摘要：水輪機(jī)葉片多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工仿真環(huán)境，通過對(duì)數(shù)控機(jī)床、刀具、夾具及等加工過程映射構(gòu)建。由測(cè)量數(shù)據(jù)建立葉片毛坯三維模型，用相關(guān)軟件定義機(jī)床CNC功能。再據(jù)加工刀具幾何參數(shù)建立其三維模型。將葉片模型變換到加工位置，算出五軸聯(lián)動(dòng)刀具軌跡。并以該刀具軌跡進(jìn)行葉片切削過程、刀位軌跡及機(jī)床運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)仿真。 Establishing of Simulation Environment for Multi-Axis Machining of Hydro Turbine Blades CHEN Quan, LAI Xi-de （College of Energy & Environment, Xihua University, Chengdu 610039, China） Abstract: By means of the modeling and mapping of the NC machine, cutters, fixtures and the machining process, the simulation environment for multi-axis machining of large size hydro turbine blade has been constructed. The 3-D geometry of the blade’s casting is set up with measured data or offset from the designed model. CNC functions of the machine can be defined with relevant software, and the cutter’s 3-D model can be established according to the geometrical parameters of the selected cutters. After that, the blade’s design model can be transformed in machining environments, and the tool-path of 5-axis machining can be computed. Combining these tool-paths with the simulation environment for multi-axis machining, the dynamic simulation for blade’s cutting process and the machine’s motion can be realized. Key words: NC machining; Computer simulation; Blade; Multi-axis simultaneous machining 1 引言 　　水輪機(jī)葉片為復(fù)雜雕塑曲面體，其多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工比一般零件復(fù)雜[1]。國(guó)內(nèi)現(xiàn)已開發(fā)出的大型葉片五軸聯(lián)動(dòng)加工工藝，仍沒有全部取消試加工驗(yàn)證過程[2]。在計(jì)算機(jī)上仿真驗(yàn)證多軸聯(lián)動(dòng)加工刀具軌跡，進(jìn)行加工刀具干涉和機(jī)床與葉片的碰撞檢查，取代試切削或試加工過程，尋求最優(yōu)的加工方法和工藝方案，既可保證加工型面的準(zhǔn)確性和葉片的質(zhì)量，又可提高加工效率[3]。 2 葉片多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工仿真環(huán)境的建模 　　由于大型水輪機(jī)葉片的形狀復(fù)雜，盡管在數(shù)控編程時(shí)對(duì)各種曲面造型、工藝規(guī)劃、刀位規(guī)劃、后置處理等都作了非常仔細(xì)的工作，但所生成的數(shù)控加工程序仍可能發(fā)生如下問題：加工過程中的過切與欠切、刀桿及聯(lián)接系統(tǒng)與零件、機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件及夾具間的干涉碰撞，以及加工過程中切削刀具的過負(fù)荷等[4]。因此，在加工刀位軌跡或程序生成后，必須進(jìn)行正確性檢驗(yàn)，直到形成合格的數(shù)控程序。大型葉片加工仿真，首先進(jìn)行切削過程幾何仿真以檢查加工過程中葉片的過切與欠切，然后進(jìn)行機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真以防止機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件碰撞和刀桿干涉。 　　葉片數(shù)控加工仿真是將葉片的真實(shí)加工過程在虛擬加工環(huán)境中進(jìn)行映射，即對(duì)采用的數(shù)控機(jī)床、加工刀具、葉片毛坯及夾具等真實(shí)加工環(huán)境進(jìn)行映射，構(gòu)造出仿真（虛擬的）加工環(huán)境。在仿真環(huán)境下，通過軟件模擬加工環(huán)境、刀具路徑和材料切除過程，從而達(dá)到模擬數(shù)控加工過程的目的。仿真環(huán)境的幾何建模是實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工仿真的基礎(chǔ)，圖1是軸流式水輪機(jī)葉片的多軸仿真加工環(huán)境。 2.1 葉片及其毛坯的三維建模 　　軸流式水輪機(jī)葉片由具有雕塑曲面的正、背面，進(jìn)水邊變圓弧半徑曲面，出水邊曲面，輪緣球面和柱面，輪緣的裙邊曲面，輪轂和法蘭球面，輪轂和法蘭與正、背面的過渡曲面等構(gòu)成[4]。葉片正、背面是按在圓柱坐標(biāo)系下給出的型值點(diǎn)，編寫一個(gè)程序?qū)⑿椭迭c(diǎn)按圓柱截面讀入，并轉(zhuǎn)換到直角坐標(biāo)下，沿圓柱截面線作NURBS 曲線，然后放樣（LOFT）生成葉片的正、背面曲面，在此基礎(chǔ)上，再造型出其他曲面實(shí)現(xiàn)葉片的三維幾何造型，如圖2。 　　葉片的毛坯數(shù)據(jù)可以從三維測(cè)量得到的點(diǎn)云集方式確定，可根據(jù)葉片毛坯三維測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何造型，但由于每個(gè)葉片毛坯的余量分布不一樣，這樣的工作量大。在實(shí)際工程中，基于葉片的三維幾何造型，將設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行幾何變換，按葉片鑄造的平均余量進(jìn)行曲面偏置生成毛坯曲面，并縫合成實(shí)體作為毛坯的幾何模型。 　　對(duì)于軸流式水輪機(jī)葉片，根據(jù)葉片的特點(diǎn)，按其工藝規(guī)劃采用以葉片旋轉(zhuǎn)軸心線為定位基準(zhǔn)。其裝夾方案是在葉片的輪緣上焊接工藝軸。粗車法蘭端面，并在法蘭端面中心和工藝軸中心打兩個(gè)頂尖孔。相應(yīng)的夾具用兩頂尖座，固定端置于法蘭上，軸向可調(diào)頂尖座，置于輪緣上的工藝軸端。 圖2 葉片的三維幾何造型 圖3 葉片多軸加工的機(jī)床仿真 2.2 數(shù)控加工機(jī)床的建模 （1） 機(jī)床的幾何建模 　　為仿真葉片加工的整個(gè)過程，檢查刀具運(yùn)動(dòng)軌跡，是否發(fā)生碰撞、干涉現(xiàn)象等，對(duì)加工中存在的問題加以修正，必須根據(jù)實(shí)際加工機(jī)床或加工中心的狀況在計(jì)算機(jī)上構(gòu)造一個(gè)逼真的虛擬的數(shù)控切削加工環(huán)境。數(shù)控加工機(jī)床的建模包括機(jī)床的幾何建模和機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)（CNC）定義。在機(jī)床幾何建模過程中，必須根據(jù)所采用的機(jī)床的結(jié)構(gòu)、具體尺寸的大小及相應(yīng)位置，在造型時(shí)對(duì)于運(yùn)動(dòng)部件的外型和尺寸不能簡(jiǎn)化，但對(duì)于一些非運(yùn)動(dòng)部件的外型可以適當(dāng)簡(jiǎn)化。在此原則上采用相關(guān)的軟件可構(gòu)造出的仿真實(shí)際加工機(jī)床的幾何模型。在定義一臺(tái)機(jī)床時(shí)，假設(shè)所有的機(jī)床部件都處于它們相應(yīng)的零點(diǎn)位置。圖3為對(duì)于一臺(tái)加工葉片的五軸聯(lián)動(dòng)加工機(jī)床的幾何建模。 （2） 機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)（CNC）功能定義 　　按葉片的加工工藝規(guī)劃，采用如圖3所示的龍門移動(dòng)式五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工機(jī)床。加工葉片采用多軸聯(lián)動(dòng)方式，即X，Y，Z三個(gè)直線軸，兩軸數(shù)控銑頭的形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸C和一個(gè)擺動(dòng)軸B。該機(jī)床裝有GE Fanuc數(shù)控系統(tǒng)，將選定加工機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)的指令代碼、語(yǔ)法按仿真軟件規(guī)定進(jìn)行定制，生成CNC代碼翻譯器。定義機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸的坐標(biāo)系關(guān)系、運(yùn)動(dòng)關(guān)系、行程限制、進(jìn)給速度限制、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副的關(guān)系、CNC控制的坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)關(guān)系等，生成一個(gè)機(jī)床配置文件，即可實(shí)現(xiàn)仿真數(shù)控系統(tǒng)功能的定義。 2.3 加工刀具建模 　　在數(shù)控加工葉片時(shí)，針對(duì)葉片各加工面的特點(diǎn)，必須采用不同種類、不同規(guī)格的多種刀具，如在加工大型軸流式水輪機(jī)葉片時(shí)使用的刀具為粗、精面銑刀，螺旋玉米立銑刀，球頭銑刀等。為了在切削仿真過程中能夠檢查出加工過程中葉片的過切與欠切，必須根據(jù)各加工刀具的幾何參數(shù)準(zhǔn)確建立刀具的三維幾何模型。在刀具建模時(shí)，可以只考慮刀具加工回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的外形的幾何參數(shù)，另外也必須建立刀桿、刀具聯(lián)接系統(tǒng)的幾何模型。 3 葉片多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工仿真示例 　　對(duì)一直徑為f5.8m軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片，采用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?jiān)赨G上完成葉片的三維造型如圖2，將葉片的三維模型變換到加工位置，再通過UG計(jì)算出五軸聯(lián)動(dòng)刀具軌跡。將該刀具軌跡轉(zhuǎn)入我們開發(fā)的葉片多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工仿真軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)的切削過程的刀位軌跡仿真如圖4，機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真如圖3。對(duì)于某一混流式水輪機(jī)葉片進(jìn)行動(dòng)態(tài)的切削過程的幾何仿真如圖5。 圖4 加工過程中的刀位軌跡仿真 圖5 切削過程的幾何仿真 4 結(jié)束語(yǔ) 　　針對(duì)水輪機(jī)葉片多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工的仿真環(huán)境建立方法，已用于工程實(shí)際大型葉片數(shù)控加工編程過程中的程序檢驗(yàn)和加工方案優(yōu)化。通過仿真加工，不僅有效地保證了加工質(zhì)量和設(shè)備安全，而且取消了葉片的“試加工”過程，并已成為大型葉片數(shù)控加工編程過程中檢驗(yàn)程序和優(yōu)化加工方案必不可少的手段。 參考文獻(xiàn)： [1] Xi-de Lai, Yun-fei Zhou, Ji Zhou, at al. 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