楊海強(qiáng)，高　輝，周燦豐，田融冰

(1.能源工程先進(jìn)連接技術(shù)北京市工程研究中心，北京 102617；2.北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124)

基于VB6.0和UG的螺旋槳三維模型設(shè)計(jì)*

楊海強(qiáng)1，高輝1，周燦豐1，田融冰2

(1.能源工程先進(jìn)連接技術(shù)北京市工程研究中心，北京 102617；2.北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124)

摘要：水下推力吸附式爬壁機(jī)器人是通過螺旋槳產(chǎn)生的推力吸附在水下容器壁上面進(jìn)行作業(yè)的機(jī)器人，螺旋槳的效率和性能直接決定了其吸附的可靠性，所以螺旋槳的設(shè)計(jì)是水下機(jī)器人設(shè)計(jì)的重要一部分。螺旋槳包含有復(fù)雜的曲面，它的設(shè)計(jì)是一個(gè)繁瑣、復(fù)雜而又容易出錯(cuò)的過程，為了使螺旋槳的設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)單、快速，同時(shí)滿足水下爬壁機(jī)器人對(duì)螺旋槳效率和精度的要求，介紹了一種新的螺旋槳設(shè)計(jì)方法。根據(jù)螺旋槳二維制圖的投影關(guān)系和螺旋槳設(shè)計(jì)參數(shù)，運(yùn)用VB語言編程，快速、準(zhǔn)確地計(jì)算出螺旋槳葉切面特征點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)，將這些坐標(biāo)值導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件中，進(jìn)而生成螺旋槳三維實(shí)體模型。

關(guān)鍵詞：推力吸附；螺旋槳；VB語言；UG；機(jī)器人

螺旋槳是水下推力吸附式爬壁機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)的重要組成部分，是船用和水下機(jī)器人用推進(jìn)器中效率比較高，應(yīng)用最廣泛的一種，它的性能和制造精度直接決定了船舶和水下機(jī)器人的效率和性能。傳統(tǒng)的螺旋槳設(shè)計(jì)方法主要分為升力線法、升力面法、面元法[1-2]以及圖譜設(shè)計(jì)法。前三種方法又統(tǒng)稱為勢(shì)流理論法，勢(shì)流理論作為一種日漸成熟的螺旋槳設(shè)計(jì)方法正處在發(fā)展壯大的過程中。與勢(shì)流理論法相比，螺旋槳圖譜設(shè)計(jì)法歷史久遠(yuǎn)、發(fā)展成熟，擁有完備的試驗(yàn)資料。對(duì)水下機(jī)器人來說，圖譜設(shè)計(jì)法更能有效地設(shè)計(jì)出滿足其航行條件的螺旋槳。

目前，能對(duì)螺旋槳進(jìn)行三維建模的軟件很多，主要有UG、Pro/Engineer[3]、SolidWorks和AutoCAD等。三維螺旋槳建模的關(guān)鍵問題是很難準(zhǔn)確、快速地得到螺旋槳葉面和葉背面的空間三維坐標(biāo)。螺旋槳槳葉是自由曲面[4]——螺旋面的一部分，無法用函數(shù)形式表示該類曲面，而只能通過螺旋槳的葉切面型值，采用曲葉線擬合方法，并經(jīng)過復(fù)雜的投影換算關(guān)系才能獲得螺旋槳葉面的擬合曲面。編制程序生成螺旋槳的三維空間坐標(biāo)是滿足設(shè)計(jì)要求，完成繁瑣、重復(fù)和容易出錯(cuò)工作的較好選擇。當(dāng)前常用的螺旋槳三維空間點(diǎn)生成方法有Excel表格法、MATLAB[5]和V C++可視化編程法及三維建模軟件的二次開發(fā)。

與Excel表格法、MATLAB等編程方法及三維軟件的二次開發(fā)相比，VB簡(jiǎn)單易學(xué)，效率高，功能強(qiáng)大，而且是一種可視化的編程軟件。在三維軟件建模方面，UG與Pro/Engineer、SolidWorks等其他三維軟件相比，在曲線建模方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)。本文基于VB語言進(jìn)行編程，生成螺旋槳模型的三維空間坐標(biāo)，然后通過UG強(qiáng)大的曲線和曲面建模功能生成螺旋槳三維實(shí)體模型。

1螺旋槳坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式的建立

目前，在船用螺旋槳的圖譜法設(shè)計(jì)中，應(yīng)用最廣泛的有荷蘭水池的楚思德B型螺旋槳系列圖譜和日本的AU型螺旋槳系列圖譜，本文水下機(jī)器人所用螺旋槳的設(shè)計(jì)采用的是日本的AU型螺旋槳系列圖譜。

通過查閱AU型螺旋槳系列圖譜，可以得到螺旋槳的基本參數(shù)，包括縱斜角、螺距比、盤面比、母線到葉片隨邊的距離、母線到葉片導(dǎo)邊的距離、葉片寬度、葉片厚度、導(dǎo)邊至最厚點(diǎn)的距離和螺旋槳的葉切面尺寸表。

在已知螺旋槳葉切面型值點(diǎn)和幾何參數(shù)下，需要推導(dǎo)出不同葉切面尺寸坐標(biāo)值與螺旋槳模型的三維空間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。選用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)公式，把二維型值點(diǎn)轉(zhuǎn)換為螺旋槳葉切面的三維空間坐標(biāo)。切面空間三維以半徑為Ri的共軸圓柱面與螺旋槳槳葉相截，所得的葉切面如圖1a中陰影部分所示，將此葉切面沿圓柱面展開得到如圖1b所示的葉切面展開圖。下述推導(dǎo)將各葉切面上等分點(diǎn)的局部坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換為全局坐標(biāo)系中坐標(biāo)值的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式[6]。

a) 葉切面圖　　　　　　b) 葉切面展開圖圖1　螺旋槳坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理圖

圖1a中OH為基線，θ為縱斜角，φ為螺旋角。全局坐標(biāo)系OXYZ的OXY平面與螺旋槳軸垂直。O′點(diǎn)為基線與圓柱面的交點(diǎn)，坐標(biāo)系O′X′Y′Z′與OXYZ平行。坐標(biāo)系O1X1Y1Z1中，O1Z1經(jīng)過葉切面的最厚處，O1點(diǎn)為螺旋線與葉切面的切點(diǎn)。根據(jù)圖1推導(dǎo)出曲面型值點(diǎn)的局部坐標(biāo)到全局坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換公式為：

式中，X、Y、Z是轉(zhuǎn)換后的空間坐標(biāo)值；L是基線至最大厚度處的距離；θ是縱斜角；φ是螺旋角；H是不同Ri處螺距。

2在VB中計(jì)算螺旋槳的三維坐標(biāo)值

根據(jù)AU型螺旋槳系列圖譜，查詢要設(shè)計(jì)的螺旋槳型螺旋槳要素表、螺旋槳槳葉輪廓的尺寸表[7]和葉切面尺寸表。采用的是直徑為89 mm，盤面比為0.7，縱斜角為10°，螺距比為0.682的四葉型螺旋槳。

螺旋槳模型三維空間坐標(biāo)點(diǎn)生成流程圖如圖2所示，利用VB語言強(qiáng)大的編程功能編制程序，生成如圖3所示的螺旋槳葉切面空間坐標(biāo)點(diǎn)界面，通過依次輸入已知的螺旋槳圖譜參數(shù)(包括葉切面與半徑的比，從母線到葉片隨邊的距離相對(duì)于最大葉片寬度的百分比，從母線到葉片導(dǎo)邊的距離相對(duì)于最大葉片寬度的百分比，葉片厚度相對(duì)于直徑的百分比，從導(dǎo)邊至最厚點(diǎn)的距離相對(duì)于葉片寬度的百分比，葉片縱坐標(biāo)相對(duì)于葉片厚度的百分比)，然后單擊螺旋槳三維空間坐標(biāo)值計(jì)算命令，就會(huì)生成螺旋槳模型的三維空間坐標(biāo)(X，Y，Z)，最后將生成的螺旋槳各葉切面三維坐標(biāo)依次保存為文本的形式。

圖2　螺旋槳建模流程圖

3螺旋槳在UG中的三維建模

圖3　VB中螺旋槳三維坐標(biāo)計(jì)算界面

將VB軟件中生成螺旋槳槳葉的空間坐標(biāo)點(diǎn)文本格式進(jìn)行修改，將文本后綴名保存為UG軟件可以識(shí)別的.bat格式，然后導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件中進(jìn)行三維建模[8-10]，具體步驟如下。1)三維型值點(diǎn)的導(dǎo)入和槳葉葉切面空間曲線的生成。打開UG軟件，點(diǎn)擊“插入”→“曲線”→“擬合曲線”→“來自文件”→“坐標(biāo)原點(diǎn)”，將事先保存的.bat格式文件導(dǎo)入，形成各個(gè)切面的輪廓線。重復(fù)上述步驟將生成的螺旋槳葉面和葉背面的18個(gè)點(diǎn)文件連續(xù)導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件。

2)完成葉面和葉背曲面。選擇葉面各個(gè)截面線為主曲線，邊界曲線作為交叉曲線，完成葉面曲面的造型。點(diǎn)擊“插入”→“網(wǎng)格曲面”→“通過曲線組”，通過螺旋槳葉面、葉背的各截面線構(gòu)造空間曲面，完成蒙面。

3) 葉面和葉背縫合成封閉曲面以生成實(shí)體。點(diǎn)擊“插入”→“組合”→“縫合”，依次選著葉面、葉背以及端面曲線，完成槳葉實(shí)體化。

圖4　螺旋槳三維實(shí)體模型

4)完成螺旋槳的三維實(shí)體建模，點(diǎn)擊“插入”→“實(shí)例幾何體”→“圓形陣列”，從而得到其他葉片實(shí)體。至此完成螺旋槳的三維實(shí)體建模(見圖4)。

4結(jié)語

綜上所述，本文得到了如下結(jié)論。

1)介紹了螺旋槳葉切面局部坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為三維空間坐標(biāo)的數(shù)學(xué)公式，即解決了將螺旋槳圖譜提供的空間葉切面型值點(diǎn)應(yīng)用到三維CAD造型過程中的問題，使整個(gè)三維建模過程變得簡(jiǎn)便、直觀。

2)利用VB語言編程，調(diào)入不同的葉切面幾何要素以及各切面型值點(diǎn)，然后通過螺旋槳三維空間坐標(biāo)值計(jì)算，得到螺旋槳各葉切面的三維空間坐標(biāo)點(diǎn)。該方法程序簡(jiǎn)單、可靠且實(shí)用性強(qiáng)，提高了手工計(jì)算的可靠性，具有普遍的研究意義。

3)利用UG軟件強(qiáng)大的曲線和曲面建模功能，通過連續(xù)導(dǎo)入各葉切面空間坐標(biāo)點(diǎn)，最后生成螺旋槳三維模型，生成的螺旋槳三維模型準(zhǔn)確性高， 對(duì)后續(xù)的研究工作有非常重要的意義。

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[9] 李輝.UG軟件在注射模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].新技術(shù)新工藝，2014(3)：64-66.

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*促進(jìn)人才培養(yǎng)綜合改革項(xiàng)目(14010221030)

責(zé)任編輯彭光宇

Design of the 3D Model of Propeller based on VB6.0 and UG

YANG Haiqiang1，GAO Hui1，ZHOU Canfeng1，TIAN Rongbing2

(1.Research Center of Energy Engineering Advanced Joining Technology，Beijing 102617，China；2.College of Mechanical

Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology,Beijing 100124，China )

Abstract：Underwater robot climbing on the wall is the operational robot which absorbs on vessel’s wall by thrust produced by the propeller. The efficiency and the property of the propeller directly determines the reliability of adsorption, so the design of the propeller is one of the important factor of underwater robot.Propeller consists complexly curved surface, and its design is a complex and prone to error process.In order to make the design of propeller simple and quick, and at the same time meet the underwater robot’s requirement of propeller’s efficiency and precision.So this paper introduces a new method to design propeller. According to the projection relationship of propeller’s two-dimensional graphics and the design parameters of the propeller, use the language of VB to calculate the three-dimensional coordinates of blade edge feature points of propeller’s space rapidly and accurately, making the coordinates into UG software, then the model of propeller’s three-dimensional is reality.

Key words:thrust adsorption，propeller，VB language，UG，robot

收稿日期：2014-11-19

作者簡(jiǎn)介：楊海強(qiáng)(1988-)，男，碩士研究生，主要從事水下連接工藝與設(shè)備等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TH 122

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A