（机械电子工程专业论文）面向制造的工业结晶器搅拌桨cadcappcam集成系统研究.pdf

摘要 摘要 搅拌浆是搅拌釜式结晶器的关键部什，搅拌槽内整体流动形式与搅拌桨 叶 片曲丽形状及叶片的几何尺寸参数密切相关。传统搅拌桨设计制造过程 叶存在设计手段落后、加工方法落后、信息共享程度低、设计制造周期长、 质量难以保证等问题。本文针对搅拌桨c a d c a p p c a m 集成的理论和方 法，r 艺规划方法以及搅拌桨数控加工技术进行了研究和探索，并在此基 础上 发了面向制造的搅拌桨c a d c a p p c a m 集成系统。全文主要研究 内容| | 概括如卜： 1 综述搅拌桨设计制造技术、c a p p 技术以及自由曲面数控加工技术的 国内外研究现状和发展趋势，阐述了课题的主要研究内容和意义。 2 研究面向制造的产品特征建模技术，基于产品建模方法和面向列象 技术，建、，了搅拌桨c a d c a p p c a m 集成产品模型、设计特征信息模型、 工艺特征信息模型、加工特征信息模型，以及从设计特征到工艺特征到加 ： 特征的映射模型。研究了搅拌桨c a d c a p p c a m 集成的原理和方法， 基于商用c a d c a m 系统u n i g r a p h i c s 的二次开发技术，实现搅拌桨 c a d c a p p c a m 的集成。 3 研究搅拌桨制造过程中毛坯制备、定位装夹、数控加工和表面光整 的工艺规划。重点论述了基于特征及奠映射技术和基于知识推理技术的创 成式数控加工工艺规划方法。 4 研究搅拌桨三轴联动和五轴联动数控加工刀具轨迹规划方法，并在避免 过切干涉的前提下，以改善切削条件、提高加工质量和加工效率为目标对刀具 轨迹进行优化；在切削力实验的基础上，根据螺旋桨实际j ? n z j _ 况选择合适的 切削用量。 5 建立面向制造的搅拌桨c a d c a p p c a m 集成系统，基于商用 c a d c a m 系统u n i g r a p h i c s 及其二次开发工具，面向对象的开发环境v c + + 和数据库a c c e s s ，实现c a d c a p p c a m 集成a 关键词：搅拌釜式结晶器搅拌桨c a d c a p p c a m 特征自由曲面刀具 轨迹规划 a b s t r a c t p 1 o p e l l m l sac r i t i c a lp a r to fc r y s t a l l i z e r , t h eg e o m e t r ys h a p ea n dd i m e n s i o n o fw h i c hd e t e r m i n et h ef l o wf i e l di nt h ec r y s t a l l i z e r t h et r a d i t i o n a i m a n u f a c t u r i n g m e t h o do fp r o p e l l e r si s b a s i c a l l yh a n do p e r a t i o n sr e q u i r i n gc o n s i d e r a b l es k i l l ，t i m c a n de f f o r t t h e r e f o l 。e t h ec d l c a m t e c h n o l o g i e sf o tm a n u f a c t u r i n gp r o p e l l e ra r e i n v e s t i g a t c d i nt h i sr e s e a r c h t h i s p a p e r f o c u s e so nt h e i n t e g r a t i o n m e t h o do f c a d c a p p c a m t h ep r o c e s sp l a n n i n ga n dn u m e r i c c o n t r 0 1m a c h i n i n gt e c h n o l o g y o f p l o p e l l c r o n t h eb a s i so fa f o r e m e n t i o n e d s t u d y t h em a n u f a c t u r e o r i e n t e d c a d c a p p c a mi n t e g r a t i o ns o f t w a r es y s t e mf o rp r o p e l l e ri sd e v e l o p e d t b em a j o r c o n t e n to ft h i sp a p e ri ss u m m e da sf o l l o w ： 1t h ep r e s e n ts t a t u sa n dt r e n d si nd e s i g na n dm a n u f a c t u r eo f p r o p e l l e r , t e c h n o l o g y o fc a p pa n dn u m e r i c c o n t r o l m a c h i n i n gt e c h n o l o g yo ff r e e - f o r ms u r f a c e a r c r e v i e w e d t h ec o n t e n t sa n dg o a l so f t h ep r o j e c ta r ep u tf o r w a r d 2b a s e do nt h em e t h o do fp r o d u c tm o d e l i n ga n do b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g y , t h e ( 、a d ( ：a p p c a mi n t e g r a t i o n p r o d u c tm o d e l d e s i g n f e a t u r e m o d e l p r o c e s s f e a t u r em o d e l 、m a n n f a c t u r ef e a t u r em o d e la n dt h em a dm o d e lb e t w e e nt h e ma r e b u i l tt h ei n t e g r a t i o nm e t h o da n dt h e o r yo fc a d c a p p c a mf o rp r o p e l l e ri s i n v e s t i g a t e d ，w h i c hi s r e a l i z e do nt h ep l a t f o r mo fu n i g r a p h i c sb yu t i l i z i n gt h e s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t t 0 0 1 3 t h ep r o c e s sf o rt h ep r e p a r a t i o no fb l a n k ，a l l o c a t i o na n dc l a m p ，n u m e r i c c o n t r o l m a c h i n i n ga n dp o l i s h i n g o fp r o p e l l e ri s i n v e s t i g a t e d ；t h e f e a t u r e b a s e da n d k n o w l e d g e b a s e dg e n e r a t i v ep r o c e s sp l a n n i n gm e t h o d i se x p l a i n e d 4 t h et o o l p a t hp l a n n i n g m e t h o do ft h r e e a x i sa n df i v e a x i sn u m e r i c - c o n t r o l m a c h i n i n gi si n v e s t i g a t e d a n dt h et o o lp a t hi so p t i m i z e dt oi m p r o v et h ec u t t i n g c o n d i t i o n ，s u r f a c eq u a l i t ya n dm a c h i n i n ge f f i c i e n c yo n t h eb a s i so f c u t t i n gf o r c e e x p e r i m e n t ，t h eq u a n t i t yu s e di nc u t t i n g i sc h o s e na c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a l m a c h i n i n gc o n d i t i o n 5 t h em a n u f a c t u r e o r i e n t e dc a d c a p p c a mi n t e g r a t i o ns o f t w a r e s y s t e m f o r p r o p e l l e ri sd e v e l o p e do n t h ep l a t f o r mo f u n i g r a p h i c sb yu t i l i z i n gt h es e c o n d a r y d e v e l o p m e n t t o o lo f u n i g r a p h i c s v c + + a n d d a t a b a s ea c c e s s k e yw o r d s ：c r y s t a l l i z e r ；p r o p e l l e r ；c a d c a p p c a m ；f e a t u r e ；f r e e f r o ms u r f a c e ； t o o lp a t hp l a n n i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁壅盘主或其他教育机构的学位或证 书而使崩过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已存论义中 作了明确n 勺说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：荔多签字日期：聊年) 月7 乃 学位论文版权使用授权书 本学位论义作者完全了解墨杰盘生 有关保留、使用学位论义的规难。 特授权墨生盘堂可以将学位论义的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，亓采用影印、缩印或扫描等复制：f 段保存、汇编阱供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位做作者豁名：蓬乡 签字f 1 期：二聊弓年2 月工7 日 导师签名： 签字日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 搅拌釜式结晶器搅拌桨设计n 造研究概述 1 结晶器搅拌桨在化学工业中的应用和分类 1 结晶器搅拌桨在化学工业中的应用 结晶器在化学工业过程中应用十分广泛，为数众多的化工产品及中问产品都 足应用结晶方法分离或提纯而形成的晶态物质。在医药、染料、精细化工生产 l j 虽然结晶态产品的产量相对低一些，但具有异常重要的地位以及高额的产 值。搅拌是结晶过程中一个重要的单元操作，通过搅拌可以加快两耕t 或两种以 上具有不同性质的物质相互间的分散速度，从而达到快速均匀混合的目的，因 此搅拌设备在传质及传热过程中有着广泛的用途 j 】。搅拌效果关系到过程的结果 年i 产品的成本。 搅拌操作的装置由搅拌槽、搅拌器及其它辅助部件( 挡板、导流筒等) 组成。 其中最重要的部分是搅拌器，搅拌器的构型及搅拌性能对于搅拌操作至关重要。 搅拌过程中，机械能通过旋转中的搅拌叶轮转化为流体的动能，从而形成槽内 的整体流动，完成传质及传热过程【2 】。因此，搅拌槽内整体流动形式与搅拌桨叶 片曲面形状及叶片的几何尺寸参数及槽内结构密切相关。对搅拌槽内流动特性 的深入了解是搅拌设备优化设计的基础，对形成合理的流场、降低搅拌功耗及 提高搅拌效果起着关键的作用。 2 搅拌浆的分类 按叶片搅拌液流的特征可分为径流式和轴流式。径流式叶轮产生的流体流动 基本轨迹是沿直径方向( 图1 - 1 ) ，存在能耗高、噪声大、剪切力过强和设备大型 化困难等缺点。轴流式叶轮产生的流体流动基本轨迹是沿搅拌轴的方向( 图1 - 2 ) ， 平行于搅拌轴。这类叶轮产生的流型是轴向有很大的排出流量，所以液体的循 环性能较好，剪切作用较小1 3 1 。结晶过程中常采用轴流式搅拌浆。 按桨叶的结构形式可分为折叶桨式( 图l - 3 ) 、锚式( 图l - 4 ) 、圆盘涡轮式( 图 1 5 ) 、螺旋桨式( 图1 6 ) 、翼形桨式( 1 7 ) 等。折叶桨为径向、轴向混合的桨型，且 天津大学硕士学位论文 传输的距离不远1 4 】。锚式桨混合效率不高，在低粘度时易形成一很大的游涡：在 高半占度时形成一环带状死区，液体翻动量少，固体悬浮不理想1 5 】。此两种桨型结 构简单制造方便成本较低适合搅拌均匀性要求不高的场合。圆盘涡轮桨( 图1 5 ) 为一种径向流搅拌桨，其加工较为简单是化工行业传统使用的桨型，但在长期 的应用与研究中，径流式桨逐渐表现出了全罐混合差，桨区局部剪切作用强烈， 功率因数偏高等这些缺点【5 1 。目前轴流式桨型已占据了主导地位。其中有两种类 型搅拌效率较高，分别为仿船用螺旋桨和翼型桨。轴流式搅拌釜不存在分区循 环，罐内主体循环良好、更主要的是提高了循环区的液流速。此外，虽然轴流 桨最大剪切速率比圆盘涡轮桨小，但整个搅拌釜内的平均剪切速率却比圆盘涡 轮桨高出两倍以上，剪切温和。 第一章绪论 1 1 2 螺旋桨设计n 造技术 国外近几年推出了多种轴流性能好、低功耗、高泵送能力的高效轴流式搅拌 器，如美国r o c h e s t e r 混合设备公司研制的l i g h t i n a 3 1 5 桨，德国的e k a t o 公司研 制的 m t e m i g 桨和法国r o b i n 公司的h p m 桨。目前国内生产的轴流式搅拌器主 要有折叶桨和螺旋桨。折叶桨的制造简单，但轴流性能差、搅拌效率低、功耗 较大。为提高搅拌桨的性能，通常仿船用螺旋桨进行设计，但是设计困难、制 造成本高。我因引进了大量国外搅拌器硬件，但价格昂贵，且没有掌握其设计 软件。国内对新型桨叶进行了大量研究及开发，包括对引进的国外先进搅拌桨 进行反求仿制，但由于缺乏系统的理论指导，总的来说开发创新能力还较薄弱。 因此，研究搅拌桨的设计和制造技术，对发展提高我国结晶技术具有重要的学 术价值和重大的经济及社会效益。 1 螺旋桨的传统设计制造方法 螺旋桨的传统设计方法是根据螺旋桨模型实验结果得到的图谱进行手工二 维设计，用一系列与螺旋桨回转中心同轴的圆柱面与桨叶相切所得到的截面展 开放在平面卜表达的1 6 ，通常个直径为1 米的螺旋桨至少有十个截面以上。每 设计一种新螺旋桨就要计算每一截面的尺寸，然后通过截面图来表达。这种手 工设计方法，不仅周期长、精度低，而且无法得到准确的曲面形状，也无法自 动生成曲面加： 程序。 螺旋桨的传统制造方法是在铸造的桨叶坯料上按线型要求划线、钻孔，再根 据孔的不同深度用砂轮进行人工打磨，然后翻身以桨叶各截面的厚度为准加工 叶背型面，最后整体打磨抛光。这一工艺的缺陷是劳动强度大，人为因索多， 效率低，且手工作业很难保证螺旋桨各片桨叶线型相同，重量相等，精度等级 上不去竹1 。 2 螺旋桨的计算机辅助设计与制造技术 由于螺旋桨桨时属于复杂曲面且是薄壁结构，它的加工问题始终是一个难题 【”。随着现代数控技术在机械加工行业的日益普及，给机械加工行业带来了革命 性的进步，而且随着计算机技术的发展，使c a d c a m 技术有了长足的进步， 出现了一些优秀的ca d ca m 软件，如u n i g r a p h i c s 。采用多轴联动数控机床 加工螺旋桨，传统工艺方法的缺陷迎刃而解，加工效率高、质量好、桨叶型面 与设计线型一致，从而提高了螺旋桨的性能。数控加工的关键是编制数控程序， 天津大学硕士学位论文 而编制螺旋桨数控加工程序的关键是将设计线型光j j 顷d n 密再转化成三维坐标值 1 7 】。这过程可以根据螺旋桨的型面特征推导公式，利用计算机计算结果；也可 以利用现有的高级三维c a d c a m 软件，根据墁计型值，采用n u b u r s 哇珏面进 行拟合，建立三维几何模型，并通过生成的曲面编制出数控加工代码。 目前在螺旋桨叶片曲面数控加工中，普遍存在着加工效率太低的现象，如何 在保证加工精度的前提下提高加t 效率已成为急待解决的问题。由于螺旋桨叶 片的压力面设计结果通常是用不同半径处截面的形状来表示的，很少给出解析 式，在建立加工面数学模型时，大多数情况下都采用计算几何来拟合，这给叶 片工曲面数控加工的定量分析带来诸多不便之处，例如在选择加工走刀步长和 切削行距时多采用推荐值加工误差的准确计算。任秉银，唐余勇 9 1 0 1 等建立了 等螺距螺旋桨叶片工作面的方棵，应用微分几何理论推导出数控加工所用球头 铣刀的最大允许半径计算公式、走7 j 步长以及切削行距的计算公式，根据刀具 运动包络面计算实际加工误差，只要计算误差达到要求就可以满足精度要求。 这种方法可以使加工效率成倍增加。虽然球头铣刀是曲面加工的主要刀具，但 对曲率变化平缓的大型雕塑曲面零件( 如螺旋桨叶片) 的五轴联动数控加工，以采 用大直径端铣刀沿曲面参数线方向进行加工为最佳加工方式，这种加工方式具 有d n - r 2 精度和加工效率高，零件表面质量较好以及刀具切削状态优等特点j 。 1 2c a p p 研究概况 c a p p 是6 0 年代后期出现的一个新的技术领域，它是计算机技术和多种其 他相关技术在工艺设计领域综合运用的产物。c a p p 从最初单纯地存储、检索工 艺规程到按变异和创成原理自动进行工艺设计，这一过程既体现了其自身发展， 乜反映出制造部门对其强烈的需求。随着计算机及其应用技术的不断发展，在 机械制造领域，人们越来越意识到c a p p 的重要性。众所周知，c a t ： p 是c 1 m s 的重要环节，是连接计算机辅助设计( c a d ，c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 和计算机 辅助制造( c a m ，c o m p u t e r a i d e d m a n u f a c t u r e ) 的桥梁和纽带。 1 2 1c a p p 的发展以及研究现状 c a p p 的发展经历了三个阶段，g g - g t rc a p p 单元技术的研究应用，第二 阶段c i m s 环境下的c a d i c a p p c a m 单向的基于串行模式的集成，第三阶段 4 第一章绪论 c e ( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 环境下的c a d c a p p c a m 双向的基于并行模式的 集成。基于并行模式的集成并不是串行模式的简单的叠加，c a p p 与c a d 之间 的信息交互应该是动态的、双向的。一方面c a p p 应该在设计的早期阶段对设 计方案进行可制造性评价，并将参考意见反馈给c a d ：另一方面借助制造工艺 和制造资源功能的柔性，c a p p 应能生成多种工艺方案，以适应动态变化的制造 环境并接受反馈意见重选工艺方案。 c a p p 的研究热点主要集中在：( 1 ) c a p p 系统的设计方法；( 2 ) c a p p 输 入信息描述；( 3 ) 人工智能以及专家系统思想； 1 2 2c a p p 的发展趋势 h a m t ”l 手日出未来c a p p 的研究应该包括集成设计和制造，更多的应用人t 智能技术。a l t i n g 提出c a p p 应该具有与n c 编程、m r p 以及生产仿真系统的 接口：指出未来c a p p 应该能够实时的监测实际的生产过程，并根据生产的反 馈进行实时修改；集成产品设计、 _ ：= 艺设计和产品制造将是c a p p 发展的最终 目标。e 1 m a r a g h y 指出c a p p 与产品设计的集成、工艺设计与生产计划调度的集 成、分布式工艺设计、非传统的c a p p ( 装配、检验、机器人、工件装夹、板金、 焊接等) ，将是c a p p 的发展趋势。k i r i t s i s ”1 评述了c a p p 中的知识基专家系统； 总结了c a p p 存在的主要问题有产品和零件的表达方法、工艺设计的逻辑与知 识、数据库和特征识别。f a r u k 1 4 】总结了近几年c a p p 的研究状况，强调了c a p p 与相关的设计、制造、车间控制和管理的集成，指出分布式人工智能( d i s t r i b u t e d a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 领域中的多智能主体系统将在今后的c a p p 研究中得到j “ 泛的应用。指出p e 砸网在构造并行工程系统模型方面优于i d e f 。 c a p p 的开发中主要仍存在两个方面的问题，一是零件信息的描述；二是大 量的模糊的、基于经验的工艺知识的表达。从大量的文献可以看出，今后c a p p 的发展应该更加趋于集成化、并行化、智能化、柔性化、模块化和网络化。 1 集成化和并行化 c i m s 和c e 促使各项生产技术与管理模式向着集成化和并行化的方向发展。 c a p p 是c 订s 系统中极其重要的分支系统，c e 要求c a p p 的工作进程应在c e 产品开发过程动态模型的控制下，与上下游功能模块协同作业。在设计领域与 c a d 、c a f d 、c a m 等集成：在生产制造领域与生产计划与调度p p s ( p r o d u c t i o n p l a n n i n g & s c h e d u l i n g ) 进行信息与功能的集成。 天津大学硕士学位论文 集成的概念应该包括：信息集成和功能集成两个方面。产品信息模型用于实 现信息集成：c a p p 与上下游功能模块的集成用于实现功能集成。 ( 1 ) 产品信息模型 山于并行工程采用集成化和并行化的方法设计产品，以及进行相关的应用 ( c a d 、d f m 、d f a 、c a e 、c a p p 、c a f d 央具设计、c a m 、m p s 加工过程 仿真等) 。因此产品的信息模型应该支持不同应用之间准确、完整和无二义性的 信息交换。这就为产品信息模型的建立提出了更高的要求。张和明1 15 等参照 s t e p 应用协议a p 2 1 4 ，定义了面向“并行工程”应用系统的产品数据信息模型。 其技术路线是根据s t e p 应用协议a p 2 1 4 的特征定义，在现有参数化c a d 系统 的基础上进行特征再建模，使隐式特征表达能遵守a p 2 1 4 的规范：显式特征表 达则建立在c a d 系统的特征库上；通过建立a p 2 1 4 特征与c a d 形状特征的一 一对应关系，以s t e p 中性文件的形式支持下游的应用系统得到完整的特征定义 数据。集成化和并行化是并行工程的要求，因此在建立产品数据信息模型以及 研制面向柔性生产线方案设计的c a p p 时，应该充分考虑到这点。 ( 2 ) c a p p 与c a d 、c a f d 、c a m 的集成 c a d c a p p c a m 双向的基于并行模式的集成，使得在产品设计的同时进行 产品的可制造性分析【1 7 j 【2 0 】叫( d f m ) 。d f m 把制造系统的约束集成到设 计过程中，从制造可行性的角度对设计结果不断进行修改，在设计之初解决了 装配和制造的很多问题，可以避免设计后期的大规模返工。在整个并行工程设 计流程中，各子系统之间不但要进行从上游到下游的信息集成，还要实现从下 游到上游的信息反馈降。 2 智能化 继c i m s 之后，制造业将进入智能制造的时代。智能化是制造业发展的总的 趋势，将有越来越多的新兴的智能技术应用于象特征识别、加工方法的选择、 设备选择、排序、定位装夹、切削参数确定、工装选择、工步的排序优化等c a d 和c a m 的各个应用领域。文献研究了智能化工艺设计的几个关键技术，使用 人工神经网络模型进行j j n q _ 方法选择；采用模糊综合评判方法，以不确定推理 方式决策出定位夹紧方案；应用模拟退火法进行工序的优化排序。 3 柔性化 柔性化有两个方面的含义：其一是c a p p 系统对不同的软硬件资源情况、不 第一章绪论 同的生产要求等条件发生变化时的适应性：其二是c a p p 用户化方面的柔性， 比如特征的用，1 自定义、柔性编码、知识库和推理机自学习功能等。 1 。3 自由曲面数控加工技术综述 在现代制造业的发展过程中，c a d c a m 技术的应用对于提高生产率是至关 重要的。数控加工是c a d c a m 技术最能发挥效益的环节。大多数商用 c a d c a m 软件通常都支持自由型曲面的数控加工，数控加工编程的主要任务 2 3 i 是计算加工走刀过程中无干涉过切刀位点( c u t t e rl o c a t i o np o i n t ) ，多轴加工时 还要确定刀轴矢量。一般情况下，刀具轨迹生成过程通常可划分为三个阶段：( 1 ) 在给定的零件几何模型和加工要求下，规划刀具路径；( 2 ) 刀具干涉检查；( 3 ) 生成适合特定机床的g 代码。国内外学者针对自由曲面数控加工这主题进行 了大量的研究，发表了大量相关的科技文献，取得一定的进展。 1 。3 。1 刀具轨迹规划 1 刀具轨迹优劣的评价指标 在复杂曲面的多坐标数控加工中，刀具轨迹的优劣直接影响到其加工精度和 加工效率。好的刀具轨迹应该在保证较高加工精度的前提下，使加工效率最高， 具体体现在以下几个方面【2 ”。 f 1 1 刀具轨迹的长度 即对零件加工的刀具轨迹的总长度，其中包括刀具有效切削路径的长度和不 进行切削的空行程的长度。显然，刀具轨迹的长度越短，其加工效率越高。往 复式双向切削刀具轨迹比单向切削的刀具轨迹短。 f 2 1 刀具轨迹的连续性 不连续的刀具轨迹会因经常性的抬刀使得刀具往返时间增加而使加工效率 降低，被加工零件得质量也会因为系统误差得增加而降低。因此刀具轨迹数越 少越好，即单个刀位轨迹应尽肯能长。 f 3 ) 刀具轨迹方向的一致性 随着加工轨迹选取得不同，其上法矢的变化幅度和变化频率会有很大的差 别，从而直径影响加工效率和质量。轨迹方向的一致性包括刀具运动切线方向 的变化情况和在某一轨迹上曲面法矢方向的变化情况。因此，刀具轨迹的规划 天津大学硕士学位论文 应沿着曲面法曲率变化较小的方向，从而使其沿切线方向和法矢方向的变化率 尽可能小。 2 刀具轨迹生成方法 参数曲面加工的刀具轨迹生成方法主要有以下几种： f 1 ) 等距截平面法 等距截平面法2 5 川是指用一组平行平面与曲面相截，将所得到的截线作为 刀具运动的轨迹。这种方法的缺点是截平面的最佳方位通常很难确定，多数情 况下只好选用与某坐标轴相垂直的平面来简化计算，而求平面与曲面的交线时 也要根据给定的误差范围用小三角平面来逼近益面，因而这种方法的计算量很 大。该方法虽然保证了刀具轨迹线在几何空间内的距离相等，但一般情况下在 不同位罱处的残留高度并不相等，平行平面的间距只能根据残留高度的最大处 决定，因而加工效率有时较低。 ( 2 l 等距偏置法 等距偏置法是求边界曲线的等距离曲线为刀具轨迹线，其闻距也只能根据 最大残留高度处决定，这种方法与等距截平面法相似，因而加工效率有时也比 较低。 ( 3 1 等参数法 等参数法t2 7 】【2 8 1 是最常用的一种刀具轨迹规划方法，这种方法的最大优点是 算法简单，但因参数间距只能根据两相邻刀具轨迹间残留高度的最大值决定， 而大多数曲面沿参数方向的几何尺寸变化较大，所以实践得到的刀具轨迹疏密 差别较大，致使加工效率较低，且被加工曲面的表面质量较差。 ( 4 ) 等残留高度法 以 i 几种方法在确定相邻刀具轨迹的间距时都是根据残留高度的最大的情 况束确定的，在不同程度上存在着重复切削，加工效率不高。相比之下，等残 留高度法t 2 9 1 则是控制相邻轨迹间的距离使得残留高度不变，从而在己知一条加 工轨迹、刀具半径和允许残留高度的前题下，下一条刀具轨迹便可计算出来。 该方法是一种高效的加工方法。 f 5 1 自适应等参数线法【2 4 等残留高度法虽然能保证较高的加工效率，但求对应的刀位点的计算量比较 大。相比之下，等参数线法计算简单，但加工效率有时不高。困此，对等参数 线法进行改进，产生了白适应等参数线法。这种方法引入了等参数线来获得一 第一章绪论 个优化的有效覆盖集，通过使切削运动时间最短来产生优化的有效覆盖集。两 参数线的距离是约束残留高度的必要条件。这种方法生成的刀具轨迹线是等参 数曲线，汁算简单，不会在局部自相交，且对加工的残留高度有直接的约束作 用。 1 3 2 过切及干涉 过切是自由曲面精加工过程中面临的主要问题【3 0 _ ” 。过切以及干涉一直是自 由曲面数控加工刀具轨迹生成过程中的难题。在刀具轨迹生成过程中通常有两 种类型的干涉，全局干涉和局部干涉。全局干涉发生在当刀具加工曲面的一部 分时，刀杆或刀具夹头与曲面的另一部分发生碰撞。图1 8 显示了局部过切 ( o v e r c u to rg o u g i n g ) 和欠切( u n d e r c u t ) 。局部过切是由于曲面被加工部位的 曲率大于刀具的曲率。欠切一般可通过应用小直径刀具进行加工或以小直径的 刀具用额外的走刀加以消除。然而过切在多曲面连续加工环境下却是非常复杂 的难题。对于多曲面加工，如图1 9 所示，导致过切的原因主要有两种，曲面拼 接处c 1 甚至更为普通的g 】不连续和曲面片之间的脚隙( c o 不连续) 。切向不 连续发生在组成零件表面的曲面片之间的连接处，间隙发生在零件表面的自由 边缘附近，造成间隙的原因是曲面定义或数值近似过程中发生了某种错误。 在五轴加工中，由于刀轴方位的变化，干涉问题也因此变得更加复杂。刀轴 方位是五轴数控加工中干涉过切检查和修正的决定性因素【3 ”。给定曲面上的点， 刀轴可行锥( f e a s i b l ec o n e ) 是无干涉加工时刀具轴线的变化范围。位于_ = ；j 轴锥 角以外的刀轴方位将引起干涉。对于五轴数控加工中的全局以及局部干涉，现 有文献介绍的方法很少能同时进行干涉检查和修正。 1 3 3 加工仿真 易易觑飒 a 过切 圈1 8 b 欠切 过切和欠切 a 曲面不连续b 曲面片之间的缝隙 圈1 - 9 多曲面连续加工时的过切 9 天津大学硕士学位论文 加工工艺的合理性包含两个方面的含义1 3 5 】：( 1 ) 几何意义上的合理性，加工 i t 艺要确保几何尺寸和加工精度；( 2 ) 物理意义上的合理性，加1 工艺要确保 加工过程的稳定性。因此完整的数控加工过程仿真系统应兼备几何仿真和物理 仿真功能【3 6 l 。 用于几何仿真的计算方法主要有三类，一类是应用曲面离散技术【”1 1 ”】，将 曲面离散为点集，计算曲面离散点处的法矢，刀具在运动过程中切割曲面的法 向矢量，通过讨算残余矢量的长度判断零件的加工状况。由于很好地满足了精 度检验的要求，因此特别适用于精度检验。当曲面复杂，数控程序很长时，存 在算法效率问题。另一类基于传统实体建模技术如b r e p 和c s g 等的加工仿真 系统，选择g b u f f e r 3 9 、八叉树等方法将空间剖分为简单的形体以简化布尔运算。 这类方法满足动态加工仿真过程的实时要求，但精度低且内存占用大。第三种 是基于刀具运动包络体 4 0 1 4 1 1 的计算方法，刀具包络体是刀具运动所经过空间的 点集。将刀具包络体与工件进行一系列布尔运算，可获锝加工余量、过切量、 加工后的零件形状等加工信息。刀具运动包络体所包含的信息是最丰富的，因 此满足仿真的各方面要求。但是刀具包络体的求解相当复杂，通常难以获得包 络体表面的解析解。方向【4 1 ) 等提出了广义法矢的概念，并由此推出了圆柱端铣 刀的包络面计算公式，给出了离散误差的控制方法。 物理仿真的关键环节是铣削力模型和机床一工件一刀具系统模型的合理性。 以上系统均采用简化的铣削力仿真模型，离实际应用有较大差距。针对自由曲 面数控加工，出于刀具轨迹的复杂性以及送给方向积切削用量随时阀两变化， 精确建立铣削力模型难度很大，尤其是五轴加工，尚处于研究阶段。 1 4 商用c a d c a m 系统的现状和存在的问题 1 4 1c a m 的发展 c a m 技术发展至今，无论在软硬件平台、系统结构、功能特点上都发生了 翻天覆地的变化。当今流行的c a m 系统在功能上也存在着巨大的差异。就其具 有决定意义的基本处理方式与目标对象上看，主要可分为两个主要发展阶段h 2 j ： ( 1 ) 第一代c a m ：a p t 2 0 世纪6 e 年代在专业系统上开发的编程极及部分编程软件如：f a n u c 、 s i m e n s e 编程机，系统结构为专机形式，基本处理方式是人工或辅助式直接计 第一章绪论 算数控刀路，编程目标与对象也都直接是数控刀路。特点是功能差，操作困难， 专机专用。 ( 2 ) 第二代c a m ：曲面c a m 系统 系统结构一般是c a d c a m 混合系统，较好地利用了c a d 模型，以几1 可信 息作为最终的结果，自动生成加工刀路。自动化、智能化程度碍到了大幅度提 高，具有代表性的是u g 、d u c t 、c i m a t r o n 、m a r s t e r c a m 等。基本特点是面向 局部曲而的加工方式，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。尽管该时期的时间跨 度达二十年，系统档次差异很大，智能化水平高低亦不同，但在结构体系上没 有质的变化。 1 4 2 商用c a d c a m 系统使用中的一些问题 现在广泛使用的c a d c a m 系统如u g ，将产品设计与加工过程及n c 代码 ，l 成集成在统一的平台下，有着很强的设计功能和加工功能，但缺乏与c a p p 的信息集成，使c a d c a p p c a m 的信息集成出现断流。c a p p 产生的大量丁艺 信息无法直接、自动为c a m 模块所使用。而数控加工是以工艺为核心的工程过 程，这种非工程化概念的处理方式肯定会造成一系列的问题 4 3 1 ： ( 1 ) 不能有效地利用c a d 模型的几何信息，无法自动提取模型的工艺特征， 只能够人工提取。甚至靠重新模拟计算来取得必要的控制信息，无疑增大了操 作的繁琐性，影响了编程质量与效率。致使系统的自动化程度与智能化程度降 低。 f 2 ) n 部加工计算方式靠人工或半自动进行仿真过切处理，因为不是面向整体 模型为编程对象，系统没有从根本上杜绝过切现象产生的可能。 f 3 ) 传统的c a m 系统不仅要求操作人员有深厚的工艺知识背景，还需要有很 高的c a d 应用技巧。 1 5 课题的提出和研究内容 1 5 1 课题的提出 作为螺旋桨设计制造中的一环， 节。为缩短螺旋桨的设计制造周期， 加工工艺规划和数控加工是其中的关键环 必须降低工艺规划和数控加工时间。尽管 天津大掌硕士学位论文 在设训和制造过程中可以应用c a d c a m 技术，由于商用c a d c a m 系统缺乏 c a p p 横块，在利用商用c a m 系统进行数控编程时，需要人工交互的选择或指 定：牡l 沫类型、机床处埋文件、加工特征类型、毛坯类型及尺寸、刀具的起点 和终l 、羊h 精加工划分、切削方式选择、刀具路径规划、切削参数等，z 晕影 响了数拎编程的质量和效率。 纠刘蚓旋浆设计制造过程中存在的问题，结合基金项目提出本课题，即“面 向制造的l 、i k 结晶器搅拌桨c a d c a p p c a m 集成系统研究”，通过建立基于特 征及其映射机制的c a p p 系统，实现基于统一数据模型的c a d c a p p c a m 集成， 以求达到缩短螺旋桨制造周期，快速响应用户需求的目的。 1 52 本文研究内容 针埘结晶器搅拌桨c a d c a p p c a m 集成，本文研究内容如下： ( 1 ) 综述搅拌桨设计制造技术、c a p p 技术以及自由曲面数控加工技术的圈 内外研究现状和发展趋势，阐述了课题的主要研究内容和意义。 ( 2 ) i 洲究面向制造的产品特征建模技术，基于产品建模方法和面向对象技术 建立搅拌桨c a d c a p p c a m 集成产品模型、设计特征信息模型、工艺特征信息 模型、肌j 工特征信息模型，以及从设计特征到工艺特征到加工特征的映射模型。 研究搅拌桨c a d c a p p c a m 集成的原理和方法，基于商用c a d c a m 系统 u n i g r a p h i c s 及其二次开发环境，实现搅拌桨c a d c a p p c a m 的集成。 ( 3 ) 研究搅拌桨制造过程中毛坯制造、定位装夹、数控加工和表面光整的工 艺规划：重点论述基于特征及其映射技术和基于知识推理技术的创成式数控加 工，工艺规划方法。 ( 4 ) 针对螺旋桨零件的结构特点，研究螺旋桨三轴和五轴联动数控加工刀具 轨迹规划方法，并以提高加工质量，改善切削条件和提高加工效率为目标，对 刀具轨迹进行优化；在切削力实验的基础上，根据螺旋桨实际加工工况选择合 适的切削用量。 f 5 ) 面向制造的搅拌桨c a d c a p p c a m 集成系统运行实例。 第= 章基于特征的搅拌柴c a d c a p p c a m 集成技术瓦原理 第二章基于特征的搅拌桨c a d c a p p c a m 集成技术及原理 通过分析传统搅拌桨设计制造流程，针对其设计手段落后、信息共享程度 低、加工方法落后和设计制造周期长等问题，本章从产品制造的全过程出发， 研究基于特征的c a d c a p p c a m 信息集成技术及原理。对搅拌桨产品进行特征 建模，采用面向对象的技术建立面向制造的搅拌桨零件信息描述模型、搅拌浆 设计特征信息描述模型、工艺特征模型和数控加工特征模型；研究特征从设计 域到工艺域及加工域的映射方法；并基于u n i g r a p h i c s ，v c + + 和数据库a c c e s s 实现搅拌桨c a d c a p p c a m 的无缝集成和数控程序的自动生成。 2 1 传统搅拌桨设计制造过程及存在的问题 2 1 1 传统搅拌桨设计制造流程 传统搅拌桨设计与制造的过程包括1 ：( 1 ) 根据螺旋桨模型实验结果得到的 图谱进行手工二维设计，并给出螺旋桨的剖面图和轮廓伸张图；( 2 ) 砂型铸造， 根据参数计算出桨1 1r 的外型，绘出一定的铸造裕量，进行制模，铸造出桨的初 始外形：( 3 ) 在桨叶坯料上根据线型要求划线、钻孔；( 4 ) 根据孔的不同深度进 行人工打磨：( 5 ) 检测是否达到要求；( 6 ) 整体打磨抛光。传统搅拌桨设计i n 造 的流程如图2 1 所示。 2 1 2 传统搅拌桨设计制造过程存在的问题 1 设计手段落后 搅拌桨的传统设计方法是手工二维设计。设计结果用一系列与螺旋桨回转中 心同心的圆柱面与桨叶相切所得到的截面展开放在平面上表达的。通常一个直 径为1 米的螺旋桨到少有十个截面以上。每设计一种新螺旋桨就要计算每截 面的尺寸，然后通过截面图来表达。这种手工设计方法，不仅周期长、精度低， 而且无法得到准确的曲面形状。 天津大学硕士学位论文 7 螺旋桨没汁 、图谱 平维鹾汁 螺旋桨的轮、， 廓伸张图和) 一 毛坯圈 、削血幽f 整 体 打 磨 抛 光 蠢i 逊一矗 、- - 、， 图2 - l 传统搅拌桨设计席0 造的流程 2 信息共享程度低 采用这种手工设计方法，无法得到准确的曲面形状，也无法自动生成曲面加 工程序，原始设计数据不能被工艺规划和加工环节有效的利用，造成设计与制 造出现信息断流，给后续的加工制造带来困难。 3 加工方法落后 搅拌桨传统的手工打磨的加工方法不仅劳动强度大，加工效率低，更主要的 是研i 能保证精度。 4 设计制造周期长 限是由于落后的设计, d i i 手段，造成设计、工艺和制造三个环节相互脱离， 不能实现信息的共享，使得采用传统的设计制造方法，完成一个小型搅拌桨的 加工需要2 周的时间，而一个大型搅拌桨的加工则需要一个月甚至更长的时间。 2 2 面向制造的搅拌桨c a d c a p p c m 流程 为实现搅拌桨的快速制造，必须建立能共享设计信息的搅拌桨 c a d c a p p c a m 集成系统，图2 2 为面向制造的搅拌桨c a d c a p p c a m 流程。 通过建立螺旋桨的三维数字化模型，取代二维的剖面图和轮廓伸张图；基于螺 旋桨的三维数字化模型进行工艺规划和数控编程，并在数控机床上完成螺旋桨 的加工。通过信息的共享与集成，达到提高搅拌桨设计与制造的质量，缩短搅 拌桨设计制造周期的目的，实现搅拌桨的快速制造。 熹t 盘 第二章基于特征的搅拌桨c a d c a p p c a m 集成技术及原理 $ 俸俸p 忿 1