汽轮机叶片的参数化造型及数控编程研究

第2期2010年2月机械设计与制造MACHINERYDESIGNMANUFACTURE183文章编号10013997201002018303汽轮机叶片的参数化造型及数控编程研究韩庆瑶朱长月乐英华北电力大学机械工程系，保定071003RESEARCHOL3PARAMETRICMODELINGANDNCPROGRAMMINGOFSTEAMTURBINEBLADESHANQINGYAO，ZHUCHANGYUE，YUEYINGDEPARTMENTOFMECHANICALENGINEERING，NORTHCHINAELECTRICPOWERUNIVERSITY，BAODING071003，CHINAI【摘要】为保证汽轮机叶片的加工精度和表面质量，以典型的CADCAM软件PROENGINEERWIDE一5FIRE20中文版为基础，绘制了汽轮机叶片参数化设计加工的流程图；用参数化建模方法建立了叶片的三维2实体模型，提出用NURBS非均匀有理B样条曲线拟合方法进行光顺处理，并推导出NURBS的矩阵表达式便于截面型线的拟合，进而使叶片的造型更加精确；在CAD模型的基础上，分析了叶片的加工工艺流程，并用软件的CAM功能对叶片进行数控加工仿真，生成了NC代码。叶片的参数化设计和加工处于同一软件环境下，保证了数控加工的质量和效率。关键词PROE；汽轮机叶片；NURBS造型；加工仿真；数控编程【ABSTRACT】NORDERTOASSURANCETHEMACHINGACCURACYAND上咖EQUALITYOFSTEAMTURBINEBLADES，BASEDONTYPICALCADCAMSOFIWAREPROENGINEER20，THEFLOWDIAGRAMOFPARAMETRICMODELINGANDMACHINGOFTURBINEBLADESISDRAWN；THE3一DENTITYMODELSTEAMTURBINEBLADEISUPBUIHBYPARAMETRICMODELINGMETHOD，ANDTHEFITMETHODWITHNURBSISEXTRACTEDTOSMOOTHTHECURVESUACE，ANDTHEMATRIXEXPRESSION；OFNURBSSDEDUCED。MAKETHESRFACEMOACCURE；BASED。ITSCADMODEL，THEMACHINGTECH一2NOLOGYPROCESSOFTHEBLADEISANALYZED，PROCESSINGSIMULATIONISPRACTICEDBYCAMFUNCTIONOFPROE，ANDTHENCCODEISCREATEDTHEPARAMETRICDESIGNANDROACHINGTURBINEBLADESAREUNDERTHESALNESOFAWARECIR一65CURNSTANCETHROUGHOUTTHEPROCEDURE，ANDTHEQUALITYANDEFFICIENCYOFNCMACHINGISWELLASSURANCED97KEYWORDSPROE；TURBINEBLADES；NURBSMODELING；PROCESSINGSIMULATION；NCPROGRAMMING00中图分类号TH122文献标识码A1弓I言汽轮机叶片的型面已经从等截面直叶片向变截面扭叶片发汽轮机叶片是一种典型的具有复杂曲面的零件，它作为汽轮展，加工工艺也变得愈加复杂，叶片型面的造型及加工直接影响机的“心脏，部分，直接将蒸汽的热能转化为转子机械能。,F到汽轮机的工作性能。目前，汽轮机叶片一般均采用自动编程并般都处在高温、高压、高转速和腐蚀介质下工作，不仅需要有较高结合五坐标联动数控机床来加工完成，加工之前的三维参数化的强度，而且要具有较高的抗腐蚀、抗疲劳、抗冲击的能力。随着造型及数控编程是保证叶片加工精度和表面质量的关键。现有的材料科学、设计技术、加工设备的变化和进步，其型面形状日趋复研究一般都是基于CAD软件对叶片进行造型，而且用B样条拟杂，加工工艺也不断地发生变化并日臻完善，加工要求严格且工合型线欠精确；或者只对叶片的造型和加工进行了综述，没有具作量艮大。体的把造型设计和数控编程很好的结合起来。针对汽轮机叶片型来稿日期20090415_一一一一一一一。一一一一一一。一。一一降维”的方法得到了工作空间的几何形状，讨论了机器人工作空3VFMUNOZ，CVARATHORBECK，JGDEGABRIEL，JFLOZANOAMEDICALROBOTIC问的概念和几种求解机器人工作空间的方法及其特点，采用蒙特卡罗方法，在关节变量与工作空间映射关系的基础上，结合MATLAB仿真软件编程，得到了由随机点构成的整体工作空问。为后续动力学和轨迹规划奠定了基础。参考文献1RUSSELLHTAYLOR，DANSTOIANOVICIMEDICALROBOTICSINCOMPUTERINTEGRATEDSURGERYJEEETRANSACTIONSO13ROBOTICSANDAUTOMATION，VO119，NO5，OCT，20037657812YUNJULEE，JONATHANKIN,，SEONGYOUNGKO，WOOJUNGLEEDESIGNOFACOMPACTAPAROSCOPICASSISTANTROBOTKALARICCAS，2003ASSISTANTFORMINIMALLYINVASIVESURGERYJEEEINTERNATIONALCONHRENCEONROBOTICSANDAUTOMATION，SANFRANCISCO，CA，APRIL，2OO0290L29064单以才机器人机械操作臂的模块化设计及其控制的研究硕士学位论文扬州扬州大学，20035单以才机器人机械操作臂的模块化设计及其控制的研究硕士学位论文扬州扬州大学，20036岳龙旺，王树新外科手术机器人缝合打结研究硕士学位论文天津天津大学，20067蔡自兴机器人学北京清华大学出版社，20008李康介入式手术机器运动学仿硕士学住文_哈尔滨哈尔滨工业大学工学，2006184韩庆瑶等汽轮机叶片的参数化造型及数控编程研究第2期面的复杂性，利用NURBS曲线曲面理论并推导出了矩阵表达式，对其三维参数化精确造型进行研究，制定了完善的加工方案；并利用PROE软件对其进行刀具轨迹仿真，生成了NC代码。2汽轮机叶片的CADCAM系统结构图作为集CADCAM于一体的优秀软件PROE，它的CAD模块的应用较为广泛，其强大的实体造型功能和智能特征造型能够充分满足设计者的意图。PROE在设计NC加工程序上提供了功能强大的辅助PRONC加工制造模块，使用户可利用PRONC将产品的计算机几何模型CAD与计算机辅助制造CAM进行整合，实现设计制造一体化，体现出无纸化制造的完整过程。PROE参数化设计加工的流程与实际加工的思路是相近的，加工汽轮机叶片的CADCAM系统结构图，如图1所示。图1汽轮机叶片的CADCAM系统结构3汽轮机叶片的三维参数化造型汽轮机叶片一般有叶根，叶身和叶冠三部分构成。叶根和I1R冠的形状相对来说比较规则，可以通过一些基本的参数化建模操作即可得到实体模型。而叶身部分是汽流通道，形状比较复杂。叶身的横截面称为型面，组成型面的周线称为型线。叶片的叶身就是由这些型线拟合而成的光滑复杂曲面。目前的叶片大多为变截面扭叶片，造型更加复杂。叶片叶身是由沿叶轮辐射线方向按一定规律给出的多个特征截面拟合而成，一般由2种方法给出的叶片不同的横截面数据611以公式曲线的形式给出，如给出圆弧连接点及圆弧半径的数据，由各段圆弧围成截面线；2以一系列离散|R氧数据用列表型线形式给出。多数叶片的截面型线由若干段不同半径的圆弧围成。基于PROE的汽轮机叶片参数化造型一般按以下L个步骤进行31基准及坐标系的选择根据图纸选定各叶身截面的位置并分别作为基准平面，叶片轴线作为基准轴，把基准轴与各基准平面的交点即为各草绘截面的坐标原点。3_2截面草绘分别绘制各截面型线，并将其存为不同的草绘文件，在混合成型时直接调入草绘文件即可。在绘制过程中，因圆弧连接点经常不连续造成的整个截面的不封闭情况，可用加入约束的方法解决。33混合成型在上述步骤基础上，进行一系列设置，分别选择不同的基准平面作为草绘平面，依次调入叶片的各个截面图形。注意各起始点的位置和方向应与第1个截面一致，而且各截面的混合点数应相同，否则应相应增加或删除混合定点，完成各截面混合。叶片造型过程中，由于图纸提供的截面数据不尽合理，致使造型效果不理想。为改善此问题，可使用PROE的样条曲线拟合功能，对截面型线采用NURBST均匀有理B样条曲线进行拟合。一条次NURBS曲线可以表示为一分段有理多项式矢函数日HCODMPM一FO一一1U其中，CA0，1，2，N称为权或权因子WEIGHTS，分别与控制顶点DIO，1，2，相联系。首末权因子。，T00，其余0，且顺序K个权因子不同时为零，以防止分母为零、保留凸包性质及曲线不致因权因子而退化为一点。DIIO，L，2，N顺序连成控制多边形。是由节点矢量，“按德布尔一考克斯递推公式决定的次规范B样条基函数。其表达式如下所示巍M竖划帆1川U一MUIUII规定罟O目前的工业生产中，用2次NURBS曲线拟合即可满足叶片型面造型的准确性。当K2时，二次NURBS曲线可表示为日，J“一一2U为了拟合方便，一般采用矩阵形式来表示NURBS曲线，可先将其写成分段形式，则第I段二次NURBS曲线表示为固PIM2节点矢量为M，“定义符号AM_I0，1，2，NKAXL1一MI0，1，2，NK一1贝4DUA0，A】，A2，MDUTA0,AL，A22，1利用德布尔算法的递推公式JPCCII0F哆1一1LI0IILILF1，2，一，F一1。一经推导可得到二次NURBS曲线的矩阵表示形式0T_L一2NL_1NL1N120一NUN333ILB岛NN他丝弛NJ，3凡NNNO2FEB2010机械设计与制造L85I012N一2L1，“，JD，”LD，OGIDI2W【，I，M有R以上矩阵表达式就呵以通过选择合适的节点矢量和权因子，根据式3坩合适的NURBS曲线对叶片截面型线的各段弧进行拟合。将各截面刑线拟合成相同段数的NURBSH线后，在大程度RIJ女善了叶片型面的光顺程度，造型更加精确。最终得到的时片造型结果，如2所示。图2叶片造型效果图4汽轮机叶片的数控加工自动编程41叶片的加工工艺分析叶片的毛一般是铸造或精锻而成，M一定的加丁余量。当叶片尺寸比较小的时候也口I以直接婀方坯料歼始加工。叶犁曲面的加R常用沿着叶片轴线加工和汀截面型线加工两种加工方案H。由于沿叶片轴线加上出来的汽道表而质量较差，多采用沿截面型线加_丁的方法叶片型面分为LJ、】弧、背弧、叶根角、叶冠圆角、进汽边圆角和出汽边圆角几个部分。叶型是光滑连续的曲面，用一刀成彤的方法，生成沿线连续的具轨迹，一次加工完成用五轴联动数控机睐加工FII1型曲面的主要工艺过程为1粗加L厂该过程主要H的是除多余的毛坯料，加F“型曲面的大怵轮廓2半精加工该过程要加工出叶型曲面的基本形状，留出少量的加1二余量，为精加工做准备3精加_LL该过程要加上出叶型的整个型而，过程和半精JJ口T类似，只是取较小的行距和表LFII允芹，以提高表面的加工质量。42加工刀具的选择一片的一系列加工参数设置完毕后，需选择合适的加具进行加。加工叶片的型而主要用到三种刀具端铣刀或米铣刀粗加R用，圆柱铣刀半精加工，球头刀精加工用OPROE中可根据叶片不同的加IR序选择对应种类及尺寸的刀具。精加T时为避免铣削时发生过训，需刀具半径小于叶片内弧的最小半径即可。43NC加工序列的生成根据三种小的加工上序，对加工过程中的加工方法及一系列工艺参数进行设置，如机床，刀具，夹具的选择；主轴转速，进给速度，切削量的设定等等，生成种对越的NC加序列。44刀具轨迹的生成及DNT仿真PROE的数控JJ口工模块可生成刀具轨迹，X,FF片进行模拟加工。通过仿真可以检查刀具路径是否确以及是否存在干涉或过切现象。PROE中叶片的加_J仿真过程，如图3所示。冈3叶片加T仿真过程45刀位文件的生成及后置处理刀位轨迹及1I涉情况检查完成后，若无问题，对其进行后置处理，经一系列操作即叮牛成数控DH_TCL数据和DIMR码。用PME得到的叶片NC代码，如4昕示。4叶片的NC程序文件5结论在PROE软件环境下，运用NURBS曲线理论建立了叶片的精确二维参数化模型；并利刖软件对其进行了JJU丁仿真，生成厂叶片的数控加工代码。汽轮机叶片的设汁和JJN工编程处于同一个CADCAM环境下，实现了产品设计和制造过程的无缝连接，大大减小了编程出错牢，提高，编稃的效率，进而保证数控加工的质量和效率参考文献1周济，周艳红数控加技术EM北京周防业出版社，20022施法中计算机辅助几何十与非均匀有理B样条EM北京高等教育出版社，200L3章泳健，潘毅，孟涛汽