石头脾气
这篇不知道合你不 雕塑曲面体混流式叶片的多轴联动数控加工编程技术 摘要：转轮叶片是水轮机能量转换的关键部件，也是最难加工的零件，目前多轴联动数控加工是解决该类大型雕塑曲面零件最有效的加工方法。多轴联动数控加工编程则是实现其高精度和高效率加工的最重要环节。本文介绍混流式水轮机叶片五轴联动数控加工大型雕塑曲面编程中涉及到转轮叶片三维造型、刀位轨迹计算、切削仿真、机床运动碰撞仿真、后置变换等关键技术。通过对这些技术的链接和研究，开发实现了大型叶片的多轴联动加工。 关键词：数控编程 引言 水轮机是水力发电的原动机，水轮机转轮叶片的制造，转轮的优劣，对水电站机组的安全、可靠性、经济性运行有着巨大的影响。水轮机转轮叶片是非常复杂的雕塑面体。在大中型机组制造工艺上，长期以来采用的“砂型铸造—— —砂轮铲磨——立体样板检测 —的制造工艺，不能有效地保证叶片型面的准确性和制造质量。目前采用五轴联动数控加工技术是当今机械加工中的尖端高技术。大型复杂曲面零件的数控加工编程则是实现其数字化制造的最重要的技术基础，其数控编程技术是一个数字化仿真评价及优化过程。其 关键技术包括：复杂形状零件的三维造型及定位，五 轴联动刀位轨迹规划和计算，加工雕塑曲面体的刀轴 控制技术，切削仿真及干涉检验，以及后处理技术等。 大型复杂曲面的多轴联动数控编程技术使雕塑曲面体 转轮叶片的多轴数控加工成为可能，这将大大推动我 国水轮机行业的发展和进步，为我国水电设备制造业 向着先进制造技术发展奠定基础。 " 大型混流式水轮机叶片的多轴数控加工编程过程大型复杂曲面零件的五轴联动数控编程比普通零件编程要复杂得多，针对混流式叶片体积大并且型面曲率变化大的特点，通过分析加工要求进行工艺设计，确定加工方案，选择合适的机床、刀具、夹具，确定合理的走刀路线及切削用量等；建立叶片的几何模型、计算加工过程中的刀具相对于叶片的运动轨迹，然后进行叶片的切削仿真以及机床的运动仿真，反复修改加工参数、刀具参数和刀轴控制方案，直到仿真结果确无干涉碰撞发生，则按照机床数控系统可接受的程序格式进行后处理，生成叶片加工程序。其具体编程过程如图-所示。 图-大型混流式叶片的五轴联动数控加工编程流程!"! 混流式水轮机叶片的三维几何建模 混流式叶片这一复杂雕塑曲面体由正面、背面、与上冠相接的带状回转面、与下环相接的带状回转面、 大， 可编写一个.*/0程序读入这些三维坐标点，然后采用双三次多补片曲面片通过自由形式特征的通过曲线的方法进行曲面造型，如图1所示。叶片的毛坯形状可从设计数据点进行偏置计算处理，或者从三维测量得到的点云集方式确定对叶片的各个曲面分别进行"234$曲面造型，并缝合成实体。 !"# 叶片加工工艺规划 加工方案和加工参数的选择决定着数控加工的效率和质量。我们根据要加工叶片的结构和特点可选择大型龙门移动式五坐标数控铣镗床，根据三点定位原理经大量的研究分析，决定在加工背面是采用通用的带球形的可调支撑，配以叶片焊接的定位销对叶片定位，在叶片上焊接必要的工艺块，采用一些通用的拉紧装置来装夹。加工正面时，采用在加工背面时配合铣出的和背面型面完全一致的胎具，将叶片背面放入胎具，利用焊接的工艺块进行调整找正，仍然采用通用的拉压装置进行装夹。由于叶片由多张曲面组合而 成，为了解决加工过程中的碰撞问题，我们采用沿流线 走刀，对于叶片的正背面进行分区域加工，根据曲面各 处曲率的不同采用不同直径的刀具、不同的刀轴控制方 式来加工。对每个面一般分多次粗铣和一次精铣。在机 床与工件和夹具不碰撞和不干涉情况下，尽量采用大直 径曲面面铣刀，以提高加工效率。叶片正背面我们选用 刀具直径!-56曲面面铣刀粗铣、!-16曲面面铣刀精铣， 叶片头部曲面采用!76的曲面面铣刀加工，出水边采用!76螺旋玉米立铣刀五轴联动侧铣。根据后续仿真情况 反复做刀位编辑，以寻求合理的加工方案。在满足加工 要求、机床正常运行和一定的刀具寿命的前提下尽可能 的提高加工效率。 !"$叶片五轴联动加工刀位轨迹的生成 针对大型混流式叶片各曲面的特点，进行合理的刀 位轨迹规划和计算，是使所生成的刀位轨迹无干涉、无 碰撞、稳定性好、编程效率高的关键。由于五轴加工的 刀具位置和刀具轴线方向是变化的，因此五轴加工的是 由工件坐标系中的刀位点位置矢量和刀具轴线方向矢量 组成，刀轴可通过前倾角和倾斜角来控制，于是我们可 根据曲面在切削点处的局部坐标计算出刀位矢量和刀轴 矢量。从加工效率、 表面质量和切削工 艺性能来看，选择 沿叶片造型的参数 线作为铣削加工的 方向分多次粗铣和 一次精铣，然后划 分加工区域，定义 与机床有关的参数， 根据以上所选叶片 的加工部位、装夹 图, 混流式叶片的刀轨生成 定位方式、机床、 刀具及切削参数和余量分布情况将叶片分为多个组合面 分别进行加工。通过对曲面曲率的分布情况的分析对于 不同的区域采用不同的面铣刀。粗加工给出每次加工的 余量，精加工采用同一直径的铣刀，根据粗糙度要求给 定残余高度，根据具体情况选择切削类型、切削参数、 刀轴方向、进退刀方式等参数，生成的刀位轨迹如图, 所示。但是对于像叶片这样的曲率变化很大而又不均匀 的雕塑曲面零件我们还要根据情况作大量的刀位编辑， 并且必须进一步通过切削仿真做干涉和碰撞检查修改和 编辑刀轨。 !"#叶片五轴联动数控加工仿真 数控加工仿真通过软件模拟加工环境、刀具路径 与材料切除过程来检验并优化加工程序。在计算机上 仿真验证多轴联动加工的刀具轨迹，辅助进行加工刀 具干涉检查和机床与叶片的碰撞检查，取代试切削或 试加工过程，可大大地降低制造成本，并缩短研制周 期，避免加工设备与叶片和夹具等的碰撞，保证加工 过程的安全。加工零件的"!代码在投入实际的加工之 前通常需要进行试切，水轮机叶片是非常复杂的雕塑 曲面体，开发利用数控加工仿真技术是其成功采用五 轴联动数控加工的关键。在此，我们首先进行工艺系 统分析，明确机床!"!系统型号、机床结构形式和尺 寸、机床运动原理和机床坐标系统。用三维!,-软件建 立机床运动部件和固定部件的实体几何模型，并转换 成仿真软件可用的格式，然后建立刀具库，在仿真软 件中新建用户文件，设置所用!"!系统，并建立机床运 动模型，即部件树，添加各部件的几何模型，并准确 定位，最后设置机床参数。 接下来将叶片模型变换到 加工位置计算出刀具轨迹，再以此轨迹进行叶片切削 过程、刀位轨迹和机床运动的三维动态仿真。这样就 可以清楚的监控到叶片加工过程中的过切与欠切、刀 杆和联接系统与叶片、机床各运动部件与叶片和夹具 间的干涉碰撞，从而保证了数控编程的质量，减少了 试切的工作量和劳动强度，提高了编程的一次成功率， 缩短了产品设计和加工周期，大大提高生产效率。如 在数控加工行业进行推广，可产生巨大的经济和社会 效益。叶片的切削仿真如图.所示，叶片的机床加工仿 真如图/所示。 图. 混流式叶片的切削仿真图/ 混流式叶片的机床加工仿真 !"$叶片刀位轨迹的后置处理 后置处理是数控编程的一个重要内容，它将我们前 面生成的刀位数据转换成适合具体机床的数据。后处理 最基本的两个要素就是刀轨数据和后处理器。我们应首 先了解龙门移动式五坐标数控铣镗床的结构、机床配备的附属设备、机床具备的功能及功能实现的方式和机床 配备的数控系统，熟悉该系统的"!编程包括功能代码 的组成、含义。然后应用通用后置处理器导向模板，根 据以上掌握的知识，开发定制专用后置处理器。然后将 我们已得刀位源文件进行输入转换成可控制机床加工的 "!代码。 % 结束语 复杂曲面的多轴联动数控编程是一涉及到众多领域 知识的复杂流程，是数字化仿真及优化的过程。本文介 绍的大型水轮机叶片的多轴联动编程技术，已用于工程 实际大型叶片的数控编程中，实现了大型转轮叶片的五 轴联动数控加工的刀位轨迹计算和加工仿真，保证了后 续数控加工的质量和效率，已作为大型水轮机叶片五轴 联动数控加工的编程工具用于实际生产中。
于丽波55
基于UG的模块化机械设计方法研究摘 要]本文采用模块化设计思想和UG二次开发技术,解决了用UG软件进行机械设计时,许多常用件需要多次重新设计的问题。常用件模块以菜单的方式结合在UG软件中,这具有良好的可扩充性和可移植性。[关键词]模块化设计 机械设计 UG二次开发Unigraphics(简称UG)是美国EDS公司推出的CAD/CAM/CAE一体化软件。它的内容涉及到平面工程制图、三维造型、装配、制造加工、逆向工程、工业造型设计、注塑模具设计、钣金设计、机构运动分析、数控模拟、渲染和动化仿真、工业标准交互传输、有限元分析等十几个模块。近年来UG发展迅速,已广泛应用于多个领域,更是进行机械设计的常用软件。虽然UG功能非常强大,但在进行机械产品设计的时候经常会遇到一些标准件以外的常用件,若每次对它们均从头开始设计,则要做大量的重复性工作。为了提高劳动生产率,降低设计成本,将已经广泛应用于电子、计算机、建筑等领域的模块化设计思想引用到机械设计中,形成基于UG的模块化机械设计。1模块化机械设计1.1模块及模块化的概念模块是一组具有同一功能和结合要素(指联接部位的形状、尺寸、连接件间的配合或啮合等),但性能、规格或结构不同却能互换的单元。模块化则是指在对产品进行市场预测、功能分析的基础上划分并设计出一系列通用的功能模块,然后根据用户的要求,对模块进行选择和组合,以构成不同功能或功能相同但性能不同、规格不同的产品。1.2模块化机械设计相关性模块化设计所依赖的是模块的组合,即结合面,又称为接口。为了保证不同功能模块的组合和相同功能模块的互换,模块应具有可组合性和可互换性两个特征。这两个特征主要体现在接口上,必须提高模块标准化、通用化、规格化的程度。对于模块化机械设计,可见其关键是怎样划分模块,这里主要通过综合考虑零部件在功能、几何、物理上存在的相关性来划分模块。(1)功能相关性零部件之间的功能相关性是指在模块划分时,将那些为实现同一功能的零部件聚在一起构成模块,这有助于提高模块的功能独立性。(2)几何相关性零部件之间的几何相关性是指零部件之间的空间、几何关系上的物理联接、紧固、尺寸、垂直度、平等度和同轴度等几何关系。(3)物理相关性零部件之间的物理相关性是指零部件之间存在着能量流、信息流或物料流的传递物理关系。1.3模块化机械设计的优点模块化机械设计在技术上和经济上都具有明显的优点,经理论分析和实践证明,其优越性主要体现在下述几方面:(1)可使现在机械工业得到振兴,并向高科技产业发展;(2)减轻机械产品设计、制造及装配专业技术人员的劳动强度;(3)模块化机械产品质量高、成本低,并且妥善解决了多品种小批量加工所带来的制造方面的问题;(4)有利于企业根据市场变化,采用先进技术改造产品、开发新产品;(5)缩短机械产品的设计、制造和供货期限,以赢得用户;(6)模块化机械产品互换性强,便于维修。2模块化机械设计在UG中的实现2.1总体构思在用UG进行机械设计时,为了将常用件模块化,首先要把常用件的三维模型表达出来。对于系列产品,可按照成组技术的原理进行分类,一组相似的常用件建立一个三维模型,即所谓的三维模型样板。根据UG参数化设计思想,一个三维模型样板可认为是一组尺寸不同、结构相似的系列化零部件的基本模型。把众多的三维模型样板按类分开,每一类放在一个集合里,这样每类都形成了一个三维模型样板的模块库。为了使模块库与UG的集成环境有机地结合在一起,把每个模块库都以图标的方式放在用户菜单上,以方便调用。为了实现这一总体构思,综合运用了UG/Open MenuScript、UG/Open Ulstyler、UG/OpenAPI、Visual C++等UG二次开发技术,其程序流程图如图12.2模块库菜单设计为了与UG菜单交互界面风格保持一致,模块库采用了分级式下拉菜单,下拉菜单通过UG/Open MenuScript模块开发实现。即利用MenuScript提供的UG菜单脚本语言,编写成扩展名为“.men”的文本文件,将其放在用户目录下的/startup目录内,通过设定UG的环境变量,UG在启动时会自动加载用户菜单文件。为了方便用户调用时快速检索到所要的常用件三维模型样板,将下拉菜单的最大深度设计为3级,且每一条下拉菜单最多不超过15个按钮。末级菜单上每一个按钮对应一个常用件三维模型样板名称,点击末级菜单按钮即调出创建相应产品的三维模型样板对话框。2.3三维模型样板对话框设计利用UG/Open Ulstyle制作UG风格的对话框,按照模型样板的参数生成包含数据输入框、文本框、按钮、图片等控件的对话框。在对话框上部显示零配件图片,在对话框左上角显示对话框标题,在UG系统窗口左下角显示操作提示信息,这样可以使用户很方便地设计或选用常用件三维模型,三维模型样板对话框设计完成后,生成扩展名为“.dlg”文件。所有对话框都有6种基本同调函数,分别是Apply按钮的回调函数,Back按钮的回调函数、Cancel按钮的回调函数、OK按钮的回调函数、对话框构造函数和对话框析构函数。其中对话框构造函数在UG构建对话框完成之后、用户应用程序执行之前调用,将常用件三维模型的常用规格及技术要求显示到信息窗口,供用户创建产品时作参考。对话框析构函数在UG用户对话框关闭时调用,程序编写时利用它进行关闭、清除信息窗口以及释放申请的内存空间等操作。2.4应用程序动态链接库(*.dll)创建UG/Open API应用程序是用C/C++语言编写的,它除了能够在UG的环境下对UG进行功能调用外,还能在程序中实现软件的文件管理、流程控制、数据传输、窗口调用、数值计算等C/C++语言支持的全部功能,使用非常灵活。UG/Open API应用程序牵涉到UG提供的头文件(*.h)、库文件(*.dll)及以C/C++语言编程环境,需要对Visual C++编译环境进行设置,下面给出了Visual C++6.0编译环境设置方法及动态链接库的创建过程:(1)建立一个空的动态链接库工程。(2)配置程序头文件(*.h)、库文件(*.dll)的目录路径。其中头文件包括UG头文件,Visual C++6.0库文件。(3)将对话框生成的C语言源文件模板文件*.template.c添加到Project中。(4)编制应用程序。进入对话框回调函数内部进行程序编制,定义变量及UG对象,运用C/C++语言和UG/Open API函数进行参数化建模设计。(5)生成动态链接库(*.dll)文件。UG启动时会自动加载动态链接库文件,供用户菜单调用。3结束语随着装备制造业的飞速发展,产品种类急剧增多且结构日趋复杂,只有产品设计周期不断缩短,才能够满足企业激烈竞争的需要。用UG软件进行模块化机械设计符合机械产品快速设计的理念,符合装备制造业的发展需要,是机械设计的发展方向之一,具有较高的实用价值和经济价值。参考文献[1]袁峰UG机械设计工程范例教程[M]北京机械工业出版社2006[2]王志张进生于丰业王鹏任秀华基于模块化的机械产品快速设计[J]机械设计2004,21,8[3]滕晓艳张家泰产品模块化设计方法的研究[J]应用科技2006,33,2[4]董正卫田立中付宜利UG/Open API编程基础[M]北京清华大学出版社,2002
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