工过程的动态仿真以

及后置处理。主要内容如下：

(1)CAD／CAM软件系统设计在利用统一方法进行曲面造型的基础上，可获得统一的曲面模

型，使得对曲面的造型设计修改和数控自动编程可以基于同一数据结构，从而可建立螺旋桨CAD

／CAM一体化软件。其模块化构造可增加程序重用率；减少硬件资源消耗，提高运算效率。

(2)输入B型螺旋桨的关键参数，根据其设计图谱得到螺旋桨叶片的截面型值点，采用面向

截面测量数据B样条曲面光顺原理反算控制网格，并使用三维UG软件生成实体模型。

(3)采用球头刀、圆柱刀利用参数线法生成无干涉的刀位轨迹，保存到刀位文件。

(4)利用UG软件的加工模块进行加工过程的动态仿真，并对加工中的整体碰撞、刀位干涉

进行检验。

(5)研究了后置处理的基本原理及过程。

螺旋桨属于自由曲面，由于它形状复杂，过去螺旋桨大多是通过普通铣床粗加工加上大量的人工修磨来完成的，当螺旋桨的盘面比较大时，各个桨叶可能互相覆盖，导致其加工费时、费力，加工精度和效率难以提高。因此，加工精度和生产效率都很低，工人劳动环境和条件较差，而且

由于这些加工方法本身能力的限制，一直难以保证精确的螺旋桨设计与加工成型。随着数控技术的发展，船用螺旋桨的数控加工成了主流。利用计算机辅助设计对螺旋桨进行造型和计算机辅助

制造来获取螺旋桨的数控加工刀轨并进行仿真(即螺旋桨CAD／CAM)的技术的研究成为了螺旋

桨设计和加工研究的主要方面。

船用螺旋桨的CAD／CAM技术有两种思路，一种利用通用的商品化CAD／CAM软件进行

二次开发作为螺旋桨的数控加工软件，二是专门开发的螺旋桨数控加工专用软件。就国内的螺旋

桨生产厂家而言，也不外乎这两种思路。采用第一种思路的，通常采用UGNX、CATIA、I—Deas、CAMMAND等通用商用软件，由工程人员操作，针对不同型号螺旋桨进行曲面造型、刀位计算

等工作，来获取数控代码。由于这些软件并非专门针对螺旋桨设计和加工进行编制的，所以工程

技术人员必须进行大量的手工操作，设计出的数控加工代码也很可能存在大量冗余，并且需要操

作人员具有较高的软件水平，耗费人力较多。采用第二种思路的，国外有专用螺旋桨CAD／CAM

软件，如美国的Acme和Multisurf、澳大利亚的CompuProp、日本的Mikado、韩国的Baeksan

等，但是，这些软件价格极其昂贵，令大多数厂家难以承受。同时，由于螺旋桨加工在军事工业

中的重要地位，国外专业的软件公司在出售软件的同时对核心关键技术严格保密。当厂家螺旋桨

型号改变时，难以使用专用软件自行获得数控代码，所以国内厂家对其的使用并不得心应手。

综上所述，开发有自主版权的螺旋桨CAD／CAM软件、使我国的螺旋桨制造业的整体水平

得到提高、缩小与先进国家的差距是螺旋桨设计和加工部门的当务之急。国内也有些厂家的研究

部门结合自己的情况进行了此方面的工作，但很少有能够应用广泛、运行稳定、结果准确的专用

软件，许多软件都有很大的局限性。

三、国内外船用螺旋桨研究及加工现状

过去螺旋桨的粗加工大多是采用普通铣床进行，而精加工通常采用手工砂轮打磨和模板测

量，反复交替进行，最后再用手工布轮抛光，加工精度和生产效率都很低，工人的劳动环境和条

件较差，而且这样的加工手段需要工人具有熟练的技术和丰富的经验。随着数控机床和计算机技

术的发展，目前螺旋桨的加工大多采用数控机床来完成，然后抛光至满意的精度。由于无法得到

大量的分析数据，刀具尺寸、加工步长、行距等参数通常参照以前的加工经验。

针对螺旋桨的曲面造型和数控加工，国内外学者进行了大量的研究。GeoffreyW Vickers早在70年代就研究了用数控机床采用球头刀加工中等尺寸的螺旋桨。他首次 提出用

计算机辅助计算螺旋桨的表面，螺旋桨各部分曲面和各截面的图形可在图形终端上显示出，而且

可以交互修改。Ⅺuzi yeN提出了结合物理约束主要包括曲面法矢来设计螺旋桨曲面，最终曲面

是一个完整的非均匀B样条曲面。这种设计螺旋桨桨叶曲面的方法是结合对螺旋桨流体动力学的分析进行的。他这种方法主要是考虑到工程中对几何实体的评价主要是其物理功能的实现，而不

是其几何外形的美观。Hsing—Chia结合螺旋桨曲面建模的结果，利用微分几何的相关原理，分

析了该曲面的曲率、主方向等几何性质，并在此基础上，把桨叶区域分为椭圆点区域和双曲点区

域。在不同区域上，给出了球头刀和端铣刀的刀位计算方法。而且给出了控制直线插补误差和刀

轨间残留误差的方法。

在国内，哈尔滨工业大学的任秉银用球头刀加工螺旋桨。他把螺旋桨桨叶工作面分为标准螺

旋面和流线型曲面两部分，提出对螺旋面部分建立解析方程，导出刀具参数和加工参数的计算表

达式。刹用微分几何中关于法曲率和主曲率的理论，通过计算曲面上任意点处的主曲率，找出最

大主曲率，求出叶片压力面数控加工用的最大允许球刀半径。螺旋浆叶面的加工路径一般取浆叶

上等半径上的螺旋线。球头刀的中心位于螺旋面的法向等距面上，刀心轨迹线是在等距面上与刀

触点轨迹线法向等距的曲线。求出刀具沿轨迹线运动时形成的包络面，相邻两包络面的交线便是

实得曲面的特征线，这条曲线与设计曲面的距离便是几何残留误差。天津农学院的李艳聪充分利

用了UG软件的建模与加工模块，先建立螺旋桨几何模型，然后生成数控加工程序。

目前，国内外数控加工理论方面的研究文献大多集中在讨论自由曲面的数控铣削加工，铣削

曲面时，以往大都使用球头铣刀，这是因为使用球头铣刀加工曲面时，球头刀对加工对象的适应

能力很强，且编程与使用也较方便，但球头刀加工也存在一些不足之处。球头切削刃上各点的切

削情况不同，越接近球头刀的底邦其切削条件越差(切削速度低、容屑空间小等)。改善加工精度、提高加工效率，在五坐标加工中，多采用非球头刀具，如何在被加工曲面上确定非球面刀刀位轨

迹和控制加工精度，是曲面CAM技术研究所面临的一个难题。文献研究发现，当被加工曲面几

何尺寸较大时，法曲率较小，在五坐标机床上采用端铣刀加工比采用球头刀加工的精度和效率高。

G．W．Vickers教授对分别采用球形刀和立铣刀进行曲面加工的结果进行了比较，发现立铣刀能

更好地与曲面的几何特性相匹配，因而可以减少走刀次数，切削效率高，且刀具使用寿命长。Fritz

分析了非可展直纹面的特性，提出了无干涉圆柱形刀具磨削直纹面的方法，文中指出这种直纹面

大都是由双曲点组成，刀具轴线沿负主曲率所在的方向放置，即可避免干涉现象。美国学者

Yuan．Shin Lee对环形刀具加工自由曲面的局部干涉和全局干涉问题进行了较全面的分析，并给

出了无干涉刀位算法。以色列学者G．Elber和美国犹太大学的R．Fish提出了用直纹面片逼近自

由曲面的方法，并将五坐标数控机床线接触法可加工的曲面由凸曲面扩展到鞍形曲面而不产生干

涉。该方法采用均匀B样条曲面来表示被加工曲面，用直纹面遥近该曲面的办法则是不断细分莱

一参数，使逼近曲面与原曲面之间的误差小于给定的公差；在每一小曲面片内，为使刀具和被加工表面不会产生干涉，将刀具轴线安放在主曲率较小的那个主方向上；同时，作指出机床刀具路径可用直纹面直接逼近原曲面然后求其等距面获得，或者先求原曲面的等距面，之后再用直纹面逼近该等距面得到。Yuan—Shin Lee运用椭圆偏置方法分析了圆柱形刀具粗加工直纹凹坑曲面的方法，使粗加工后的曲面更接近理论曲面，便于精加工的进行。Joung．Hahn Yoon，Helmut Pottmann和Yuan-Shin Lee应用微分几何中杜潘标形的方法，提出了一种优化的刀位确定方法，其原理是在每一个刀触点处，刀具与工件曲面的标形差为一二次曲线，因此只需在三个法截面内进行检验，即可确定二次曲线的三个系数，从而确定刀具的优化位置。

四、结束语

为了满足特殊的功能要求，当前越来越多的零件需要设计成自由曲面。这类零件由于形状复杂，往往需要采用五坐标数控机床来加工。为了提高加工效率和精度．使得五坐标数控侧铣加工成为当前数控加工领域的～个重要研究方向，它代表着制造业的发展方向和趋势。本文主要以船用螺旋桨为例，对其几何造型、刀位计算、刀具路径规划、数控加工工艺等内容进行了较深入地分析与研究。给出了相关算法的基本思想和具体的实现方法，并最终通过仿真软件验证了所提出的思想。

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