（机械电子工程专业论文）离心泵叶轮数字化制造技术研究及应用.pdf

山东理工大学硕士学位论文 摘要 摘要 数字化制造技术一直以来都作为一个国家的机械制造业水平的衡量标志 之一。本文对叶轮的数字化制造技术进行了研究，在分析了传统制造方法的缺 陷后提出了一种新的叶轮制造流程和方法。 叶片的制造技术和制造质量直接影响水轮机运行的出力、效率、空化性能、 水力稳定性、机组的可靠性和使用寿命等。所以叶轮数字化制造主要是叶片的 数字化制造。 本文从设计出发，首先系统介绍了叶片水力模型的生成以及叶轮( 主要是 叶片) 三维造型的原理和过程。 然后根据叶片的造型方法规划和求解叶片的数控加工轨迹。本文的轨迹求 解主要包括两部分内容： 1 、基于b 样条插值求解刀具切削间距： 2 、在非线性方程组牛顿迭代法的基础上，进行五轴数控加工刀具轨迹求 解算法研究。 最后对叶片加工进行n c 代码编写和刀具轨迹模拟仿真，验证此加工方法 的正确性和加工效果。 关键词：数字化制造，叶轮叶片，木模截线图，型值点，刀具轨迹 山东理工大学硕士学位论文 a b s t 阳c t a b s t r a c t t h en u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g yi sas y m b o lf b ral e v e lo fac o u n t r y s m a c h i n em a n u f a c t u r e t h i sp a p e rm a k e sar e s e a r c ho nn cm a c h i n i n go fi m p e l l e r t h i sp a p e rc a r r i e so u tan e wm e t h o do fi m p e l l e rm a n u f a c t u r ea n e ra n a l y z i n gt h e d e f e c t so ft r a d i t i o nm a n u f a c t u r e t h em a n u f a c t u r et e c h n o l o g ya n dq u a l i t yo fi m p e l l e rb l a d ed i r e c t l ya f f e c tt h e o p e r a t i o no ft h et u r b i n eo u t p u t ，e m c i e n c y ，s p a c ea n dp e r f o r m a n c e ，h y d r a u l i c s t a b i l i t y ，r e l i a b i l i t ya n ds e r v i c el i f e o ft h eu n i t ，a n ds oo n t h e r e f o r e ，n c m a n u f a c t u r eo fi m p e l l e rb l a d ei st h em o s ti m p o r t a n t t h i s p a p e r ，f i r s t ， i n t r o d u c et h ef o r n l a t i o no f h y d r a u l i c_ i n o d e l a n d t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n go fi m p e l l e r t h e nl a y o u ta n dw o r ko u tt h ec u t t i n gt r a c eo fi m p e l l e rb l a d e t h e r ea r et w o p i v o t a lq u e s t i o n s ： 1 、bs p l i n e b a s e dt o o lf 0 rc u t t i n gs p a c i n g ； 2 、b a s e do nn o n l i n e a re q u a t i o n sn e 、t o nm e t h o d ，w o r ko u tt h e5 - a x i sn ct o o l p a t h t h el a s t ，w es i m u l a t et h ec u t t i n gt r a c eo fm a n u f a c t u r e a n di m p r o v et h e v a l i d i t yo ft h em e t h o d k e yw o r d s ：n c ，i m p e l l e rb l a d e ，t r a n s v e r s a lc h a r t ，d a t ap o i n t s ，c u t t i n gt r a c e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 盈l 时间： 眇占年占月矿日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 刻批 别磁毪锄砑 j 。j 时间：口拿年彳月册 时间：侈年万月知日 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 数字化制造技术的发展 2 0 世纪5 0 年代，随着机械制造业和控制技术的发展，诞生了数控技术。 数控技术是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法，简 称数控( n c ，n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 。它是随着电子技术、计算机技术、自动控制 技术以及精密测量技术的迅速发展而发展起来的，广泛应用于各种机械加工机 床和专用生产机械的控制中，如数控机床、机器人、三坐标测量机、快速原型 制造机、线切割机床、电火花加工机床、绘图机、雕刻机、火焰切割机、贴片 机等。数控系统从产生到现在，主要经历了以下几个阶段【l 刁j ： 1 ) 第一代数控系统，以美国麻省理工学院研制的三坐标数控系统为标志， 系统全部采用电子管元件，逻辑运算与控制采用硬件电路完成。 2 ) 第二代数控系统，以晶体管元件和印刷电路板广泛应用于数控系统为 标志。 3 ) 第三代数控系统，6 0 年代中期，由于小规模集成电路的出现，使其体 积变小，功耗降低，数控系统的可靠性得以进一步提高，推动了数控系统的进 一步发展。 以上三代，都属于硬逻辑数控系统，称为n c 。 4 ) 第四代数控系统，7 0 年代初，随着微电子技术的发展，小型计算机的 价格急剧下降，小型计算机逐渐取代数控中的专用计算机，使许多控制功能可 以依靠编制的专用程序来完成，实现了软件控制，不必依靠硬件电路，大大提 高了数控系统控制的灵活性和数控设备的可靠性。1 9 7 0 年在芝加哥展览会上， 首次展出了采用小型计算机的计算机数控c n c ( c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 装置，标志着计算机数控技术的问世，数控系统发展到了第四代。 5 ) 第五代数控系统，2 0 世纪7 0 年代后期，中、大规模集成电路技术所 取得的成就，促使价格更低廉，体积更小，集成度更高，工作更可靠的微处理 器芯片的产生，并逐步应用于数控系统，进一步简化了c n c 系统的硬件结构， 降低了c n c 机床的成本。至此产生了以微处理器为数控系统核心的第五代数 控系统。其后1 0 多年中，大规模集成电路的进一步发展，使微处理器的性能 不断提高，软件功能日益增强，c n c 系统随着外围电路和接口配置的不断完 善，以及软件技术在交互式人机对话中和图形显示技术方面所取得的成就而得 到发展。 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 6 ) 进入9 0 年代以后，受通用微机技术发展的影响，数控系统正朝着以个 人计算( p c ) 为基础，向开放化、智能化、网络化等方面进一步发展。基于p c 的开放式数控系统由于可以充分利用p c 机丰富的软硬件资源和适于p c 机的 各种先进技术，因此它已成为数控技术的发展趋势和潮流【4 。6 】。 1 2 叶轮数字化制造领域的国内外研究现状 日益增多的复杂形状零件和高精、高效的加工对数控编程技术提出了越来 越高的要求，面向复杂形状零件，多轴加工和加工过程中的优化的编程技术显 得更加重要。同时，为适应高速加工、c i m s 、并行工程和敏捷制造等先进技 术的发展，缩短产品研发周期和快速响应市场需求，数控编程技术呈现出进一 步向集成化、智能化、自动化、易使用化和面向车间编程等方面发展的趋势。 复杂零件的加工一直是数控编程技术的主要研究内容。对于三坐标加工， 目前的编程系统一般能较好的完成，达到较高的稳定性。但由于五轴加工在加 工复杂形状零件的性能、质量和效率等各方面的优势，五轴编程加工技术的应 用变得越来越重要。但五轴数控加工编程比较复杂，特别是由于零件形状复杂 多变或造型复杂，要实现较通用的五坐标自动编程有较大困难。五轴数控编程 的关键是刀具轴线的合理控制和后处理程序的开发，两者也是其应用中的典型 难题。 所谓五轴联动加工是指一台机床上五个坐标轴同时控制协调运动进行加 工。五轴联动加工一般是指三个坐标轴和两个转动轴同时协调加工，旋转轴的 参与使刀具切削过程中始终处于最佳的切削状态成为了可能。五轴联动数控加 工与一般的三轴联动数控加工相比，主要有以下优点： 1 ) 通过定义适当的刀轴变化，可以避开刀具干涉，能够加工一般三轴数控 机床所不能加工的或加工精度较低的复杂曲面。 2 ) 适合于直纹面的加工，采用侧面铣削的方法，能够实现一刀精加工成型， 提高了加工质量和效率。 3 ) 对曲率半径大且变化较小的大型曲面，采用大直径刀具端面铣削，能够 实现刀具大跨度切削，从而可以显著的提高加工表面质量和加工效率。 4 ) 刀轴的可变化使复杂零件一次装卡加工空间多个表面，实现多加工工序 的集中加工，有利于提高各加工要素的相互位置精度。 5 ) 五轴机床加工过程中由于刀具工件位置角随时可调，则不仅可以避免 球头铣刀的端部参与切削，而且还可以充分利用刀具的最佳切削点来进行切 削。 6 ) 某些复杂曲面的清角问题，可以利用大直径的刀具实现，刀具刚性好， 2 山东理工人学硕士学位论文 第一章绪论 能够提高整个加工系统的刚性，可采用更高的切削速度，从而提高加工质量和 加工效率。 目前，数控加工( c a m ) 技术已经成为c a x ( c a d 、c a e 、c a m 等) 体 系的重要组成部分，可以直接在c a d 系统上建立起来的参数化、全相关的三 维几何模型( 实体+ 曲面) 上进行加工编程，生成正确的加工轨迹。典型的 c a m 系统有u g 、p r o e 、c i m a t r o n 、m a s t e r c a m 等。其特点是面向局部曲面 的加工方式，表现为编程的难易程度与零件的复杂程度直接相关，而与产品的 工艺特征、工艺复杂程度等没有直接相关关系。 数控加工技术一直以来都作为一个国家的机械制造业水平的衡量标志之 一。我国许多制造业企业现状中所存在的手工重复性的大量工艺设计、手工编 程等落后的工作模式依然还很严重，国内许多c a d c a m 软件用户对软件的应 用只停留在c a d 模块上，对c a m 模块的应用效率不高，其中一个非常关键 的原因就是没有配备专用的后置处理器，或只配备了通用后置处理器而没有根 据数控机床特点进行必要的二次开发，由此生成的代码还需人工做大量的修 改，严重影响了c a m 模块的应用效果，所以，c a m 软件的应用开发就显得 越来越迫切j 。 在水泵技术方面，国外水泵c a d 在8 0 年代初就已具备相当水平，经过了 2 0 多年的发展，现在水泵c a d 的技术研究已经达到比较成熟的阶段。国内， 泵c a d 的研究始于上世纪7 0 年代，众多高校先后在这方面开展了研究，取得 一定的进展，不同程度上实现了泵的c a d 。但目前我国在水泵的设计方法和 加工工艺上远远落后于世界先进国家，泵类产品的可靠性及性能与之相比也还 有相当大的差距，水力模型落后、科研开发投入不足、加工制造工艺水平低下， 影响了泵行业产品整体水平提高f 8 - 9 】。 数控加工的一项关键步骤就是数控程序的生成。多数厂家采用通用 c a d c a m 的商用软件编制叶轮的数控加工程序。用的比较多的有u g 、 c i m a t r o n 、m a s t e r c a m 等。由于通用软件并非针对某一种零件设计，所以其功 能繁多，界面复杂，输入参数后需经过许多步骤才能编出程序，且需多次反复， 而且编程人员必须对叶轮几何造型很熟悉，同时用相当多的时间学习掌握了通 用软件的使用方法才能编出叶轮数控加工程序。 国际上有许多工厂与我国的情况类似，也采用通用软件编制叶轮数控加工 程序。但一些先进的多坐标数控机床生产厂商( 如s t a r r a g ) 及专业的叶轮 加工工厂( 如美国的n r e c ) 都推出了专用于叶轮加工的数控加工软件包，如 m a x 5 ，m a x a b ，s t a r r a g 程序等。软件中针对不同特征的叶轮设计了刀 具路径模板。对于叶轮加工中最易出现的干涉问题，也有充分的考虑。这些都 是通用软件所不具备的。另外，这些软件通常集成性好，可以使设计结果和工 3 山东理工人学硕上学位论文第一章绪论 艺设计直接相连。 我国尚缺乏这种专用于叶轮的数控加工编程软件，国内少数工厂已经认识 到专用软件的优越性，但国外软件价格昂贵，故叶轮的数控加工一直是机械制 造业的难题。如何利用各种理论成果，充分发挥五坐标数控机床的潜力，提高 复杂曲面零件特别是叶片类曲面的加工精度及效率，是十分迫切的要求。 1 3 课题的提出和可行性分析 本课题来源于山东省科技攻关项目“泵类产品关键部件快速样机技术研 究”。 离心泵的设计和制造的研究已有几百年的历史。泵类产品是一种典型的小 批量、多品种的机械产品，其用途广泛，用户覆盖面大，在不同领域、不同场 合对泵类产品的外形结构、工作性能均会有一些特殊的要求。目前市场对泵类 产品的需求特点是：( 1 ) 标准泵类产品的订货日益减少，适应用户要求的特殊 订货大量增加；( 2 ) 对产品的结构、性能等要求越来越高；( 3 ) 产品的订货周 期越来越短。 本课题以s o l i d w o r k s 为图形支撑软件，利用v b 对其进行二次开发，完成 叶轮及其模具的数字化建模，然后选用五轴联动加工中心对离心泵叶轮进行数 字化制造。课题完成后可满足多种离心泵类产品的订货需求，并大大缩短了设 计和制造时间，提高产品的制造精度和使用效率。 当前我国泵类产品c a d c a m 发展还处在初期阶段，国内已有部分高等院 校和水泵研究、生产单位在水泵设计中采用c a d 技术，但大多是用于水力计 算和水力模型的管理，未能形成水力设计、叶片绘型、结构设计、三维造型一 体化要求，而且我国水泵大多采用木模整体铸造，生产工艺落后，型线误差大， 过流表面粗糙。由于中、高比转速离心泵叶片扭曲，造型起模困难，造型误差 较大。为适应市场需求，本课题拟采用现代化的设计和制造手段以提高泵类产 品的竞争能力。 我国的水泵技术经过多年的发展，在离心泵的设计和制造方面积累了大量 的经验。在数控加工和后置处理方面做了大量的研究，积累了丰富的理论和实 践基础。这些都给本课题的完成提供了保障。 1 4 本课题的研究内容 本文在叶轮数字化设计的基础上创新的提出一种新的叶轮数字化制造流 程和方法。 4 山东理t 大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 1 离心泵叶轮数字化设计技术研究 本文采用的设计系统是基于v b 对s o l i d w o r k s 的二次开发，然后通过对泵 的过流部件的数字化设计生成木模截线图( 水力模型) ，最后根据木模截线图进 行叶轮三维造型【9 。1 3 】。 叶轮作为水泵的核心部件，由前后盖板( 图1 1 ) 和叶片组成，盖板属于 回转体，可以先构造二维面域，并进行旋转操作再与一些相关形体进行布尔运 算得到。 图1 1 前后盖板 叶片是复杂的空间曲面体，其形状主要由水力设计中的轴面流线和流线展 开线的形状来确定。轴面截线就是叶片流线展开线的信息反映到轴面上的结 果，轴面流线与轴面截线( 包括工作面和背面) 的各个交点的三维含义就构成叶 片表面的三维点云。将这些离散的三维点云按照一定的规则进行拟合，就得到 叶片的表面模型。 在得到了叶片中间流线上的三维点坐标之后，就可以把叶片的流面绘制出 来。坐标转换后便可以得到一系列离散的型值点p ，然后拟合这些点，便可以 实现曲线的生成。最后线动成面，再由面创建成体，将生成的工作面和背面放 样成实体模型，即得到完整的叶片体( 图1 2 ) 。 图1 2 成型后的直纹叶片 5 山东理工人学硕士学位论文第一章绪论 1 4 2 叶片五轴数控加工刀具轨迹求解 叶片的五轴加工刀具轨迹求解实质就是根据刀路规划计算刀具的走刀起 止点和工作台的旋转，本文所研究的内容主要包括两部分：一是基于b 样条 插值求解刀具切削间距；二是基于非线性方程组牛顿迭代法的基础上进行五轴 加工刀具轨迹算法求解。使工作台旋转至水平方向，让刀具沿叶片截线方向走 刀，这样，刀具的每次加工都是水平方向的直线走刀。我们求出工作台的旋转 角度和刀具每次走刀起始点的坐标，就可得刀具的加工轨迹。 1 4 3 叶片的加工编程和仿真 根据所采用加工中心及其数控系统的指令要求对叶片进行刀具轨迹编程， 并对加工的刀路轨迹模拟仿真，以此验证加工刀路的正确与否。 1 5 总结 本章主要总结了数控技术的发展，国内外研究现状及趋势；本课题的提出、 研究现状及可行性；最后阐述了本课题的研究内容和研究方法。 6 山东理工大学硕士学位论文 第二章离心泵叶轮数字化制造基础 第二章离心泵叶轮数字化制造基础 随着数控技术的快速发展，机械制造中复杂曲面零件的加工需求量越来越 大。复杂曲面零件在汽车、飞机和轮船等制造工业中具有广泛的应用，如汽车 的覆盖件轮廓、飞机机身和涡轮发动机的零部件以及叶轮叶片等。这些零件都 有着复杂的曲面轮廓，像叶片更有着空间曲面轮廓造型，因此采用传统的设备 和制造方法已经无法达到要求，或者加工效率与加工精度难以满足要求，数控 加工方法则是解决此类难题的有效途径。 2 1 离心泵叶轮的制造技术研究 2 1 1 概述 离心泵叶轮包括前后盖板和叶片，前后盖板是回转体结构，如图2 1 ，加 工较为简单，传统采用铸模制造，其数字化制造在普通机床上就可完成。 图2 1 离心泵叶轮前后盖板实体 叶片是空间曲面造型，制造较为复杂。而且叶片的制造技术和制造质量直 接影响水泵运行的出力、效率、空化性能、水力稳定性、水泵的可靠性和使用 寿命【l n l 7 j 。在大中型机组的叶片制造工艺中，长期以来采用砂型铸造工艺，不 仅生产效率非常低下，生产环境非常恶劣，而且也不能有效地保证设计要求和 制造质量。采用五轴联动数控加工离心泵叶片是保证制造质量最有效的工艺方 法。叶片数控加工编程涉及多方面的技术，其刀位轨迹规划、计算及优化是其 中关键问题。 2 1 2 叶轮的传统加工制造流程 7 山东理工人学硕士学位论文第二章离心泵叶轮数字化制造基础 传统叶轮叶片加工多采用模具铸造成型。由于叶片的空间扭曲性，所以形 成叶片模具的砂型包括芯盒、前盖车板、叶片。 加工p 图2 2 两种叶轮制造流程 叶轮工作图是木模工制作叶轮木模的依据，因此在制造叶轮木模之前，必 须首先看懂叶轮工作图。由于叶片( 它分工作面和背面) 一般是扭曲形状，所 以叶轮工作图除了一般的视图外，还特地画出了叶片的木模图，供木模工制作 叶片木模时使用【1 8 挪】。制造木模时，首先要分析图纸，判断叶片的工作面和背 面。然后采用“阶梯法”来制作叶片木模，其步骤为： 1 ) 根据叶片木模截线图【”】在放样纸上用复写纸分别复印出叶片平面投影 图中工作面和背面的各条曲线，并按照叶片工作面最大轮廓弧线、叶片背面最 小轮廓弧线及叶片进出口边所组成的封闭曲线分别剪出叶片工作面和背面纸 样； 2 ) 根据叶片木模图中的轴面图上的最大高度刨削一块木板，分别把叶片工 作面和背面纸样贴在两边，并根据纸样的外围铲削出叶片毛坯； 3 ) 在叶片坯料的高度方向，按照叶片木模图中轴面投影图上的等高线划出 各条水平的等分线，并且通过叶片背面切面线在进口端向各自对应的等高线引 垂线，得到一组对应的交点，把这些点用光滑曲线连接，就形成进口端的叶片 厚度； 4 ) 在叶片坯料的垂直方向，依次沿背面切面线垂直铲削到等高线，就得到 图2 3 所示的叶片背面的阶梯形状。 8 山东理工大学硕士学位论文 第二章离心泵叶轮数字化制造基础 图2 3 叶片背阶梯 5 ) 用上述同样的方法，铲削叶片坯料的另一面，就可以得到叶片工作面的 阶梯形状。 6 ) 将叶片背面和工作面的阶梯形状光滑修铲，并用细砂纸砂光表面，即得 到叶片木模。 模具设计最关键的一点就是如何保证叶轮叶片成型的准确度2 0 1 。在得到 叶片木模的基础上，采用制作叶片砂型的方法还需要做出芯盒和车板的木模。 芯盒的底板采用加带平板，在平板的中心部分车削内轴毂，然后画出中心线、 叶轮外径及叶片等分位置线。车板是根据前盖板处内腔形状来制作木轴车板。 叶轮的外模根据造型方法，做成分开模，分型面在后盖板处，其造型与一般工 件差不多，采用车削成型。 可以看出，木模的制作过程非常繁琐，为了缩短制作周期、减少变形、节 省木料，需要将木模制作成金属模，其过程是通过湿型砂造型经过浇铸完成。 在得到需要的金属模后，湿型砂生产出叶片前、后盖板的砂型。将三个部 件的砂型采用定位方法控制其上、下及圆周的移动，然后从浇铸口注入铁水， 冷却成叶轮模型。其过程为： 1 ) 首先，根据芯盒的叶片等分位置线将叶片会属模放置在叶轮芯盒上，如 图2 4 所示。 蓦 山东理工大学硕上学位论文 第二章离心泵叶轮数字化制造基础 图2 4 在芯盒上放置叶片 2 ) 在芯盒上叶片空间处塞满湿型砂，为了保证叶片的形状准确，防止制作 砂型时叶片模脱离等分位置线，需要用铁丝将其加固，然后将前盖板车板插入 芯头中心旋转，将多余的湿型砂磨掉。如图2 5 。 ： r 2 # 、一。 j “f r 。 、 图2 5 车板磨砂 3 ) 为防止湿型砂散掉，所以在已处理好的砂型上放置粘土，在其上安放一 底座，倒置取下芯盒和叶片，这样就可以利用芯盒和叶片继续作砂型。待砂型 晾干后( 如图2 6 ) ，就可以用来做叶轮了。 1 0 i影i一一_|i艮熊麟燃譬 山东理工大学硕士学位论文第二章离心泵叶轮数字化制造基础 图2 6 叶片砂型 上述过程可以看出，叶片无论是木模制作还是金属模制作都是叶轮生产过 程中最繁琐、复杂的工作，由于叶片形状特殊，计算复杂，一直靠手工设计、 铸造加工，主要由经验确定。利用成熟的经验保证设计和铸造加工精度，这样 就导致在制作过程中误差较多、精度不高、重复劳动、工作量大、效率也较低。 显然，这种加工方法己不能满足现代社会对铸件质量的要求。要改变这种落后 的加工方法，最有效的途径是用数控加工机床代替人工的复杂劳动，建立一种 不完全依赖经验的、统一的、规范化的加工方法，这对于工件的成型质量、降 低成本、提高效率、缩短周期、减轻工作强度会带来很大好处1 2 。而且，叶 片的加工精度直接影响水泵的工作效率，为此，本章提出了一种基于五轴数控 铣床的叶片加工方法。 2 1 3 叶轮数字化制造技术 离心泵叶轮的数字化制造其实主要是叶片的数字化制造，前后盖板的制造 方法在这里不再累述。离心泵的叶轮叶片在造型上分为三种：柱面叶片、直纹 叶片和扭曲叶片。本章以直纹叶片为例探讨了叶片在d m u 7 0 e v 的五轴数控 铣中的加工方法。柱面叶片加工比较简单，三轴就可完成，扭曲叶片加工方法 也与直纹叶片基本相同，在此不作详述。 总的加工策略：无论是曲面的整体加工还是局部加工，对于数控系统来讲， 加工空间曲面实质上是对处于空间曲面上的任意空间曲线的插补计算问题。但 直纹叶片是由直线扫掠而成，本文我们根据叶片的造型方法，让刀具沿着叶片 的轴面截线方向切削走刀，即沿直纹线切削。这样，就无需进行空间曲线插补， 防止了插补计算带来的误差，节省了大量加工代码。流程如图2 7 ： 一 嚣j&? ： 。黪睡 山东理工大学硕十学位论文第二章离心泵叶轮数字化制造基础 图2 7 叶轮数字化制造流程 1 ) 叶片造型 要想加工叶片，我们先要了解其造型。叶片的造型是与水力设计密切相关 的，其形状主要由水力设计中的轴面流线和流线展开线的形状来确定。详见第 三章。 2 ) 加工关键技术 多轴加工主要通过控制刀具轴矢量、投影方向和驱动方法来生成加工轨 迹。加工关键就是通过控制刀具轴矢量在空间位置的不断变化或使刀具轴的矢 量与机床原始坐标系构成空间某个角度，利用铣刀的侧刃或底刃切削加工来完 成。 为避免刀具和工件发生碰撞并提高加工效率，缩减大量的加工代码，对于 叶片的加工，我们使刀具沿叶片面截线方向走刀。 山东理工大学硕士学位论文 第二章离心泵叶轮数字化制造基础 图2 8d m u 7 0 e v 五轴数控加工中心 本文所述加工采用的是型号d m u 7 0 e v 的双转台五轴加工中心( 如图 2 8 ) ，它的刀具轴是不可摆动的，且b 轴与z 轴成4 5 0 夹角。因此我们可利用 工作台的旋转来进行加工，通过对工作台的旋转来控制刀具轴相对于工件的矢 量角度，根据直纹面的成型原理，型值点坐标即是叶片面截线线段的端点坐标。 将截线段矢量或= ( x ，y ，z ，) 一b f ，y f ，z f ) 旋转至水平方向，工作台的旋转计算 方法详见第四章。 2 2 五轴数控加工技术 复杂曲面的五轴联动数控加工技术是当今制造业中的高新技术，它是一个 涉及到计算机三维造型、c a m 自动编程技术、测量技术、制造工艺学、切削 仿真技术等多学科交叉的综合技术，因此具有较高的技术难度。但由于五轴联 动加工技术所具有的高精度、高效率、加工适应性强等特点，也使它能够更好 地适应复杂曲面的数控加工。国内外许多优秀的可用于加工的软件，如 i d e a s ，p r o e ，c i m a t r o n ，u g ，m a s t e r c a m 等，也为加工仿真提供了强有 力的支持【14 1 。 五轴数控铣在自由曲面加工的质量和效率方面有着很大的优势，人们根据 计算简单、可行的原则首先解决了在多坐标数控机床上用点接触成型( 如球形 铣刀) 加工自由曲面的问题，应用球形刀具加工曲面有许多优点：球形表面法 山东理工大学硕士学位论文第二章离心泵叶轮数字化制造基础 矢指向全空间，加工时对曲面法矢有自适应能力，可以减少机床运动轴数；编 程简单，计算量相对其他方法要少；并且只要使刀具半径小于曲面最小曲率半 径便可避免干涉现象。 确定合理的加工工艺是实现优质、高效、经济的数控加工的基础，其内容 包括选择合适的机床、刀具、走刀路径、切削深度等。要获得较理想的加工效 果，就需要选择合适的工艺参数与切削策略。从加工的角度看，数控加工技术 主要围绕加工方法与工艺参数的合理确定其加工轨迹。对于复杂形状零件和要 求精度较高的曲面零件，现在越来越多的是采用五轴数控加工，其加工方案与 加工参数的合理选择是一个较为复杂的问题。 2 2 1 五轴数控机床类型及其工艺特点 五轴亦即五坐标是指在三个平动坐标轴基础上增加两个转动坐标轴( a 、 b 或a 、c 或b 、c ) ，且五个轴可以联动。由于具有两个转动轴，五坐标机床 可以有很多种运动轴配置方案，但总的可以归为三大结构类型【1 5 】： 1 ) 刀具摆动型 这种结构类型是指两个转动轴都可以作用于刀具上，由于刀具绕两个互相 正交的轴转动以使刀具能指向空间任意方向。由于运动是顺序传递的，因而在 两个转动轴中，有一个的轴线方向在运动中始终不变，成为定轴，而另一个的 轴线方向则是随着定轴的运动而变化，成为动轴( 动轴紧靠刀具) 。对于定、 动轴的配置，理论上存在a b 、a c 、b c 、b a 、c a 和c b 等六种组合情况。 但由于a c 、b c 的情况下动轴轴线与刀具轴线平行而没有意义，因此定、动 轴的运动配置主要是a b 、b a 、c a 和c b 等四种，这类机床的主要特点是 摆动机构结构较复杂，一般刚性较差，但其运动灵活，机床使用操作( 如装卡 工件) 较方便。 2 ) 工作台回转摆动型 这种结构类型是指两个转动轴都作用于工件上，根据运动的相对性原理， 它与由刀具摆动产生的效果在本质上是一样的。这种结构也是定、动轴结构， 只是其动轴紧靠工件。对于其定、动轴的配置，理论上也有a 一b 、a ，- c 、b 一c 、 b a 、c 一a ，和c 一b 等六种组合情况。但由于此时的定轴到刀具间只存在平 动，因而选c 轴作为定轴将不能改变刀具轴线的方向而失去意义，因此该类 型的定、动轴的运动配置分类是a 一b 、a c 、b c 、b a ，等四种，而且a ，b 、 a c 、b c 、b a ，实质上也可看成是等效的结构( 初始状态不同) 。这类机 床的主要特点是其旋转摆动工作台刚性容易保证、工艺范围较广，而且容易 实现。但由于工件要随工作台在空间摆动，因此这种结构主要适合于中小规格 山东理丁大学硕士学位论文 第二章离心泵叶轮数字化制造基础 的机床用于加工体积不大的零件。 3 ) 刀具与工作台回转摆动型 这种结构类型是指刀具与工件各具有一个转动运动。这种结构不是定、动 轴结构，两个回转轴在空间的方向都是固定的。对于其两个转动轴的配置情况， 若按先工件后刀具的顺序，则理论上也有a ，b 、a ，c 、b c 、b a 、c a 和c b 等六种组合情况。显然，刀具绕其转动的轴不能取为平行于c ，否则 同样将因不能改变刀具轴线的方向而失去意义。因此该类型机床中的两个转动 轴的配置情况是a b 、b a 、c a ，和c b 等四种，这类机床的特点介于 上述两类机床之间。 对于五坐标机床，不管是哪种类型，由于他们具有两个回转坐标，相对于 静止的工件来说，其运动合成可使刀具轴线的方向在一定的空间内( 受机构结 构限制) 任意控制，从而具有保持最佳切削状态及有效避免刀具干涉的能力， 因此，五坐标加工又可以获得比三、四坐标加工更广的工艺范围和更好的加工 效果，特别适宜于大型或直母线类零件的高效高质量加工以及类型复杂零件的 加工。 2 2 2 五轴数控加工刀具类型 要实现高速、高精和高效的数控加工，除数控机床要具有高速( 主轴转速 和进给速度) 、高精能力和高自动化程度外，刀具的性能及如何根据加工对象 选用合适的刀具有着极为重要的影响。在刀具性能方面，随着刀具材料性能的 提高与结构特性的改善，数控加工用刀具在耐用、刚度、抗脆性、断屑和调整 更换等方面的性能已大大改善，例如，目前涂层刀具、立方氮化硼刀具以及陶 瓷刀具与金刚石刀具等可使刀具的切削速度大幅度提高。然而，从如何加工的 角度看，加工刀具类型与工艺方案的合理选择极为重要。 应用于数控铣的刀具主要有平底立铣刀、端铣刀、球头刀、环形刀、鼓形 刀和锥形刀。 2 2 3 刀具轨迹生成策略 刀具轨迹的生成算法是数控编程系统的核心部分，有关这方面的研究文献 较多，主要是针对三轴数控加工和五轴数控加工，归纳起来，对于自由曲面的 加工，由曲面模型生成无干涉刀位轨迹主要有以下几种策略： 1 ) 曲面模型无干涉刀触点轨迹刀位轨迹。这种策略由曲面模型 直接产生无干涉的刀触点轨迹，仅适用于刀轴矢量固定的三轴数控加工，由于 山东理工大学硕上学位论文第二章离心泉叶轮数字化制造基础 需要进行数值迭代运算，计划的稳定性较难充分保证。 2 ) 曲面模型刀触点轨迹无干涉刀位轨迹。其基本思路是首先生 成不考虑干涉问题的刀触点轨迹，然后通过干涉检查与处理，生成无干涉刀位 轨迹。这种策略非常适用于四、五轴数控加工，因为在四、五轴数控加工中， 由于刀轴控制的灵活性，很难由刀位点确定刀触点和刀轴的最佳偏转角度，所 以四、五轴数控加工尤其是非球头刀加工进刀具轨迹的生成算法基本采用该策 略。 3 ) 曲面模型偏置面模型无干涉刀位轨迹。根据加工参数和选用 的刀具，计算原始曲面所对应刀心点曲面，称为刀位面或偏置面，用偏置面模 型直接生成无干涉刀位轨迹。显然，若用球头刀进行加工，不论是三轴数控或 四、五轴数控加工，偏置面都是原始曲面的等距面。但若用环形刀或端铣刀加 工，只有刀轴矢量固定的三轴数控加工，可以根据原始曲面构造出刀心点曲面， 对于四、五轴数控加工，由于刀轴矢量方位难以确定，致使非球头刀加工时偏 置曲面的生成与处理困难。 4 ) 曲面模型点阵模型无干涉刀位轨迹。其基本思路是首先将被 加工曲面在精度控制范围内用点阵代替，建立点阵模型，典型的有z m a p 得到 曲面的z - b u f f e r 数据，然后刀位轨迹通过“逆向偏置”方法从曲面的z - b u f f e r 数 据中产生。这种策略思路简单，算法稳定，适用于三轴加工。 2 2 4 与刀具轨迹有关的几个基本概念 1 ) 刀触点( c u t t i n gc o n t a c tp o i n t ，简称c c p o i n t ) ：指刀具在加工过程中 与零件面的切触点。 2 ) 刀触点轨迹( c u t t i n gc o n t a c tp a t h ，简称c c p a t h ) ：指刀具在加工过程 中由刀触点构成的曲线。刀触点轨迹可以显示定义，如曲面的等参数线、两曲 面的交线等，也可以隐式定义，如约束刀具在导动面范围内运动，约束刀具沿 导动线运动。 3 ) 刀位点数据( c u t t e rl o c a t i o nd a t a ，简称c l d a t a ) ：指准确确定刀具在 加工过程中每一位置所需的数据。一般来说，刀具的位置可由刀位点坐标和刀 轴方向确定。通常在c a m 系统中，刀位点指的是刀尖点。 4 ) 刀位轨迹( c u t t e rl o c a t i o np a t h ，简称c l p a t h ) ：指刀具在加工过程中 由刀位点构成的曲线。刀位轨迹一般由刀触点轨迹根据偏置计算得到。 5 ) 刀位面( c u t t e rl o c a t i o ns u r f a c e ) ：指刀具在加工过程中所有刀位点的 集合。 由于球头刀和平底刀分别是环形刀的特例，所以可统一用环形刀来表示三 山东理工大学硕士学位论文 第二章离心泵叶轮数字化制造基础 种刀具类型，分别计算刀位点和刀位面。如图2 9 所示，p c c 为曲面s 上的任 一刀触点，p c l 为p c c 对应的刀位点，刀轴单位矢量为n 。，r 为刀具半径，r 为刀角半径，s c l 为刀位面，n s 为曲面s 在p c c 点处的单位法矢，则在三轴加 工中，计算刀位点p c l 的表达式为： 尸 = p c c + ( r 一，) ，z 】哕+ ，m 一，胁 2 2 5 刀具轨迹的生成方法 图2 9 与刀具有关的参数 刀具轨迹的生成方法有多种，比较常用的有参数线法、截面法、投影法、 多面体法等【3 引，近年来，关于自由曲面数控加工刀具轨迹的研究得到了较大 的发展，对刀具轨迹的长度、连续性及轨迹方向一致性等的控制得到了进一步 的加强，使刀具轨迹在提高曲面的加工精度和加工效率上得到了更好的优化。 1 ) 参数线法 曲面参数加工方法是多坐标数控加工中生成刀具轨迹的主要方法，特点是 切削行沿曲面的参数线分布，即切削行沿u 线或v 线分布，适用于网格比较规 整的参数曲面的加工。基于曲面参数线加工的刀具轨迹计算方法的基本思想是 利用b e z i e r 曲线曲面的细分特性，将加工表面沿参数线方向进行细分，生成 的点位作为加工时刀具与曲面的切触点。因此曲面参数线加工方法也称为 b e z i e r 曲线离散算法，在刀具轨迹的计算中通常采用二叉离散算法。 在加工中，刀具的运动分为沿切削行的走刀和切削行的进给两种运动。刀 具沿切削行走刀时所覆盖的一个带状曲面区域，称为加工带，二叉离散过程首 先沿切削行的进给方向对曲面进行离散，得到加工带，然后在加工带上沿走刀 方向对加工带进行离散，得到切削行，如图2 10 ： 1 7 山东理工大学硕士学位论文 第二章离心泵叶轮数字化制造基础 v 进 给 方 向 走刀方向 u 图2 1 0 等参数线刀触点轨迹 二叉离散算法要求先确定一个参数线方向为切削行的走刀方向，假定为u 参数曲线方向，相应的另一参数曲线v 方向即为沿切削行的行进给方向，然后 根据允许的残留高度计算加工带的宽度，并以此为基础，根据v 参数曲线的弧 长计算刀具沿v 参数曲线的走刀次数( 即加工带的数量) n v ；加工带在v 参 数曲线方向上按等参数步长( 或局部按等参数步长) 分布。 基于参数线加工的刀具轨迹计算方法有多种，比较成熟的有等参数步长 法，参数筛选法，局部等参数步长法等，在多轴数控加工中，数学模型中零件 的描述采用离散的三角片表示，刀触点还可以从离散三角片上直接产生。 曲面参数线加工方法是多坐标数控加工中生成刀具轨迹的主要方法，优点 是刀具轨迹计算方法简单，计算速度快。不足之处是当加工曲面的参数线分布 不均匀时，切削行刀具轨迹的分布也不均匀，导致零件表面各处的残留高度不 一致。影响加工表面的质量，同时也降低了加工效率。另外，参数线加工适合 于单曲面的加工，对于首尾拼接起来的较为简单的带状组合曲面，也可以采用 参数线加工。但是，当零件表面由多张不规则的曲面拼接而成时，参数线加工 很难达到理想的加工效果。 图2 1 1 等参数线加工轨迹分布 2 ) 等距截面法 截面法的基本思想是采用一组截面去截取加工曲面或加工曲面的偏置面 山东理工大学硕士学位论文第二章离心泉叶轮数字化制造罐础 ( 刀位面) ，截出一系列的交线作为切削刀具的走刀轨迹，即为c c 路径截面 线法和c l 路径截面线法。若截取的是加工曲面的原始曲面，则刀具与加工曲 面的刀触点在同一截平面内；若截取的是偏置面( 一般即为刀位面) ，则刀具 的刀位点在同一截面内。对于单一曲面的加工，采用刀具沿截面与加工曲面的 交线运动效果要好一些，因为刀具与加工曲面的切触点被限制在同一截平面 内；对于组合曲面的加工，采用截面与加工曲面的刀位面求交生成刀具轨迹要 简单得多，因为交线位于同一截面内，连接处理容易进行。 在生成刀具接触点路径时，为了便于求交，可先将参数曲面离散成一系列 满足逼近精度要求的三角片，即将曲面模型转化为多面体模型，从而将截面与 参数曲面的求交问题转化为平面片之间的求交问题，并便于刀具干涉检测处 理。曲面的离散过程如图2 1 2 ： u v a ) 参数空间b )c a r t e s i a n 空间 图2 1 2 曲面离散过程 首先将曲面在参数空间沿u 向和v 向进行四叉树划分，然后把四边形分解 为两个三角形( 如图2 1 2 a 所示) ； 然后将参数空间的划分影射到c a r t e s i a n 空间( 如图2 1 2 b 所示) ； c l 路径截面线法生成刀具轨迹的计算方法主要有两种： 1 、直接构造零件曲面的刀具偏置面，由截面与偏置面求交得到刀具轨迹。 构造偏置面时，可在前述离散零件面后，将离散后的三角形顶点沿法矢方向偏 置一个刀具半径值，然后按照未偏置时三角形顶点的拓扑关系依次连接偏置后 的三角形各顶点，得到偏置的三角形网格。根据组合曲面的形状，作一组平行 于c a r t e s i a n 坐标系中某一坐标面的平面，比如y = y i ，求出截平面与曲面偏置 的三角形网格的交线。每个小三角形内的交线长度决定了加工时的走刀步长。 2 、不直接构造零件曲面的偏置面，而是通过迭代计算直接在截面上求取 刀具与被加工面相切的一系列刀位点，由此构成刀具轨迹。同样，为了便于计 算刀具到曲面的距离，一般也是先将曲面转化为多面体，从而将刀具与曲面的 距离求解转化为对离散平面的距离求解。如图2 1 3 ： 山东理工大学硕十学位论文第二章离心泵叶轮数字化制造基础 投 刀位规划 刀位点轨迹 零件面 图2 1 3c l 路径截面法生成刀具轨迹 对于复杂曲面的加工，截面法加工效果明显，容易实现曲面间的光滑走刀。 其不足之处在于计算比较复杂，如果曲面求交算法的可靠性不高或精度低，那 么可能会导致计算结果错误或者轨迹不满足精度要求。 采用截面法加工曲面时，如果曲面各处都比较平坦，则可以生成分布比较 均匀的刀具轨迹，加工后可使零件表面上的残留高度比较均匀。但是截面法加 工的截面间距不易控制，难以与曲面实际形状相吻合，导致在曲面的平坦处轨 迹较为密集，而在陡处轨迹比较稀疏，加工后表面的残留高度不均匀，表面质 量不一致，加工效率也不高。图2 1 4 为截面法加工马曲面的刀具轨迹： 图2 1 4 截面法生成马曲面半精加工刀具轨迹 3 ) 等残留高度法 自由曲面数控加工指定的加工精度，零件表面的残留高度必须控制在允许 的误差范围内，在等参数线加工方式中，为了达到指定的加工精度要求，刀触 山东理工人学硕士学位论文 第二章离心泵叶轮数字化制造基础 点轨迹的分布是按照最小加工带宽度决定的，这样相邻的刀具轨迹又大量的重 复走刀，导致加工效率低下。截平面法的加工带宽度一般都是等距的，往往根 据所允许的最大残留高度来确定加工带宽度，对于曲率变化较大的曲面，加工 效率低。 相比之下，等残留高度法是通过控制相邻轨迹间距离使轨迹间的残留高度 不变，从而在已知一条加工轨迹，刀具半径和允许残留高度的前提下，下一条 刀具轨迹可以计算出来。在精加工阶段，利用球头刀进行等残留高度加工能使 加工后零件表面的残留高度均匀，提高加工效率并获得较好的加工质量。 残留高度h 是两切削行的间距l 2 、刀具有效切削半