（机械制造及其自动化专业论文）基于成组技术的自由曲面零件建模与加工仿真.pdf

基于成组技术的自由曲面类零件加1 = 与仿真 摘要 自由曲面零件涉及到航空、船舶、能源及机械等国防和民用应用领域，因其自由曲 面结构复杂、造型和加工困难，而一直是机械制造行业研究的热点。c a d c a m 技术对 解决这些难题发挥了巨大作用。叶片型面是由自由曲面构成，构建其三维模型和实现数 控编程是加工叶片的关键。通过应用c a d c a m 技术，建立叶片的三维模型，制定合理 的加工工艺，对叶片三维模型自动完成数控编程，生成n c 代码，改善叶片设计和加工 质量，它是叶片制造技术的发展方向。 基于成组技术的思想，在对汽轮机叶片结构特征和数控加工工艺分析的基础上，以 u gn x 软件作为开发平台，利用u g 二次开发工具和v c + + 6 0 编程工具，开发出了叶 片c a d c a m 专用系统。通过对叶片建模和加工编程过程中的难点进行研究，实现了叶 片的快速建模和数控编程，改进了传统的叶片设计和制造方法，为企业实现标准化、系 列化和网络化提供了条件，提高了叶片设计和制造质量，缩短了设计周期，降低了叶片 的生产成本。 以汽轮机叶片结构特征和功能分析为基础，基于成组技术的思想对其进行分类及编 码，确立了模块化设计汽轮机叶片的思想并开发了叶片c a d 模块。通过对截面型线连 接和叶身型面造型方法的研究，以编程的方式实现对叶身的自动建模；对叶根和叶冠的 结构分析后，采用特征参数化的方法对其建模。 通过对汽轮机叶片加工关键技术的研究，开发了叶片c a m 模块，自动完成对叶片 数控编程，实现了叶片的快速加工。最后通过一个工程实例对本系统进行了建模和数控 编程的验证，验证表明本系统具有直观、操作简单建模和编程高效的特点。 关键词：自由曲面；成组技术；汽轮机叶片；c a d c a m 系统；二次开发 基于成组技术的自由曲面类零件加t 与仿真 a bs t r a c t f r e e f o r ms u r f a c ep a r t sa r er e l a t e dt on a t i o n a ld e f e n s ea n dc i v i l i a na p p l i c a t i o nf i e l d s s u c ha sa v i a t i o n ，s h i p p i n g ，e n e r g ys o u r c ea n dm e c h a n i s m f r e e f o r ms u r f a c ep a r t si sa r e s e a r c hh o t s p o ti n t h em a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yb e c a u s et h e ya r ec o m p l e xi n s t r u c t u r e ，a n da r e d i f ! f i c u l tt om o d e la n dt om a c h i n e c a d c a mt e c h n o l o g yp l a y sa s i g n i f i c a n tr o l ei ns o l v i n gt h e s ep r o b l e m s b l a d es u r f a c ec o n s i s t so ff r e e f o r ms u r f a c e ，3 d m o d e l i n ga n dn cp r o g r a m m i n go f t h eb l a d ei sc r u c i a lf o rt h em a c h i n i n g b yt h ea p p l i c a t i o n o fc a d c a m ，3 dm o d e l o ft h eb l a d ec a l lb ec o n s t r u c t e d a f t e rm a k i n gar e a s o n a b l e m a c h i n i n gp r o c e s s ，t h en cp r o g r a m m i n gw i l lb ec o m p l e t e da u t o m a t i c a l l y i tp o i n t so u tt h e d e v e l o p i n gd i r e c t i o no fb l a d em a n u f a c t u r et e c h n i q u e s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n dn cm a c h i n i n gt e c h n i q u eo ft h es t e a mt u r b i n eb l a d ea r e a n a l y z e db a s e d o ng r o u pt e c h n o l o g y a n dt h e n , o nt h eu gn xp l a t f o r m ，t h eb l a d e c a d c a ms y s t e mi sd e v e l o p e db yu g o p e nt o o la n dv c + + 6 0 a f t e rt h ed i f f i c u l tp o i n t so f m o d e l i n ga n dm a c h i n i n ga r es t u d i e d ，m o d e l i n ga n dn cp r o g r a m m i n gf o rb l a d e sc a nb e c o m p l e t e dr a p i d l y ，a n dt h et r a d i t i o n a lm e t h o do fd e s i g na n dm a n u f a c t u r ea r ei m p r o v e d ，a n d c o n d i t i o n sa r ep r o v i d e dt or e a l i z es t a n d a r d i z a t i o n ，s e r i a l i z a t i o n ，n e t w o r kf o re n t e r p r i s e ，s ot h a t t h eq u a l i t yo fb l a d e si se n h a n c e d ，t h ed e s i g nc y c l ei ss h o r t e n e d ，t h em a n u f a c t u r ec o s ti s r e d u c e d a f t e rt h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n df u n c t i o n so fs t e a mt u r b i n eb l a d ea r ea n a l y z e d ，t h e b l a d e sa r ec l a s s i f i e db a s e do nt h o u g h to fg r o u pt e c h n o l o g y a n dt h e nb l a d ec a dm o d u l ei s d e v e l o p e da n dm o d u l ed e s i g nt h o u g h t sa l ee s t a b l i s h e d t h r o u g ht h es t u d yo f s e c t i o n a lp r o f i l e c o n n e c t i o na n db l a d es u r f a c em o d e l i n gm e t h o d ，t h ea u t o m a t i cm o d e l i n go fb l a d es u r f a c ei s i m p l e m e n t e db yp r o g r a m m i n g m o d e l i n gp r o c e d u r e f o rb l a d er o o ta n db l a d et i pi s i m p l e m e n t e db yf e a t u r ep a r a m e t e rd e s i g nt e c h n o l o g y t h ek e yt e c h n o l o g yo fb l a d em a n u f a c t u r ei ss t u d i e d ，a n dt h e nb l a d ec a mm o d u l ei s d e v e l o p e d ，w h i c hc a na u t o m a t i c a l l yc o m p l e t et h en cp r o g r a m m i n g i nt h ee n d ，t h eb l a d e c a d c a ms y s t e mi sv e r i f i e dw i t ha ne x a m p l e ，a n di t sr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h es y s t e mi s c o n v e n i e n t ，p r e c i s ea n de f f i c i e n t k e y w o r d s ： f r e e f o r ms u r f a c e ；s t e a mt u r b i n eb l a d e ；g r o u pt e c h n o l o g y ；c a d c a ms y s t e m ； s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t 第1 章绪论 ， 、| ： 第1 章绪论 ， 1 1 课题的目的及意义， ；， 。，j 。 靠r 。 j 、 ，自由曲面类零件涉及到航空、船舶、能源、机械等国防和民用应用领域，因其自由 曲面结构复杂、加工困难，而一直是机械制造行业研究的热点。随着现代制造技术的发 展和c a d c a m 软件的出现，自由曲面类零件的建模与加工发生了巨变。 本课题研究的目的是面向虚拟制造与仿真，以汽轮机叶片( 简称叶片) 为例对自由 曲面类零件的建模与加工仿真系统进行研究。 叶片是汽轮机的核心部件之一，其设计水平、加工精度是决定汽轮机工作效率的关 键因素。因此，作为自由曲面类零件的代表，叶片的加工技术一直是制造业研究的重要 课题。国外世些企业和少数的国内企业使用叶片专用加工机床和专用软件来加工制造叶 片；而大多数国内企业使用普通数控机床或者多轴联动数控机床和数控加工软件加工叶 片，达到降低成本的目的。 ；：2 。”，：1 i 。：。 “l p | ，。i 叶片数控加工软件分为通用软件和专用软件。通用数控加工软件是指由商业公司开 发的广泛应用于航天、航空、汽车、机械等众多领域，立足手通用零件的数控加工软件， 如u gn x 、，c a t i a 、p r o e 和m a s t e r c a r n 等。它不包括针对某一零件的专用加工算法， 因此，使用通用软件加工叶片有很大的局限性，影响其使用效率，而且过程复杂，需要 设置的参数很多；同时，通用的软件对叶片造型时，采用人机交互式的方法，效率较低。 专用软件是指某些企业或者用户针对自身的使用需求而开发或者对通用软件进行二次 开发得到的，具有高效、直观的特点。叶片由于其结构的特殊性和加工的复杂性，使用 通用软件造型和加工往往达不到提高效率，降低成本的目的，因此，国内外一些企业开 始研究专门针对叶片造型和加工的专用机床及其专用软件包，如瑞士s t a r r a g 公司生产 的专门用于加工叶片的五轴数控专用机床n x - 1 5 4 及其专用数控加工软件r c s ，如图1 1 所示，是目前国际国内最先进的叶片加工机床之一，其精度高、效率高，可一次装夹完 成所有工序，但是价格昂贵，而且其提供的配套专用软件是封闭的，用户无法结合自身 的实际产品类型和生产情况对其进行调整或修改。国内领先叶片加工专用机床如北京机 电院高技术股份有限公司开发研制的x k h l 6 0 0 五轴联动叶片加工中心( 图1 2 ) 及其专 用软件相对于国外的叶片专用机床有一定的价格优势，但对于一般企业还是难以承受。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 1n x l 5 4 机床 ( b ) 图1 2x k h l 6 0 0 五轴联动叶片加工中心 通过以上分析，基于普通的五轴联动数控机床，研究具有自主知识产权，同时具有 直接、高效的造型功能和高精度、高效率的加工功能的叶片专用加工软件或者以现有通 用软件为平台，开发适合企业自身应用的叶片c a d c a m 系统十分必要。通过使用专用 软件或系统可以改进传统的叶片设计和制造方法，缩短叶片的技术准备周期，提高加工 质量和效率，降低生产成本。同时，也为制造企业标准化和网络化，最终实现信息化提 供技术支持与服务。因此，本文研究的内容从企业实际需求出发，具有很强的针对性和 工程实际应用价值。 1 2c a d c a m 技术的发展 1 2 1c a d 技术和c a m 技术的发展 c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n 计算机辅助设计) 是指使用计算机系统来辅助完成产 2 第1 章绪论 品的设计、绘图、分析、优化以及修改等设计过程。因此，c a d 的发展与计算机软硬 件的发展是密不可分的。1 9 4 6 年世界上第一台电子计算机出现后，研究人员就一直在尝 试将计算机技术引入到机械设计和制造领域。经过短短几年，1 9 5 0 年研究人员成功地实 现了图形的屏幕显示，结束了计算机只能处理字符数据的历史。2 0 世纪6 0 年代末期到 7 0 年代中期，由于计算机硬件的不断发展，许多应用软件不断被开发出来，c a d 技术 逐渐趋于成熟，同时一些以微型p c 机为主机的c a d 系统成为主流。这一时期出现的三 维c a d 系统只是极为简单的线框式系统，只能表达基本的几何信息，不能有效表达几 何拓扑间的有效数据关系。2 0 世纪7 0 年代中期到8 0 年代是c a d 技术发展迅速的时期。 这主要是由于计算机硬件成本大幅度下降，软件技术如有限元分析、优化设计等技术的 迅速提高。首先是研发了为解决飞机、机车工业中遇到的大量的自由曲面问题而发展的 曲面造型系统；后来由于航天技术的迅速发展，要求对产品进行更高的动态分析，实体 造型技术的应用拓展了c a d 应用技术领域：最后，由于商品化c a d 软件的出现加速了 c a d 技术在各类企业中的推广和应用普及。 c a m ( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g 计算机辅助制造) 指机床的数控编程，包括加 工道具选择、刀具轨迹仿真和数控加工程序的生成等。1 9 5 2 年，世界第一台数控机床的 研制成功为c a m 奠定了硬件基础。2 0 世纪5 0 年代中期，科研人员研制了能把零件的 几何形状、刀具运动轨迹和数控程序联系在一起并实现计算机辅助自动数控编程的 a p t ( a u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m e dt o o l 自动编程工具) 语言，这为c a m 奠定了软件基础。 至此，实现c a m 具备了硬件和软件的保障船1 。c a m 技术的发展同样和计算机的发展密 不可分，因此c a m 系统发展主要经历了如下几个阶段：以大型机为基础，缓慢发展阶 段；由于计算机性价比大幅提高，以小型机为基础，快速发展阶段：以工作站为基础， 功能非常强大；近年来，p c 机性能大幅度提高，以p c 机为主机将是c a m 系统发展的 主流趋势。 c a d 和c a m 在出现和发展的同时，在各自领域得到了广泛认同，由于设计和制造 自动化的需求，需要将二者集成在一起，出现了集成化的a 如删系统n 一1 1 2 2q 如c a m 技术的发展 c a d c a m 技术是把c a d 和c a m 通过一定的数据交换标准集成起来，实现各模 块数据全系统共享的一种先进的制造技术，其通过c a d c a m 软件来实现。使用该技术 能在保证产品质量的同时大幅度缩短产品设计制造生产周期，降低生产成本，增加产品 3 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 的市场竞争力，在各类制造企业得到了广泛的应用。 c a d c a m 技术自上世纪6 0 年代问世以来，得到了快速的发展。2 0 世纪8 0 年代， 出现了一批著名的c 柚c a m 系统，如美国e d s 公司研究开发u g 系统：p t c 公司的 p r o e 系统；s o l i d w o r k s 公司的s o l i d w o r k s 系统；法国d a s s a u l ta v i a t i o n 公司的c a t i a 等，目前这些软件系统已经在各行各业中得到了广泛应用。c a d c a m 技术也已成为新 代生产技术发展的核心技术。目前全世界范围内有非常多的企业在使用这项技术。我 国也有相当一部分企业在使用这项技术。 我国c a d c a m 技术的研究和应用自1 9 8 6 年实施“8 6 3 c i m s ”计划以来，也取 得了可喜成绩。至2 0 世纪9 0 年代后期，我国c a d c a m 技术的覆盖面和普及率己达近 7 0 9 6 。北京航空航天大学、清华大学、华中科技大学和南京航空航天大学等一批高校和 科研院所相继推出了自己的c a d c a m 技术研究成果。如北航海尔的c a x a ，北京高华 计算机有限公司推出的高华c a d ，金银花m d a 三维造型软件系统；华中科技大学的开 目c a d ；南京航空航天大学的s u p e r m a n c a d c a m 系统等。目前，使用国产c a d c a m 系统的用户在逐步增加。但是总体来看，国内无论是在叫洲技术应用方面还是开 发的q 址删系统在深度和广度方面与国外相比还有差距。上述国内外c a d c a m 系 统在提高产品设计水平、缩短设计周期和提高产品设计质量等方面做出了巨大贡献。然 而，这些q m c a m 软件系统均属于通用系统，其功能强、通用性好、使用领域宽，而 使用效率却比较低，对于一些特殊功能要求的数控编程作业还不能支持1 。 现有商品化c a d c a m 软件大部分属于通用系统，由于其综合性强、功能全面，可 以满足企业的一般性需求。但是每个企业都有其自身的特点，在产品设计和加工过程中 需要将本企业的一些特点如设计方法、数据处理等结合起来，因此使用通用c a d c a m 系统会遇见许多特殊问题，影响其应用范围和使用效率。为了充分利用c a d c a m 软件 的强大功能，发挥其效率，结合企业或用户的具体要求，为实现某种特定功能，需要将 通用c a d c a m 系统进行一定的用户化改造，即对c a d c a m 通用系统进行二次开发， 开发出面向企业或用户的专用软件。 综上所述，删洲系统二次开发的目的就是企业或用户充分利用通用 叫c a m 软件系统的二次开发功能，将本企业的特殊的、专业的知识等与其集成，开 发出一套高效的、满足本企业实际应用的系统平台，达到提高生产效率，缩短生产周期 4 第1 章绪论 ；z l m t 昌i 置皇昌蕾譬宣i i 葺 的目的，为企业在市场上的竞争提供了有利的保证。因此，企业在引进商品化通用 。虹) ( 1 蝴系统后，为了使其能够方便快捷的供企业自身使用，应进行不同程度的二次 开发。c a d c a m 系统的二次开发内容有：各种图库的建立；产品的自动造型；二次开 发界面；图库及数据库管理等1 。 1 4 叶片造型技术的发展 汽轮机叶身型面即汽道面是叶片主要工作部分，其由复杂的自由曲面构成。叶身型 面根据功能的不同，在结构上略有差别，其造型方法也有所不同。最开始仅仅通过简单 的单段和多段二次曲线对叶身型面进行造型，后来又采用各种类型的圆弧曲线对叶身型 面进行造型【9 】。再后来由于汽轮机技术的发展，对其性能要求越来越高，叶身型面更加 复杂，用上述的造型方法已无法造型得到所需的叶身型面。 随着c a g d ( c o m p u t e ra i d e dg e o m e t r yd e s i g n 计算机辅助几何设计) 技术的发展 1 1 0 ，b e z i e r 样条、b 样条和n u r b s 样条因具有较高的造型灵活性和精度而相继被用于 叶身型面的造型，应用这些曲线曲面造型技术，叶片的设计水平得到了很大提升l l 。 b e z i e r 样条是通过若干控制顶点和伯恩斯坦基函数的型线组合控制来曲线形状，优 点是计算方便，容易构造；缺点是局部控制性不好，与定义曲线的控制多边形相距较远， 计算量随着顶点数和曲线的次数的增加而增大等1 1 2 l 。 b 样条在吸取b e z i e r 样条优点的同时，对其不足进行了改进，使用b 样条基函数， 从很大程度上改善了其局部控制性能，使构造的曲线更加的逼近控制顶点，在自由曲线 曲面设计方面具有优异的性能1 1 3 j 。 n u r b s 样条可以用一个统一的数学模型表示规则的曲线曲面和自由曲线曲面，满 足了三维实体造型的需要。与其它样条相比较，n u r b s 样条有以下优点1 1 3 l ：其可用一 个统一的表达式同时精确表示标准的解析形体( 如圆锥曲线、二次曲面、旋转曲面等) 和自由曲线曲面；可以通过调整控制顶点或权因子来修改曲线曲面的形状，因而具有较 大的灵活性；计算稳定；具有完善的几何计算工具等。在a 址删领域，n u r b s 方 法最重要的优点是其统一表达自由曲线曲面的能力。因而，当几何形体同时存在自由曲 线曲面和解析曲线曲面时，应用n u r b s 方法最有效。 1 5 叶片加工技术的发展 汽轮机叶片表面为复杂的自由曲面型面，为不锈钢材料，强度高、韧性大、热硬性 5 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 好，是整个汽轮机q 叻n - r 难度最大的零件之一，叶片加工工作量约占整个汽轮机的三分 之一。传统叶片加工采用“砂型铸造一砂轮铲磨一立体样板检测 的方法，有很多不足： 生产效率低；不能保证型面的准确性和制造质量；劳动强度大；工作环境差等。因此， 这种方法不符合技术进步的要求，同时也不能满足市场竞争的要求1 8 j 。 多年来，国内外先后有很多的方法用于叶片类零件的加工，如浇铸成形后修光法、 电火花加工法、精密锻造法和数控力n - r _ 等【1 4 1 。与数控加工相比，前几种方法效率较低， 加工精度差。 数控加工方法因为其生产周期短和加工质量好而成为加工中、小批量叶片首选的方 式。多轴数控加工加工精度和效率高，可以加工复杂型面和自由曲面工件，因此很适于 批量生产和一些复杂工件的加工，便于现代化的生产管理。多轴联动数控技术是 c a d c a m 技术和先进制造技术的基础，有人将其作为一个国家生产设备自动化水平高 低的标志，因而研制多轴数控加工设备对国家科技力量和综合国力的提高有着重要的意 义。目前，国内外加工大型叶片型面主要采用多轴联动数控加工技术【1 5 , 1 6 ，叶片的锻造 毛坯经过一系列的加工工艺，最终被加工至所要求的尺寸。 1 6 本课题研究内容 本论文面向虚拟制造及仿真，以汽轮机叶片为例，对自由曲面零件进行分析，利用 成组技术分类，以u gn x 软件系统为平台进行二次开发，建立汽轮机叶片的c a d c a m 系统。该系统的c a d 模块通过调用数据文件，实现对汽轮机叶片的快速建模；自动加 工模块完成对模型的加工，生成刀轨：对生成刀具轨迹经仿真检验无误后，对其进行后 处理，生成指定机床的n c 代码。 具体研究的内容包括以下几个方面： ( 1 ) 基于成组技术方法，以汽轮机叶片为例，对叶片的结构进行分析，确定了采 用模块化设计的方法对叶片进行设计建模，分别建立叶片各部分的模型库或原始数据 库。以u gn x 软件为开发平台，使用u gn x 二次开发工具和v c + + 6 o 编程语言，完 成专用叶片c a d c a m 系统的总体设计和开发，包括系统控制菜单、叶片c a d 模块和 叶片c a m 模块。 ( 2 ) 开发叶片c a d 模块对叶片各模块的特点研究，通过调用叶片各部分的数据 文件或标准模版，分别完成叶片各部分的三维实体建模，并最终生成叶片的三维实体。 ( 3 ) 开发出叶片c a m 模块通过对叶片的加工工艺过程研究，使用一些直观、快 6 第1 章绪论 _ _ _ _ 一一一 i i i l 捷的人机对话框，完成对刀具的设置叶片加工工艺参数的设置，实现叶片加工的自动编 程。 ( 4 ) 后处理研究通过对叶片加工运动分析，利用u gn x 软件的后处理开发模块， 建立叶片加工机床的后处理操作，实现对叶片加工刀具轨迹的后处理，生成n c 代码。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章基于成组技术的叶片结构分析 2 1 成组技术概述 2 i 1 成组技术的原理 成组技术( g r o u pt e c h n o l o g y ，简称g t ) 遵循事物的相似性，把许多具有相似信息 的问题汇归成组( 族) ，以求用同一种方法解决，达到节省时间，提高效率的目的。在 机械设计制造工程领域，成组技术的思想应用于设计、制造和管理等整个生产系统的全 过程，通过归类成组，改变了传统的多品种小批量生产方式，促进了生产的合理化，获 得最大的经济效益1 1 7 , 1 8 l 。 成组技术的基本原理【1 9 1 是一门生产技术科学，其实质是挖掘事务的相似性。研究表 明，任何一种机械产品都是由特殊件、标准件和相似件三类零件构成，其中相似件的比 例能占到7 0 0 , 6 以上。因此，成组技术就是要充分利用生产活动中有关事务的相似性，并 把它们归类成组，寻求个最优方案来解决此类问题，从而取得预期的经济效益，如图 2 1 所示。成组技术实际上是一个关于制造的哲学概念，更多地体现了一种哲理的思想。 挚| j 产晶- j - 一 口 i l _ 分黛：- 分解+ 一；+ j ! = 【骶 2 1 2 成组技术的应用 t 世 一_ 。i 图2 1 成组技术基本原理示意图 早期的成组技术主要为了解决机械行业中多品种，中、小批量产品的工艺规划和组 囝 。口 一 一 第2 章基于成组技术的叶片结构分析 一i 织同类零件的集中生产。后来逐渐发展为在整个生产系统中使用成组技术的思想统一 协调生产活动的各个方面，以提高综合经济效益。当前，成组技术不但已经成为c a d c a m 、c a p p ( 计算机辅助工艺过程设计) 、f m s ( 柔性制造系统) 和c i m s ( 计算机智 能制造系统) 的基础，同时其思想已深入到各个行业中，如管理科学、系统工程等。目 前，在机械领域，成组技术在产品设计、制造工艺和生产组织管理方面应用较多，下面 作简单介绍。 ，。( 1 ) 应用成组技术思想的产品设计， 。 产品设计是企业生产活动的首要环节。据统计表明；。o 个新产品在其设计过程中， 需要设计人员进行创造性生产劳动的时间仅占整个产品设计周期的3 0 左右，丽其余时 间则去完成一些重复性的工作，因此，产品设计中的重复性工作，直接影响着新产品的 研制周期和费用，严重制约着产品成本的降低。用成组技术指导设计，使设计信息可以 最大程度地重复使用，加快设计速度，节约时间，降低成本。此外，为了保证新产品质 量的相对稳定，在其设计过程中需要继承历年累积并经过考验的相关设计和制造的经 验。以成组技术为指导的设计合理化和标准化工作将为在制造管理方面实施成组技术奠 定了良好的基础刚。 ( 2 ) 成组工艺设计 成组技术最早应用于制造工艺方面。最初是把一些简单工序相似的零件归成组，如 加工方法、安装方式、机床调整相近等，对零件组进行成组工序设计。成组工序支持采 用同一设备和工艺装置，因此，只要按零件组安排生产调度计划，用相同或相近的设备 调整加工全组零件，这样，能大量节省更换零件品种所需要设备调整的时间：此外，由 于组内零件的诸多相似性，可设计出成组公用夹具；将零件按工艺过程相似性分类成加 工族，然后应用成组技术对加工族设计成组工艺过程。成组工艺过程是成组工序的集合， 这样就可以保证采用标准化的工艺路线和同一组机床加i 全族诸零件。上述成组夹具、 成组工艺过程和成组工序的设计应以- 定的年产量为基础。以成组技术指导工艺设计的 合理化和标准化是实现c a p p 及计算机辅助成组夹具设计的基础伫n 。；卜：一： 一 ： ( 3 ) 生产组织管理方面卜- ，j 土：_ fj 。：j ：j “ “i 。：、f ，j 。 “。应用成组技术指导生产加工要求将零件按工艺相似性分类形成加工族，使用同一组 加工设备进行加工。因此，成组生产系统要求按模块化原理，以成组生产单元的形式组 织生产。成组技术基本原理将大量信息分类成组，并使之规格化、标准化：建立整个生 产系统各种信息公用数据摩；压缩了信息的储存量，便于管理。因此，成组技术是计算 机辅助管理系统技术基础之l l i 复! 。o 二：二 ：t ，j 、 ? “：。 l j + h 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一i i i 本文基于成组技术在产品设计方面的应用，采用模块化设计思想，对叶片进行快速 设计建模。 2 2 基于成组技术的叶片结构分析 2 2 1 叶片的结构分析 汽轮机叶片一般由叶根、叶身和叶冠( 或称为叶顶) 3 部分组成，如图2 1 所示。 叶身是叶片关键部分也是工作部分，其表面是复杂的自由曲面，其精度和质量决定汽轮 机的性能；叶根和叶冠用来固定叶片，结构简单。 图2 2 汽轮机i l i 片 叶身型面是由一系列截面型线，按照某一曲面造型方法造型而成。将内弧曲线、背 弧曲线、进汽弧和出汽弧四段曲线按照要求拼接形成截面型线，其形状如图2 - 2 所示。 而这四段曲线的型线数据是以一定的格式存放在一个文本文档中或者可以以文本文档 的格式打开的文件中。叶身的型线的原始设计数据一般以两种形式给出：第一种是以一 系列的离散点的形式：第二种是以分段曲线表示的截面型线，一般会给进汽弧和出汽弧 的圆心坐标及半径、内弧和背弧曲线的坐标点，以及进汽弧和出汽弧与内弧曲线及背弧 曲线的切点坐标。对于第一种形式的数据，不需要对数据进行处理转换，直接可以使用。 对于第二种形式的数据，需要我们对其进行一定的处理转换后供程序使用。这些型值点 的获取方式有两种：一是理论计算得到；二是通过对现有叶片实物或者试验模型测量获 1 0 ： 第2 章基于成组技术的叶片结构分析 得团刀j 。在实际生产中，多以第二种数据格式为主。本文使用的数据就是属于第二种形 式。 出汽弧 图2 3 叶片截面型线 2 2 2 基于成组技术的叶片c a d 弧 现代制造业中，企业间的竞争归根结底是如何更快的开发新产品和降低生产成本。 产品更新换代加速，品种增多，企业要不断开发新的产品。在这个过程中，如何实现缩 短产品开发周期、降低生产成本是企业要解决的首要问题。产品设计的模块化、标准化 和系列化可以有效地解决上述问题，使企业尽可能地满足市场需求。而在这个过程中， 如果没有成组技术作为指导，必然造成产品设计技术准备周期长及其工装夹具设计工作 量大、成本增加、新产品竞争力降低等问题。据统计，企业每年生产的零件产品中，全 新产品所占比例很少，约l 4 ，其余3 4 的零件设计往往可以通过对现有产品进行修改 或借鉴而获得。因此，在产品的设计过程中，只要充分利用成组技术挖潜其相似性，就 可以实现缩短开发周期，降低生产成本和提高产品的竞争力。 用成组技术原理指导企业产品的三维c a d 设计时，有两种方法实现【2 5 】： 方法一：利用c a d c a m 软件本身的零件族功能来完成。例如在u gn x 中可以通 过隐藏特征的操作去除复合零件中不需要的特征，通过表达式和特征操作修改复合零件 中各特征的尺寸，得到所需的零件。 方法二：二次开发的方法得到所需零件。这种方法操作方便、界面清晰，便于零件 的数据管理。 本文采用方法二，通过二次开发的方式，基于成组技术设计思想，完成叶片的快速 设计与建模。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 从图2 1 所示叶片结构图可见，叶片零件由叶根、叶身和叶冠3 部分组成，而其分 别又可以分为若干种，具体分类如图2 3 所示。 叶片零件 y p 叶根 y g e 叶身 y s h 叶冠 y g u t 型叶根0 1 外包t 型叶根0 2 枞树型叶根0 3 叉型叶根0 4 菌型叶根0 5 等截面叶身0 1 单截面弯叶身0 2 多截面弯扭叶身0 3 楔形叶冠0 1 圆柱叶冠0 2 圆柱与楔形组合0 3 图2 4 叶片零件的分类及编码 综上所述，对于不同类型的叶片，可以按照成组技术进行分类设计，分模块建模， 对其编号，分模块管理，合理安排机床，完成一个完整的叶片建模和加工。对汽轮机动 叶片来说，可以分成三个模块：叶根、叶身和叶冠，分别造型设计。因此，本系统分别 建立了“y e s h e n ，“y e g u a n ，“y e g e n 和“y e p i a n l i n g i i a n 四个库，其中“y e s h e n 库 中包含叶身的数据文件和叶身模型两个部分，“y e g u a n 和“y e g e n 库中用来存放叶根 和叶冠的模版和模型两部分，“y e p i a n l i n g j i a n 库中用来存放完整叶片零件模型。对于各 文件的命名，首先完成对叶片各部分、各种类的编码，如图2 3 所示。根据编码，对零 件可以按照以下方式来命名，如图2 4 所示。y p 0 1 0 3 0 1 代表一个楔形叶冠、多截面弯 扭叶身、t 型叶根构成的叶片零件族，再在后面加上两位数的零件编号( 从0 1 开始) ， 便于用户查询。同样，在各个库中对各成员进行命名，具体可以参考本系统的使用说明。 r，、l rl；，一， 第2 章基于成组技术的叶片结构分析 y po10 3o1 木木 i 工五躺 图2 5 完整的叶片命名及编码 完成上述各模块库的建立和命名后，可以对叶片零件进行设计，其工作过程如图2 5 所示。设计叶片时，基于成组技术思想，首先对其进行分析，如果为现有的叶片类型， 直接使用本文开发的系统对其造型和加工；如果不是现有类型，则将其分为叶根、叶身 和叶冠三个模块，分别对其分析，判断是否有所要设计零件相似的类型，如果是已有类 型，通过对参数的修改完成设计；如果不是已有类型，根据需要进行设计，添加到库里， 完成对库的扩充，便于以后使用。 图2 6 基于成组技术分析流程图 通过以上分析，本文开发了基于成组技术的叶片c a d 模块，其结构图如图2 - 6 所 示，该模块分为四个层次，用户界面层、应用层、建模层和数据库层。用户界面层是指 哈尔滨工程大学硕士学位论文 二次开发的人机界面，通过该界面，用户可以方便、快捷地完成后续操作：应用层是指 本系统的c a d 模块；建模层是指根据成组技术的模块化设计的思想，将叶片分成三个 部分：叶根、叶身和叶冠，分别对其进行设计；数据层主要包括叶根模型库、叶身型线 数据文件库、叶冠模型库和零件库，通过以库的形式对整个建模进行管理，减少了重复 劳动，提高了生产效率。 界面层 应用层 建模层 数据层 i囤回回 ； 2 3 本章小结 图2 7 基于成组技术的叶片c a d 模块结构图 本章首先对成组技术的概念、原理和应用作了介绍，然后介绍了基于成组技术的产 品设计的实现方法，在对汽轮机叶片的结构进行分析的基础上，提出了基于成组技术思 想的叶片c a d 模块，并对其实现的过程作了分析。 1 4 第3 章叶片c a d c a m 系统总体结构 第3 章叶片c a d c a m 系统总体结构 3 1 叶片c a d c a m 系统二次开发的需求分析 叫洲系统二次开发涉及面广，情况复杂，工作量大。由于是对已有软件所进 行的开发，而不是从底层开始的软件设计，所以其最大的特点是继承性，即继承其支撑 软件的特性。因此，支撑软件对c a d c a m 系统的二次开发来说非常重要，二次开发要 求支撑软件功能齐全、性价比高、接口简单、编程简单和适合企业自身应用等。 本系统基于洲c a m 通用软件，完成叶片c a d c a m 专用系统的二次开发。近 年来，国内与各类叶片c a d c a m 专用系统相关的研究工作一直在进行，并取得一定的 成果，有些已经在实际企业生产中应用，如文献【2 6 】在对叶片c m m 检测分析的基础上， 研究了叶片三维建模、叶片待检测点分布和路径规划，以u gn x 商用软件系统为平台 完成了叶片c a d 和自动检测系统。文献【2 7 】在对汽轮机叶片结构特征和砂带磨削工艺分 析的基础上，对汽轮机叶片造型和数控编程的关键技术进行了研究，并以u gn x 商用 软件系统作为开发平台，开发了汽轮机叶片c a d c a m 系统；文献【2 8 】研究了几种复杂 涡轮叶片的外型造型方法，开发了涡轮叶片造型c a d 系统。以上几种专用系统都是对 通用c a d c a m 软件系统进行的二次开发。通过对上述文献中所开发的系统研究发现： 利用通用c a d c a m 软件本身提供的开发工具和其它编程语言结合起来对其进重亍二次 开发，完成c a d 和c a m 集于一体，能够根据用户的要求快速完成几何建模，同时根 据几何模型自动生成用户所需的数控加工代码的专用系统，将大大方便叶片的设计和制 造过程，缩短叶片的研发周期，提高了叶片设计和制造的精度，降低生产成本，增强企 业的竞争力一】。 根据以上分析，结合叶片自身结构特点，本文所开发的“叶片q 缸班l 蝴系统”基 于以下几点： 第一、选择一个功能齐全、普及范围广的通用软件作为“叶片c a d c a m 系统开 发的平台软件。 第二、开发的“叶片c a d c a m 系统要满足企业实际生产要求。 第三、开发的“叶片c a d c a m 系统 要具有简单、直观的操作界面，便于企业设 计人员操作；便于企业设计人员与工艺人员之间共享c a d 和c a m 数据，为制造企业 标准化、系列化和网络化，为实现信息化提供技术条件，最终缩短叶片设计和制造的周 期，提高工作效率，节约生产成本。 哈尔滨下程大学硕士学位论文 3 2 系统二次开发环境和开发工具 3 2 1系统二次开发环境的选择 目前常用的通用c a d c a m 软件系统有u gn x 、p r o e 、i d e a s 和s o l i d w o r k s 等， 通过对比这些通用软件自身功能是否齐全以及在企业中普及的程度，并结合企业实际应 用情况，本文选用u g ( 软件作为二次开发平台，使用u gn x 的二次开发工具和 v c + + 6 o 语言编程工具完成叶片c a d c a m 系统的开发。 u gn x 是目前市场上最流行的c a d c a m c a e 高端软件之一，具有强大的实体建 模、曲面造型、装配和数控编程等工程实用功能，在很多领域得到了广泛应用，如航空、 机械、汽车和船舶等。在全球5 0 强企业中，有1 9 家企业把u gn x 软件作为本企业设 计、加工和分析的平台，如：美国通用公司，波音飞机公司等。u gn x 目前已成为国 内企业主要使用的高端c a d 删q 垣软件之一。 u gn x 的c a d 模块最主要的特点是复合建模，即将特征建模和几何建模集成。这 种方式可以充分发挥传统实体造型、曲面造型和线框造型的长处。c a d 模块不仅具有 基本的特征建模功能，还具有强大的自由曲面特征建模功能，使用u gn x 为用户提供 的自由曲面造型创建方式可以完成对复杂曲面和非规则实体的操作。 u gn x 的c a m 模块是u gn x 计算机辅助制造模块，其功能强大，能够实现对各 种复杂零件进行编程加工，同时还具有强大的仿真及生成工艺文件等功能，属于最好的 数控编程工具之一。 u gn x 的c a d 模块和c a m 模块能够做到紧密的集成，实现模型数据在模块间的 共享。c a d 模块创建的数据模型可以在c a m 模块中直接对其进行数控加工编程，且 与c a d 模型密切相关，如果c a d 模型被修改，c a m 模块将自动更新其生成的数控加 工刀具轨迹文件，以适应新的模型，减少了重复作业，这种集成功能在保证编程准确的 前提下，大大提高了产品设计效率。因此，利用u gn x 可对产品的c a d 模型进行并行 设计、数控编程、工程图绘制和工程分析等作业【3 3 删。 3 2 2 系统二次开发工具简介 u gn x 软件提供的二次开发工具有：u g o p e l lm e n u s c r i p t ( 菜单定制工具) 、 u g o p e nu i s t y l e r ( 对话框开发工具) 、u g o p e n a p i ( 应用程序接口函数) 和u g o p c n g r i p ( 图形交互编程语言) 1 3 6 4 1 1 。 1 6 第3 章叶片q 删系统总体结构 ( 1 ) u g o p e nm e n u s e r i p u g o p e nm e n u s c r