（机械制造及其自动化专业论文）基于ug的无导流套叶轮几何造型与数控加工的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 叶轮类零件是一类具有代表性且造型比较规范的复杂零件，随着设计理论的发 展，叶轮类零件工作面形状日趋复杂，工艺过程复杂，制造成本高，叶片精度难以 保证。本文从实际出发，采用现代计算机技术将现场遇到的问题进行剖析，研究了 叶轮的造型特点和使用u g c a m 五坐标编程系统对整体式叶轮进行数控编程，提出 一套无导流套叶轮造型与数控加工的方案，能够在计算机上完成叶轮的三维造型和 数控加工仿真。利用本文提供的方法，使设计和编程人员能够按照设计意图，简洁、 快速地加工出高质量的叶轮。同时通过对无导流套叶轮的造型与数控加工，为复杂 产品的造型和数控加工提供了设计思路和方法，也给其他类型叶轮的设计与加工提 供了很好的参考方案。 关键词：叶轮，三维造型，数控加工，五坐标编程 a b s t r a c t i m p e l l e r - t y p ep a r t w a s r e p r e s e n t a t i v e ，c a n o n i c a la n dc o m p l e x w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h ed e s i g nt h e o r y , i tw a sd i f f i c u l tt oe n s u r et h ep r e c i s i o no ft h ev a n e s ， b e c a u s et h es h a p eo fw o r k i n gf a c eo nt h ei m p e l l e r - t y p ep a r tw a sm o r ec o m p l e x ，t h e t e c h n o l o g i cp r o c e s sw a sm o r ec o m p l i c a t e da n dt h ep r o d u c t i o nc o s tm o r em o n e y f r o m r e a l i t y , t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ep r o b l e m so nt h es c e n eu s i n gt h em o d e mc o m p u t e r t e c h n o l o g ya n dr e s e a r c h e dt h ed e s i g nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei m p e l l e r i ta l s om a d en c p r o g r a mo ft h eo v e r a l li m p e l l e ru s i n gu g c a m f i v e a x i sp r o g r a m m i n gs y s t e ma n dp u t f o r w a r das e to fn o n d i v e r s i o ni m p e l l e rd e s i g na n dc n cm a c h i n i n gt h a tc a l lf i n i s ht h e 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 ra n dc n c m a c h i n i n gs i m u l a t i o no nt h ec o m p u t e r t h i sm e t h o dp r o v i d e dm a d et h ed e s i g na n dp r o g r a m m e r sc a l lp r o c e s sh i g h q u a l i t y i m p e l l e rs e n t e n t i o u s l ya n df a s ta c c o r d i n gt ot h ed e s i g ni n t e n t i o n a tt h es a m et i m e ， t h r o u g ht h em o d e l i n go fn o n d i v e r s i o ni m p e l l e ra n dc n cm a c h i n i n g ，t h i st h e s i so f f e r e d d e s i g nt h o u g h t sa n dm e t h o d sf o rt h em o l d i n gc o m p l e xp r o d u c t sa n dn cp r o c e s s ，a n d a l s op r o v i d e dp e r f e c tr e f e r e n c e ds c h e m ef o rt h ed e s i g na n d m a c h i n i n go fo t h e ri m p e l l e r s l us h i q i a n g ( m e c h a n t r o n i c se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s - p r o f k a n gw e n l i k e yw o r d s ：i m p e l l e r , t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n g ，c n cm a c h i n i n g ，f i v e a x i s p r o g r a m m i n g l 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 叶轮类零件是一类具有代表性且造型比较规范的复杂零件，随着设计理论的发 展，叶轮类零件工作面形状日趋复杂，工艺过程复杂，制造成本高，叶片精度难以 保证。本文从实际出发，采用现代计算机技术将现场遇到的问题进行剖析，研究了 叶轮的造型特点和使用u g c a m 五坐标编程系统对整体式叶轮进行数控编程，提出 一套无导流套叶轮造型与数控加工的方案，能够在计算机上完成叶轮的三维造型和 数控加工仿真。利用本文提供的方法，使设计和编程人员能够按照设计意图，简洁、 快速地加工出高质量的叶轮。同时通过对无导流套叶轮的造型与数控加工，为复杂 产品的造型和数控加工提供了设计思路和方法，也给其他类型叶轮的设计与加工提 供了很好的参考方案。 关键词：叶轮，三维造型，数控加工，五坐标编程 a b s t r a c t i m p e l l e r - t y p ep a r t w a s r e p r e s e n t a t i v e ，c a n o n i c a la n dc o m p l e x w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h ed e s i g nt h e o r y , i tw a sd i f f i c u l tt oe n s u r et h ep r e c i s i o no ft h ev a n e s ， b e c a u s et h es h a p eo fw o r k i n gf a c eo nt h ei m p e l l e r - t y p ep a r tw a sm o r ec o m p l e x ，t h e t e c h n o l o g i cp r o c e s sw a sm o r ec o m p l i c a t e da n dt h ep r o d u c t i o nc o s tm o r em o n e y f r o m r e a l i t y , t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ep r o b l e m so nt h es c e n eu s i n gt h em o d e mc o m p u t e r t e c h n o l o g ya n dr e s e a r c h e dt h ed e s i g nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei m p e l l e r i ta l s om a d en c p r o g r a mo f t h eo v e r a l li m p e l l e ru s i n gu g c a mf i v e a x i sp r o g r a m m i n gs y s t e ma n dp u t f o r w a r das e to fn o n d i v e r s i o ni m p e l l e rd e s i g na n dc n cm a c h i n i n gt h a tc a l lf i n i s ht h e 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 ra n dc n c m a c h i n i n gs i m u l a t i o no nt h ec o m p u t e r t h i sm e t h o dp r o v i d e dm a d et h ed e s i g na n dp r o g r a m m e r sc a l lp r o c e s sh i g h q u a l i t y i m p e l l e rs e n t e n t i o u s l ya n df a s ta c c o r d i n gt ot h ed e s i g ni n t e n t i o n a tt h es a m et i m e ， t h r o u g ht h em o d e l i n go fn o n d i v e r s i o ni m p e l l e ra n dc n cm a c h i n i n g ，t h i st h e s i so f f e r e d d e s i g nt h o u g h t sa n dm e t h o d sf o rt h em o l d i n gc o m p l e xp r o d u c t sa n dn cp r o c e s s ，a n d a l s op r o v i d e dp e r f e c tr e f e r e n c e ds c h e m ef o rt h ed e s i g na n d m a c h i n i n go fo t h e ri m p e l l e r s l us h i q i a n g ( m e c h a n t r o n i c se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s - p r o f k a n gw e n l i k e yw o r d s ：i m p e l l e r , t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n g ，c n cm a c h i n i n g ，f i v e a x i s p r o g r a m m i n g l 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于u g 的无导流套叶轮几何造型与 数控加工的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特l , j 力i 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，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 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。 学位论文作者签名：遂丝主鱼 日期2 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意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。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：出 日期：上业 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景和意义 第一章绪论 近年来，随着汽车、航天、造船和模具等工业的发展，对于零件性能的要求越来越 高，因而零件表面形状变得越来越复杂，加工质量要求也不断地提高。普通的三轴数控 加工已不能满足要求，而四轴五轴数控加工由于在三个平动自由度的基础上增加了一个 或两个旋转自由度，因而给曲面加工带来了更多的灵活性，并以其高精度、高效率等特 点在复杂曲面加工中得到了越来越广泛的使用n 捌。 然而，在五轴数控加工中，两个旋转自由度的增加使得刀具方向不断变化，刀具和 曲面的过切干涉和碰撞干涉时有发生，且干涉问题也比传统三轴加工方法复杂得多。如 果这些干涉得不到有效的解决，轻则影响曲面零件的加工质量，重则损坏机床，酿成重 大的生产事故。因此要充分发挥五轴数控加工的优势，尽量避免事故的发生。 目前，在叶轮的数控加工方面，我国大多数制造企业用于生产实际的软件多是从国 外引进，这些软件价格昂贵，用户必须指定切削刀具、边界以及切削参数，系统根据用 户的输入，计算刀具轨迹，因此在指定刀具方位与刀具路径分布方面缺乏弹性，一般必 须尝试多次才能成功。对于非球头刀无过切干涉的刀位轨迹，尤其是五轴，商用c a d c a m 系统支持不足。应用商用系统进行数控编程的最大弱点是过多的人为干涉以及在切削行 距、步距和刀轴方位的计算上缺乏柔性和适应性，比如在刀具定位和刀具路径规划方面 缺乏灵活性，加工过程中可能会出现过切与欠切、刀具与机床部件和工件夹具之间的干 涉碰撞等。因此，研究叶轮的几何造型与数控加工问题具有非常重要的现实意义州。 叶轮的叶片是复杂的曲面造型，复杂曲面的描述及其几何处理在工程中经常遇到。 所谓复杂曲线和曲面，指的是形状比较复杂，不能用二次方程来描述的曲线和曲面。另 外由于加工叶轮的原始数据是经测量得到的叶片型面的离散数据点，因此涉及到将离散 数据点拟合成曲线问题，本课题主要是以无导流套叶轮为主要研究对象进行研究，解决 以上问题是本课题的目的之一。 随着制造业在全球范围内竞争的激烈，多轴数控加工以机床功能强大、加工效率高、 加工质量好的优点，受到制造业内人士的青睐h 1 。由于叶轮的几何造型和多轴数控刀具 运动的复杂性，数控编程也较为困难。因此，叶轮的几何造型和多轴数控加工技术一直 是数控加工领域内国内外学者的研究热点之一。至今仍有一些技术有待于进一步研究， 华北电力大学硕士学位论文 这些问题至今吸引着国内外学者的研究目光，此为本课题研究的目的之二。 本文中的无导流套叶轮采用b 样条方法对叶轮曲面进行造型，其原理是先采用 累加弦长法对叶片中性面上给出的项部和根部的两组数据点进行b 样条曲线插值， 生成中性面的叶顶曲线和叶根曲线，连接两条曲线上的对应点，即得到中性面的直 纹化表示；然后将形成叶项曲线和叶根曲线的两组节点矢量和对应点处的厚度值进 行b 样条曲线插值，形成两条厚度曲线，据此做出叶顶曲线和叶根曲线的变距偏置 曲线，连接两曲线上的对应点，即形成叶片曲面。 1 2 文献综述 1 2 1 复杂曲面造型 叶轮的叶片属于复杂曲面造型，复杂曲面的描述及其几何处理在工程中经常遇 到。所谓复杂曲线和曲面，指的是形状比较复杂，不能用二次方程来描述的曲线和 曲面。 由于加工叶轮的原始数据是通过逆向工程技术利用测量仪器测得的叶片型面 的离散数据点，因此首先涉及到将离散数据点拟合成曲线问题。拟合方法多样，1 9 6 3 年，美国b o e i n g 飞机公司的f e r g u s o n 首先提出了将曲线曲面表示为参数的矢函数 方法，构造了组合曲线和由四角点的位置矢量及两个方向的切矢定义的f e r g u s o n 双三次曲面片口3 。1 9 6 4 年到1 9 6 7 年，美国麻省理工学院的c o o n s 提出给定围成封闭 曲线的四条边界就可以定义一块曲面片c o o n s 曲面。1 9 7 1 年，法国r e n a u l t 汽 车公司的b e z i e r 提出了一种由控制多边形定义曲线的方法。w g o r d o n 和 r r i e s e n f e l d 于7 0 年代中期将b 样条理论引入曲线曲面设计系统以后，b e z i e r 曲 线曲面被看作为b 样条曲线曲面的一中特例，而b 样条方法比b e z i e r 方法更具一 般性，即任何分段光滑多项式曲线曲面均可用b 样条曲线曲面表示。b 样条基函数 具有计算稳定、快速的特点，同时b 样条曲线曲面具有局部可修改性和强的凸包性， 在局部控制性和c 连续性方面具有独特的优越性，故具有较强的几何造型能力。逐 渐取代了先后出现的c o o n s 、b e z i e r 、三次样条等拟合方式而占主导地位慵1 。2 0 0 1 年c h e ns h a n g - l i a n g 采用反求工程的方法获得了叶轮曲面的控制点，并利用u g c a d c a m 软件进行了叶轮曲面造型和刀具路径规划，通过v e t i c y t 软件对叶轮的加 工过程进行了仿真曲1 。2 0 0 2 年于源博士针对测量得到的三元叶轮数据在能量法的基 础上，提出了一种基于平均曲率的目标函数，对叶轮型线进行了光顺n 驴1 2 1 。 1 2 2 数控编程技术的发展过程及现状 数控编程是从零件图纸到获得数控加工程序的全过程。计算加工走刀中的刀位 点( c u t t e rl o c a t i o np o i n t 简称c l 点) 是它的主要任务之一刀位点一般取为刀 2 华北电力大学硕士学位论文 具轴线与刀具表面的交点，多轴加工中还要给出刀轴矢量n 3 1 。 数控编程是目前c a d c a p p c a m 系统中最能明显发挥效益的环节之一，其在实 现设计加工自动化、提高加工精度和加工质量、缩短产品研制周期等方面发挥着重 要作用。在诸如航空工业、汽车工业等领域有着大量的应用。由于生产实际的强烈 需求，国内外都对数控编程技术进行了广泛的研究，并取得了丰硕成果。为了解决 数控加工中的程序编制问题，5 0 年代，m i t 设计了一种专门用于机械零件数控加工 程序编制的语言，称为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 0 0 1 ) 。其后，a p t 几经 发展，形成了诸如a p t i i 、a p t i i i ( 立体切削用) 、a p t ( 算法改进，增加多坐标曲 面加工编程功能) 、a p t - a c ( a d v a n c e dc o n t o u r i n g ) ( 增加切削数据库管理系统) 和 a p t 一s s ( s c u l p t u r e ds u r f a c e ) ( 增加雕塑曲面加工编程功能) 等先进版。采用a p t 语言编制数控程序具有程序简练，走刀控制灵活等优点，使数控加工编程从面向机 床指令的“汇编语言”级，上升到面向几何元素a p t 仍有许多不便之处：采用语言 定义零件几何形状，难以描述复杂的几何形状，缺乏几何直观性；缺少对零件形状、 刀具运动轨迹的直观图形显示和刀具轨迹的验证手段；难以和c a d 数据库和c a p p 系统有效连接；不容易作到高度的自动化，集成化。 针对a p t 语言的缺点，1 9 7 8 年，法国达索飞机公司开始开发集三维设计、分析、 n c 加工一体化的系统，称之为c a t i a 。随后很快出现了像e u c l i d ，u g i i ，i n t e r g r a p h ， p r o e n g i n e e r i n g ，m a s t e rc a m 及n p u g n c p 等系统，这些系统都有效的解决了几何 造型、零件几何形状的显示，交互设计、修改及刀具轨迹生成，走刀过程的仿真显 示、验证等问题，推动了c a d 和c a m 向一体化方向发展。到了8 0 年代，在c a d c a m 一体化概念的基础上，逐步形成了计算机集成制造系统( c i m s ) 及并行工程( c e ) 的概念。目前，为了适应c i m s 及c e 发展的需要，数控编程系统正向集成化和智能 化方向发展n 訇。 在集成化方面，以开发符合s t e p ( s t a n d a r df o r t h ee x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e l d a t a ) 标准的参数化特征造型系统为主，目前已进行了大量卓有成效的工作，是国 内外开发的热点；在智能化方面，工作刚刚开始，还有待我们去努力。 1 2 3 叶轮的c a d c a m 数控编程技术 目前整体叶轮加工难度比较大，其特点是：结构复杂、数量种类繁多、设计研制周 期长、制造工作量大。较重要用途的叶轮都是由非可展直纹面和自由曲面构成的，叶轮 叶片的型面非常复杂，使得叶片实体造型较一般的实体造型更为复杂多变。从整体叶轮 的结构特点也可以看出：加工整体叶轮时加工轨迹规划的约束条件比较多，相邻叶片空 间较小，加工时极易产生碰撞干涉，自动生成无干涉刀位轨迹较困难。目前国外一般应 用整体叶轮的五坐标加工专用软件，主要有美国n r e c 公司的m a x 一5 ，m a x - a b 叶轮加 华北电力大学硕士学位论文 工专用软件，瑞士s t a r r a gh e c k e r t 公司数控机床所带的整体叶轮加工模块，还有h y p e r m i l l 等专用的叶轮加工软件。此外，一些通用的软件如：u g 、c a t i a 、p r o e 等也可用 于整体叶轮加工。国内只有少数几家企业可以加工整体叶轮，而且工艺水平距国际先进 水平尚有差距n 1 6 】。 整体铣削叶轮加工是指毛坯采用锻压件，然后车削成为叶轮回转体的基本形状，在 五轴数控加工中心上使轮毂与叶片在一个毛坯上一次加工完成，它可以满足叶轮产品强 度要求，曲面误差小，动平衡时去质量较少，因此是较理想的加工方法。五轴数控加工 技术的成熟使这种原来需要手工制造的零件，可以通过整体加工制造出来。采用数控加 工方法加工整体叶轮的c a d c a m 系统结构图如图卜l 。 型 值 点 整体叶轮c d ，c m 主模块 叶轮c d 造型ii 刀位轨迹生成ii 加工仿真li 通用后置处理 轮毂li 叶片 瓣 黼囱囱囱障 l 轨迹i l 动态li 佣ll 用 i 仿真ll 仿真j 图1 1 整体叶轮的c a d c a m 系统结构图 国内许多学者在国产化通用系统开发的过程中，对整体结构式的叶轮数控加工 方式及编程算法都作了深入研究，开发出四轴五轴数控加工叶轮的软件。孙春华在 “复杂曲面整体叶轮c a d c a m 技术研究 中提出了将系统分为一个主模块和几个功 能模块的方式，各模块间通过数据库进行通讯。可使用键盘亦可使用鼠标选择方式 对菜单进行功能驱动，提供了良好的人机界面。针对复杂的叶片型面，唐荣锡在“c a d c a m 技术 中采用分片侧铣加工的方法，在一次走刀成形不能满足精度要求的情况 下，将叶片曲面分成多片，在每一片曲面上采用侧铣方法加工，用多个曲面片拼接 出所需要的曲面。在五轴加工中，因球头必须与轮毂回转曲面保证正确的接触，所 以刀轨计算较困难，要通过多次循环迭代。赵良才在“空间直纹和准直纹曲面加工 刀具轨迹生成及五轴后置软件研制 中给出了有效的迭代方法。也有很多文献中将 刀具轨迹生成与验证过程结合在一起，直接生成无干涉刀位轨迹。五轴数控加工的 后置处理技术也是一项重要内容，集成以系统中，产品设计、工艺设计和数控编程 过程由同一模型支持，各种活动同步交叉进行。1 9 9 8 年，李佳在“集成c a d c a m 中 4 华北h 力大学硕十学位论文 五轴加丁后处理关键技术研究”中提出了刀位后置处理的计算方法，包括刀轴矢量 与机床坐标夹角的计算和数据的计算，并提出了一种新的计算进给率的方法。提高 了加工精度，最后将排好序的刀位文件直接转换为数控代码程序“1 。 124 国内外c a m 仿真软件介绍 数控加工仿真系统应具有以下几个功能：显示验证，j 具轨迹的加工效率； 检测在加工过程中机床各运动部件之间可能会发生的干涉；验证实际被加工曲面 与理想零件曲面之间的误差“。大多数商业仿真软件都是由按功能划分的模块组成， 其中显示模块是仿真软件的基础核心模块“”。目前数控仿真的显示模块主要分为三 种类型，分别是基于图形象素、对象和实体的仿真内核。为了动态显示工件材料的 去除过程，同时保证计算速度，目前数控加工仿真系统主要采用z b u f f e r 算法对 加工过程进行二维显示。目前国外的一些商业化数控加工仿真软件己经具各了一 定的五轴数控加t 仿真能力，典型的软件有： v e r ic u t ( 切削仿真及机床仿真) 。v e r i e u t 用于模拟2 至5 轴铣、钻、车、e d m 等加工操作，采用人机交互方式模拟、检验和显示n c 加工程序，是一套世界领先 的n c 校验软件。仿真程序通过定义机床部件、夹具和被切零件的毛坯等部件形状 尺寸，调用n c 刀位文件数据，进行机床加工仿真，可确实执行机床、零件、固定 装置以及支架等各个部分之间的碰撞干涉和过切检测，验证刀具路径的正确性，省 去了试切样件，可节省机床调试时间，减少刀具磨损和机床清理工作，其动态仿真 的原理采用逆向快速原型制造( r p m ) 对几何体进行三角化，见图i 一2 。 u g u n is i m ( 机床仿真) 。u n ls i m 机床仿真工具是一个真实感较强的加工仿真环 境，具有机床和夹具的运动仿真功能，可以对复杂的加工环境进行仿真，并能精确 的检测加工过程中运动部件之问的相互碰撞，如图1 3 。u g 中集成的v e r ic u t 模块， 依靠u g 功能强大的三维图形处理能力，可以构建复杂自由区面，加工仿真的精度 比较高，但是却没有机床运动仿真功能。 图1 2v e r i c m 机床仿真国1 3u g 机床仿真 华北电力大学硕士学位论文 m a s t e rc a m 中的n s e e 仿真工具同样可以对实体零件数控加工的材料去除过 程进行动态的仿真演示和验证，其原理与v e r i c u t 类似。v i r t u a lm a c h i n e ( 机床仿 真) 也具有机床运动仿真功能，可以检测各运动部件之间的干涉，但其多轴数控机 床的仿真能力较差。 p o w e r m i l l 是基于知识、基于工艺特征的、有多种独有加工方式、全程防过切、 适用于高速加工的一款智能化c a m 系统。针对叶轮、叶片和螺旋桨，自动生成3 轴、 3 + 2 轴和5 轴联动粗加工和精加工刀具路径。用户仅需进行简单的设置即可生成高效、 无碰撞和过切的叶轮、叶片和螺旋桨零件加工路径。 c a x a 制造工程师是国内的一款优秀软件，此软件是由北京航空航天大学和海尔 集团联合研制的，它提供了轨迹仿真手段以检验数控代码的正确性。可以通过实体 真实感仿真模拟加工过程，展示加工零件的任意截面，确保加工的正确性，其显示 效果与国外成熟的商业软件还有一定的差距，对多轴加工的仿真功能有限。国内对 于数控机床加工仿真的研究主要集中在具体应用对象方面，在技术实现上也主要是 应用o p e n g l 显示动画技术，也有很少是应用部分c a d c a m 系统的仿真模块实现的， 在机床加工仿真的通用性方面，做的研究相对较少。 综合现有文献和部分商用软件来看，在五坐标联动数控加工技术方面，国外大 大领先于我国。早在8 0 年代中期国外的部分厂家已开始成功的应用五坐标联动数 控机床加工大型的复杂零件。在国内，针对五坐标数控加工的研究起步较晚，仿真 软件功能也比较少。由于原创开发能力的缺乏以及综合性能等诸方面的因素，我国 数控产业的发展处在一个相当被动的境地。无论从五坐标数控系统、自动编程系统、 仿真系统、五轴数控机床的设计与加工，还是从五坐标数控技术的应用来看，与国 外相比差距都很大。因此，从我国五轴数控加工的现状以及数控加工仿真的理论研 究等方面来看，都有必要对五坐标数控加工仿真技术进行深入研究，以缩短我国数 控加工技术、c a d c a m 软件开发技术与工业发达国家的差距，降低生产成本，提高 编程效率与质量，提高我国流体机械行业在国际市场的竞争能力。 1 3 本文研究的主要内容 本文从实际出发，采用现代计算机技术将现场遇到的问题进行剖析，研究了叶 轮的造型特点和使用u g c a m 五坐标编程系统对整体式叶轮进行数控编程，提出一套无导 流套叶轮造型与数控加工编程的方案，能够在计算机上完成叶轮的三维造型和数控 加工仿真。利用本方案提供的方法，使设计人员和编程人员能够按照设计意图，简 洁，快速地加工出高质量的叶轮。采用u g 对无导流套叶轮进行曲面造型与加工，它是一 种真正意义上的面向对象的研究，技术要求较高，实践经验要求较强，通过研究分析， 提出可行性方案，使无导流套叶轮的加工更为方便，由此可使多轴加工技术更加适合现 6 华北电力大学硕士学位论文 代制造的需要。同时通过对无导流套叶轮的造型与数控编程加工，为复杂产品的造型和 数控编程提供了设计思路和方法，也给其他类型叶轮的设计与加工提供了很好的参考 方案，主要研究的内容包括： ( 1 ) 利用u g 自由曲面功能中的离散数据的插值曲面及拟合曲面等和离散数据薄板 样条曲面、径向函数法、二步拟合法、多项式自然样条法等方法进行叶轮三 维实体造型。 ( 2 ) 对难加工材料的加工参数进行研究，经过试验总结出不锈钢材料的加工参数， 如不同刀具的切削速度、进绐量、主轴转数等等。 ( 3 ) 对叶轮进行数控加工模拟，根据叶轮的外形尺寸建立叶轮毛坯，创建粗加工 操作、半精加工操作、精加工操作并进行加工模拟，检查是否有过切、欠切、 刀具干涉碰撞等等。 ( 4 ) 根据具体的数控系统，通过后处理输出n c 代码。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章曲面造型原理及五轴数控机床加工特点分析 本章将阐述曲面造型的基本原理并分析五轴联动数控机床的结构形式及加工工 艺特点，不同类型与结构要求的零件应在条件具备的情况下选用相应的数控机床进行加 工，以发挥数控机床的效率和特点。针对无导流套叶轮和多种叶轮类零件曲面造型的 特点，结合u g 软件较好的实现了复杂曲面的实体造型，从而为后续的数控加工打 下了基础，对研究和应用五坐标数控机床具有重要的意义，同时也为五坐标数控加工的 后处理与反向后处理做好前期的知识储备。 2 1 数据预处理 自8 0 年代以来，反求工程越来越受到重视并得到了广泛的应用，它为消化和 吸收先进技术、装备，探索掌握其关键技术，进而开发出同类的先进产品提供了一 个有效的手段。自由曲面的形状复杂，一直是逆向工程研究的热点和难点之一。 复杂曲面逆向工程的首要任务是采集实物样件表面的三维坐标信息，采集获取的 数据是散乱的“点云 数据。目前商用c a d c a m 系统在处理散乱点云数据方面存 在着不足，这样便成为快速开发产品的瓶颈。 为了降低或消除由于测量时人为引入的噪声对后序建模质量的影响，有必要对 测量数据进行平滑处理。数据预处理利用复合二次插值函数实现对“点云 数据的 平滑处理，它将复杂曲面看作是由多个二次曲面叠加的结果，即： 月 一1 1 2 s ( x ，y ) = q 一五) 2o 一咒) 2 ( 2 - 1 ) j l l 将测量数据点代入( 2 - 1 ) 式可得系数c t 对于数据点p ，其邻域点为m ( = 0 ， 为点p 的邻域内点的个数) 。用m 构造一张曲面s ( x ，y ) ，然后，将点p 的( x ，y ) 代人曲面方程求得函数值，用此值修正点p ，对所有的点都进行了修正后，就实现 了数据的平滑。 2 2 曲面造型原理 自由曲线曲面设计时通常是由设计者给定控制顶点，生成相应的曲线曲面。在 逆向工程中，曲线曲面的设计则要求通过给定的型值点进行拟合，但由测量设备获 得的零件表面散乱数据不能被c a d c a m 系统直接利用来完成几何造型与数控加工， 因此需要由设计人员自己建立数学模型，开发程序。因此，需要从已知的型值点反 求出曲线曲面的控制顶点，利用追赶法可以快速实现这个过程，从而可以通过b 样 条曲线曲面进行复杂曲面的重构，再利用商用c a d c a m 系统进行造型设计、数控 8 华北电力大学硕十学位论文 加工。 221b 样条曲面方程 对于b 样条曲面，给定( m + 1 ) x ( n + 1 ) 个控制顶点的阵列，构成一张控制网格，又 分别给定参数u 与v 的次数k 和1 ，和两个节点矢量u 与v ，就定义了一张k x l 次张量积b 样条曲面见图21 所示，其方程： p ( ) = 置+ ( 皿。( v ) ， ( 2 2 ) “女u m + l ，v i v u ，j 图2 】b 样条曲面 本文采用双三次b 样条曲面进行曲面重构，因此，双三次b 样条曲面片由包含 1 6 个控制顶点的特征网格定义，设网格为： d 1 3 一 d 2 3 一 d 一 d 4 3 d 1 4 一 d a d h d “ ( 2 3 ) 网格j 的任意行或任意列都构成多边形。设首先按上述网格的行构造v 向的曲线，则 可以得四条b 样条曲线q ( v ) ： 4 p ( “，_ ) = e ，( “) g ( ) i - 1 ，2 ，3 ，4 ( 2 _ 4 ) p 】 n 越 n 鸵 dddd 一巩一如如一出 1 = 一d 华北电力大学硕士学位论文 q ( 1 ，) = 置，3 ( v ) 反，形， ( 2 5 ) i = 0 式中骂，o ) 为与控制顶点孑u 对应的b 样条基函数，形，为相应的权因子；当参数v 在 o ，1 内取某值v - 时，则可在四条b 样条曲线q ( ，) 上得到四个点，若以该四点作为 新的特征多边形控制顶点构造u 向的b 样条曲线p ( u ，h ) 。则p ( u ，v 1 ) 为曲面片上的一条 曲线，当u 和v 在 0 ，1 之间遍历时，就可得到一张双三次b 样条曲面片。 由曲面片的形成过程，可以写出双三次均匀b 样条曲面片的矩阵描述方程： 式中u - 3 “2 材 ； y = ”3u 2 甜1 ；lj d 为控制顶点； b = 1 6 一l3 3-6 3 o 14 - 31 3o 3 o 1o 2 2 1 2 双三次b 样条曲面的反求 ( 2 - 6 ) b 样条曲面的反算或逆向过程就是要构造一张k 1 次b 样条曲面，插值给定 呈拓扑矩形阵列的数据点只，o = o ，1 ，2 ，m ；j = 0 ，l ，2 ，刀；) 。一般的解法把曲线的 反算问题化解为两个阶段的曲线反算问题。待求的b 样条插值曲面方程( 2 - 2 ) 又可 改写为 m + k - in + l - 1 p ( 甜，y ) = 呸，_ ，e ，( ，逡，七( 扰) ( 2 7 ) i = o j - - o 这给出了类似于b 样条曲线方程的表达式 m + k - i p ( u ，v ) = q ( y ) e ，i ( 甜) ( 2 8 ) i = 0 这里控制顶点被下述控制曲线所代替： n + l - i c ( 1 ，) = z ，哆，心) i = o ，l ，一m + k l ( 2 9 ) j = o 若固定一参数值v ，就给出了这些控制曲线上m + k 个点c ( ，) ，待o ，1 ，m + 七， 这些点又看作为控制顶点，同时也就定义了曲面上以u 为参数的等参数线。当参数v 扫 l o 华北电力大学硕士学位论文 过它的整个定义域时，无限多的等参数线就描述了整张曲面，显然，曲面上这无限多以 u 为参数的等参数线中有n + l 条插值给定的数据点，这n + l 条等参数线称为截面曲线， 于是就可以反算b 样条插值曲线，求出这些截面曲线的控制顶点 d o ，i = o ，1 ，朋+ k - 1 ；= 0 ，1 ，刀。 下面是双三次均匀b 样条曲面的反求步骤，此时b 样条曲面方程可用两个矩阵形式 表示： m 州) = b ( 甜) t y 4 i t h 班抛州+ q 1 i = 0 ，1 ，刀，歹= o ，l ，刀，毛= o a 仍+ 1 ，五= 0 ，1 ，m + l 1 对v 向的i n 组型值点，按照b 样条曲线的边界条件及式( 2 - 9 ) 反算，求得由m 组b 样条曲线构成的特征多边形，此时，顶点是b 样条曲线c f ，这里每条曲线均要加两个边 界条件，故可得到( n + 2 ) m 个控制点。 2 把边q ，看作是u 向的i l l 组型值点，再作( n + 1 ) 次b 样条曲线反算，即可得到双 三次b 样条曲面的特征网格控制点z ，。 反算过程中边界条件的选定可以采用以下之一的边界条件补充方法： 1 给定始末端型值点e 和只一t 与切向量互和只- t ，则得： f 吾( 舌2 一舌。) ：磊 ，乞 一 i 专( 6 一一6 矗一2 ) = p i 乃o + b 2 = 2 p l 即： 1 一b n - 2 - - - b 一= 2 一- 1 2 两个自由端点，曲线通过互和，且在端点处曲率为零，则得 卜2 ( 警h = 。 卜= 2 ( 半卜t _ o l b o 一2 b l + b 2 = 0 即： 一一 jb 。一2 2 b 。一j + b 一= 0 3 正循环封闭曲线，为了使曲线的始点和终点光滑连接，要求t ：。，p i = p 一， 华北电力大学硕士学位论文 尸；p 。，这时执与b 州，b 和6 川，乱和b 。重台，则得 f l - i 。：= 0 i ；。一i ：0 上述三种端点条件构成三对线性方程组，可用追赶法求解，也可以用迭代法计算。 本文利用上述方法通过双三次b 样条曲面的重构及其与c a d c a m 接口的设计实现了在 u g 里的造型，得到了良好的效果，如图22 所示。 均匀b 样条方法目前已成为关于工业产品几何定义国际标准的有理b 样条方法的基 础，适合于型值点分布比较均匀的场合，另一方面，以均匀b 样条方法构造曲线时，各 段曲线使用的是相同一组基函数，而构造曲面时，各曲面片使用相同的一组基函数或二 组基函数，因此计算效率高，是广泛应用的形状数学描述方法之“。 搿詹签 圈2 - 2 曲面造型实例 23 五轴数控机床的结构形式 从理论上讲，加工任意复杂的零件，刀具相对于工件最少需要五个独立的自由度。 其原因在于：从剐体运动几何学的角度来分析，任何一个刚体在空间具有六个自由度即 加工机床的刀具和被加工工件共需要十二个自由度，考虑到刀具和工件之自j 相同的平移 或回转自由度可以台并，故刀具相对于被加工工件具有六个独立的自由度。此外，在实 际加工过程中，刀具与被加工工件必须在加工路径的每个刀触点上相切地接触，即刀具 相对于工件的距离己被加j 。路径所约束，因此，从理论上来看，加工任意形状的复杂零 件，刀具相对于丁件至少需要五个独立的自由度。根据自由度的类型，五轴加工中心有 如下四种组合形式：( 1 ) 二个平移自由度与两个回转自由度组台；( 2 ) 两个平移自由度与 三个回转自由度组合：( 3 ) 个1 7 移自由度与四个叫转自由度组合：( 4 ) 五个回转自由度 但考虑到机床的结构、用途、刚度等因素，目前通用的五坐标加i 中，0 以三个平移自由 度与两个回转自由度组合类型为辛。由于带动刀具做旋转运动的坐标一般不能做3 6 0 度 的旋转，我们将刀具旋转运动坐标成为摆动坐标，而由于工什旋转运动举杯能作3 6 0 度 华北电力大学硕士学位论文 回转，因而称其为回转坐标。因此，根据五坐标联动机床中两个转动坐标的形式，我们 将其划分为三大类： 1 五坐标联动双摆头机床 这种结构类型是指两个转动轴都作用于刀具上，由刀具绕两个相互正交的轴转动以 使刀具能指向空间任意方向。由于运动是顺序传递的，因而在两个旋转轴中，有一个的 轴线方向在运动过程中始终不变，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，称为动轴，如图2 - 3 所示。对于定轴、动轴的配置，理论上存在a b 、a _ c 、b _ a 、 b - c 、c _ a 和c - b 等六种组合情况。但由于在a - c 和b - c 的情况下动轴轴线于刀具轴线平 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比较复杂，一般刚性较差，但其运动灵活性好，机床的操 作使用较方便，因而在大型龙门式机床上广泛采用。 2 - 3 双摆头型机床 图2 4 摆头转台型机床 2 五坐标联动摆头及转台机床 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，如图2 4 所示。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。 3 五坐标联动双转台机床 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， 华北电力大学硕士