（机械制造及其自动化专业论文）三叶罗茨风机快速开发研究.pdf

南京理工大学工学硕士学位论文三叶罗茨风机快速开发研究 摘要 舢i 1 1 l l i i l i l i f l i l l l l l l l l l l i 删 y 2 0 6 0 6 7 2 随着科学技术的快速发展和市场竞争的日益激烈 企业的技术创新能力 新 产品的开发能力和开发速度正成为企业核心竞争力的重要体现 低成本高效率地 开发出新产品 成为赢得市场竞争的首要因素 本文针对中小民营企业技术开发力量不足的现状 以南通x x 罗茨鼓风机有 限公司新产品的开发为例 首先介绍了一种基于数控程序的产品反求设计方法 该方法分为 零件近似几何图形的获取 高次血线的反求和优化设计三个阶段 在此基础上 以3 l 4 系列罗茨风机转子反求设计为例 详细介绍了从数控程序到 转子近似几何图形的获得 从圆弧拟合图形到真实渐开线方程的生成以及转子线 型的最终优化设计 为中小企业反求设计提供技术指导和支持 其次 提出了一 种基于均半径圆弧拟合和误差抵消的转子刨削加工方法 针对普通牛头刨床刀架 系统刚性不足的问题 提出采用误差抵消的方法在数控程序中进行补偿 以3 l 5 系列罗茨风机转子为例 详细介绍了均半径圆弧拟合转子渐开线的过程 在此基 础上 对产生误差区域进行局部偏移进行二次修正 以保证转子最终加工精度 最后 开发了基于s 0 1 i dw o r k s 的罗茨风机参数化设计系统 以便中小企业能够 进行系列化快速设计 满足客户的多样化和快速需求 关键词 快速开发 反求设计 均半径圆拟合 参数化设计 罗茨风机 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g i 鼯觚dn l ei n c r c 舔i n 酉yf i e r c e c o m p e t i t i o no fm a d e t d c v e l o p m e n ts p e e d 觚dm ed e v e l o p m 髓ta b i l i t yo fn e w p r o d u c ta n dt l l et e c l l i l i c a li 姐o v a t i o na b i l i t yo fe i l t 唧r i s ea r eb e c o m i n gt l l ei m p o n 枷 锄b o d i m 朗to f 衄t 叩r i s ek c yc 0 m p e t i t i o na b i l i t y l o wc o s td e v e l o pn e wp r o d u c t e 伍c i e l l t l y b e c o m et h ec h i e f f a c t o ro fm a r k e tc o m p c t i t i o n t h i sp 印e ra i ma ti nt 1 1 el i t t l et e c h n i c a ld e v e l o p m e n ts 怕l g t ho fm c d i 啪a n d s m a l lr o o t e r sb l o w e rc o m p 趾mj f i r s t l yap r o d u c ti i l v c r s ed c s i 弘m e t h o db 邪e do nt 1 1 e p r o 笋l n lo fn 哪e r i c a lc o i l 仃o li si n 仃d d u c c d t h eu s a g eo f l em 劬o d 0 1 0 9 yi n c l u d c s t h r c ep h a s e s p a r t s a p p r o x i m a t eg e o m e t r i cg m p ha c q u i s i t i o n r e v e r s ed e s i g na n d o p t i m i z a t i o no f h i g h c rm o d ec u r v e t h e n ar e v e r s ed e s i 弘e x 锄p l eo f3 l 4m o d er o o t s b l o w e ri si u u s n a t c d t l l ep r o c e d l l r eo fn cp r o g r a mt u m i n gt op a n 印p r o x i m a t es h a p e c i i c u l a rf i t t i n gc et oi n v o l u t e 缸1 砸o na 1 1 dr o o t e r s c u eo p t i m i z a t i o nd e s i 弘i s d e s c r i b e di nd e t a i l t h er e s e 鲫c hr e s u l t sc a np r 0 d er 钾e r s ed e s i g nr e f e r e n c e sa n d t e c h s u p p o r t sf o rs m a l l 趾dm e d i u mc l l t e r p r i s e s s e c 0 n d l y am e n l o db a s e do ne r r o r c o m p e n s a t i o ni nn cp r o 伊锄i si n 仃o d u c e dt 0s o l v e t h e1 a c ko fp l a n e rr i g i d i 吼t h e l l t a 幽g3 l 5m o d er o o t sb l o w 盯f o re x a m p l e t 1 1 ep r o c e d u r co fa v e r a g ec i r c l ef i t t i n g i n v o l u t ec u r v ei sd e s 嘶b c di nd e t a i l o nt h ef o u n d a t i o n t h ee n d ra r e ai ss h i r o dt 0 e x e c u t es e c o n i i a 叫c o r r e c t i o nf o r 饥s 嘶n gn l ef i n a lm a c h i n i n ga c c l l r a c y t h e a p p l i c a t i o np r o v e st h em 甜1 0 di saf i e 嬲i b l ew a yt 0m a c h i n eh i g l lq u a l i t yr o t o r sf o r e c o n o m i cc n cp 1 锄既f i n a l l y as y s t e mp r o t o t p eo fr o o t e r b l o w c r sp 褫吼嘶c d e s i 伊i sd e v e l o p c dt 0m e e tt l l es m a l l 觚dm i d d l ee n t e 印r i s e sr a p i ds 耐a t i o nd e s i 驴 s o 嬲t os a t i s 母t h ed i v e r s i f i e da i l df a s td e m 趾do fc u s t o m 既 k e yw d r d s r 印i dd e v e l o p m e n t h l v e 瑙ed e s i 萨 a v e r a g ec i r c l ef i t t i n g p 娥 n e t r i c 南京理工大学工学硕士学位论文三叶罗茨风机快速开发研究 1 绪论 1 1 课题的研究背景 随着科学技术的快速发展和市场竞争的日益激烈 产品正朝着多品种 小批 量 外形美观和更新换代周期短的方向发展 企业核心竞争力要素也从原先的时 间 质量 成本等扩充至新产品的开发与创新技术能力 能否快速高效地开发出 低成本新产品 已是企业赢得市场一席之地的旨要因素 南通x x 罗茨鼓风机有限公司 如图1 1 所示 是南通地区一家民营小型企 业 现有技术工人8 3 名 高级工程师3 名 产品质量控制人员及生产管理人员 1 5 名 2 0 1 0 年度销售额达到陆仟伍佰叁拾贰万元 但是公司技术人员匮乏 现 有人员层次普遍较低 新产品开发效率很低 在激烈地竞争环境下 公司期望能 以低成本高效率地开发出新产品 因此借鉴同行先进的开发成果 快速消化吸收 成为己用是公司当前采用丰要政策之一 图1 1南通x x 罗茨鼓风机有限公司 公司总经理紧盯国内外罗茨风机市场销售情况 对竞争对手的优秀产品采取 引进 解剖研究的方法 通过逆向工程的方法进行反求 主要是转子的高次线型 然后改进吸收 形成自身系列产品 然后组织牛产快速推向市场 因此如何快速 反求竞争对手的优秀产品 快速组织设计 推出具有自我知识产权的新产品 成 为了公司的核心竞争力的重要体现 本课题正是在此背景下 追踪国内外研究的技术难点及应用 发展趋势 结 合南通捷城各方面的能力 专注于解决罗茨风机的快速反求 高质量加工 系列 产品的快速生成 以达到以最低本最高效率占领市场 为企业在强手如林的市场 中赢得一席之地 南京理工大学j 学硕士学位论文 二叶罗茨风机快速开发研究 1 2 罗茨鼓风机研究概况 罗茨鼓风机是回转式鼓风机的一种 如图1 2 所示 由美国的弗朗西斯和 菲兰德 罗茨两兄弟于1 8 5 4 年发明 并由此而得名 这种容积式鼓风机具有往 复式和离心式风机的优点和特点 另外还兼有操作方面 结构简单 风量随压力 变化很少等优点 因此广泛应用在炼钢 采矿 化工输送 港口介质传送 水产 养殖增氧 环保处理等行业 l 倒 乃 力 訇 霄 i w 黄 夏 7 一 lrn 嚣 i j r 一 j 一 l j 划 茁 曾 b q产 均 汗 翟1 1 主动转子 2 从动转子 3 泵体 4 同步齿轮 5 主油箱 6 墙板 7 轴承 8 副油箱 图1 2罗茨风机工作原理示意图 尽管罗茨鼓风机的用途很广 但是它在工作过程中 噪声强烈 振动较大 而且容易被外部干扰 罗茨鼓风机的振动会导致鼓风机的机械工作性能降低或根 本无法工作 严重时还会造成恶性事故 给工业生产带来巨大的经济损失 同时 振动噪声会影响操作人员的正常工作和身体健康 因此 振动噪声一直是限制罗 茨鼓风机应用 降低鼓风机效率与工作可靠性的重要因素 所以国内外学者针对 罗茨鼓风机的振动噪声问题开展了一系列研究工作 2 在风机的制造装配与工程应用方面 主要通过提高制造质量 装配精度 转 子进行动平衡处理 使用进口轴承代替国产轴承 少采用弹性联轴器直联电动机 和鼓风机 或多采用皮带传输方式等 来降低振动与噪声 在空气噪声的治理方 面 常采用的措施有两种 种是被动降噪 通过应用消声器 隔离罩 隔音墙 等外部设施 吸收噪声 但并不能从根本上降低噪声的产生 风机系统存在体积 加大 机构繁杂 成本增加等缺点 对风机的节能降耗极为不利 另一种是主动 降噪 通过改进风机的转子结构 线型与啮合间隙 进排气口形状与管道等 从 鼓风机内部结构着手设计出低噪声 高效 节能 结构紧凑的鼓风机 也称低噪 声结构设计 4 制 如通过对罗茨风机的传统线型进行改进设计 实现降噪的效果 这类研究人员有彭学院等 刀 采用三叶扭叶转子代替三叶直叶转子来达到降低罗 南京理工大学工学硕士学位论文三叶罗茨风机快速开发研究 茨风机的噪声目的 这类研究人员有叶仲和等 8 在消除和降低振动研究方面 研究人员通常是利用有限元软件建立风机叶轮 或泵体等的模型 计算模型的固有频率和相关振型 以达到降低振动的目的 如 钮冬至利用c a e 软件建立了轴流风机叶轮的有限元模型 经过模态分析计算出 叶轮的固有频率和振型9 张瑞华基于a n s y s 软件对鼓风机进行有限元建模 在静力学分析与模态的基础上 计算出系统的固有频率 振型 振动速度幅值 并根据c a e 分析结果调整鼓风机结构参数 以实现减振 隔振效梨1 0 谭青等 利用c a e 软件建立离心式鼓风机转子的有限元模型研究了转子不平衡响剧n 钱网生等基于振动模态试验与低噪声结构设计的混合方法研究了船用空调通风 机噪声系绀1 2 在风机技术动力学基础理论研究方面 尚东奎利用极限载荷法计算通风机叶 片应力 1 3 李篙等研究了轴流通风机的离心载荷与气动载荷 利用有限元方法分 析叶轮的强度 1 4 贾莉等建立了以任意频率和相位谐振的二维离心叶轮叶片上受 力计算模型 求解叶片上的脉动力 l5 1 c h y a n gc s 等对罗茨风机的压力脉动进 行了研究 根据试验作出压力脉动随转子转速的变化曲线 讨论了脉动频率与空 气流速的关系 1 6 熊安然等对三叶罗茨风机的进气气流进行了研究 认为进气气 流脉动对压力脉动有很大影响 也是风机重要的流体性能指标之一 1 7 1 总的来说 上述研究的核心问题集中在风机的核心部件叶轮上 对罗茨风机 来说其焦点就是罗茨风机转子线型的设计和数控加工 线型设计的好坏与转子加 工质量的好坏 最终都会对转子啮合间隙产生直接影响 其结果将会反应到风机 转子进风时泄漏是否严重 是否会产生大量的噪声和振动 风机是运转是否会严 重发热 因此本课题首先研究的是如何获得高质量的转子线型 其次是低成本高 质量的加工出风机转子线型 最后才是整个产品的系列化快速设计 1 3 逆向工程领域的发展现状 逆向工程是以先进产品的实物 软件或影像为研究对象 应用现代快速设计 方法 材料学 软件学等理论系统深入地进行分析和研究 探索掌握研究对象的 关键技术 在消化技术的基础上进一步开发出同类的先进产品 1 8 1 9 根据反求内 容 广义的 逆向工程 研究对象包括几何形状反求 工艺反求 材料反求等诸 多方面 是一个复杂的系统工程 2 0 2 2 1 目前反求工程的应用主要集中在实物反求方面 即借助一定的测量装置采用 特定的测量方法对实物或模型进行测量获取其表面特征点的几何数据 继而利用 3 南京理工大学工学硕士学位论文 三叶罗茨风机快速开发研究 这些特征点的几何数据在计算机上推理重构出实物的几何模型 国外对这方面的 研究比较早 7 0 年代初 r i e s e n f e l d 等人研究了非均匀b 样剩2 4 l a l l e 和c o h e n 等在8 0 年代初提出了离散b 样条和分割技术的概念并探讨了其关键技术 2 5 瑙 在此之后 t i l l e r 进一步研究了有理b 样条曲线曲面的具体应用 2 7 1 目前国外已 开发出了许多逆向工程软件 如美国i m a g e w a r c 公司的s u r f i a c e r l 0 5 英国d e l c 锄 公司的c o p c a d 韩国i n u s 公司的r a p i d f o 册等等 国内的中众多著名高校 也对此进行了研究 主要有北京航空航天大学 西北工业大学 浙江大学 南京 航空航天大学 哈尔滨工业大学等 并取得了许许多多可喜的研究成果 代表性 的研究成果有 浙大的三角面片建模 2 8 2 3 1 南航的基于海量散乱点三角网格曲面 重构研究 2 9 3 0 1 华中科大的曲面测量技术与曲面重构研究 3 1 3 2 1 西安交大的基于 线结构光视觉传感器的光学坐标测量机的研究 3 3 3 6 等等 然而在产品反求过程中也会经常遇到这样一些情况 1 只获取到了数控程 序而没有获得零件实物 如 通过 些特殊渠道获得了其他企业核心零件的数控 程序 相关加工工艺及一些外形尺寸 零件的实物可能因尺寸较大携带不便或者 价格昂贵等原因而难以获得 也有可能反求产品只有某处高次曲线曲面难以设 计 其它结构比较成熟容易设计出 无需零件实物通过数控程序也能反求 2 既获取到了数控程序也获取到了零件实物 但是零件实物局部损坏或者企业不具 备曲线曲面测量手段 期盼能通过数控程序能快速反求出零件模型 因此如何根 据零件的数控加工程序文件快速反求推出零件的c a d 模型成为了一种新的应用 需求 1 4 罗茨风机转子加工现状 罗茨风机转子叶轮型面的加工方法有很多 传统的有仿形法 两点式基圆展 成法 仿形法结构简单 无需对机床作多大改造 加工质量主要取决于刀具刃形 及对刀精度 但刀具刃磨费用较高 主要用于加工铝合金转子叶轮 刀具一旦磨 就要重新刃磨或换刀 成本很高 两点式展成法一般是对牛头刨床进行改造 刀 具成本低 效率高 仅用于两叶型渐开线型面的加工 以上两种方法一般只能用 于加工相对固定的叶轮型线 这对于目前多品种小批量的产品很不适合 特别是 三叶型叶轮的加工 尤为不方便 相比之下 数控加工成为罗茨风机叶轮加工改 革的主要方向 3 刀 以三叶直叶罗茨风机转子为例 采用数据加工的方法主要有两种 一种是采 用球头铣刀利用数控铣床或加工中心进行铣削加工 另一种是利用数据刨床 绝 4 南京理工大学工学硕士学位论文三叶罗茨风机快速开发研究 大部分厂家利用普通牛头刨床进行数控化改造以降低投入成本 进行刨削加工 前者加工精度控制较好 但是铣削加工效率很低 加工成本很高 后者加工效率 很高 但是精度控制较差 特别是数控化改造的普通牛头刨床刀架刚度较差 极 大的影响了罗茨风机转子加工的质量 数据加工程序编制方法有两种 一种是借助于c a m 软件自动编程方法 一 种是手工编程方法 无论采用哪种方法都需要对罗茨风机转子的线型进行拟合 因为中低档机床没有渐开线 摆线等的插补功能 常用的拟合方法通常有两 种 一种是直线拟合 一种是圆弧拟合 其中以等误差直线迫近非圆拟合应用最 广 3 8 1 但其节点求解过程十分复杂 张彦博等提出采用阿基米德螺线逼近渐开线 的方法 3 9 1 其渐开线各节点的坐标求解非常方便 且保证每段最大拟合误差相等 并在设定的数值范围内 但是对于采用普通牛头刨床改造的数据刨床进行转子刨削加工来说 无论采 用哪种拟合方法都不能解决工艺系统变形产生的误差 因此研究将误差抵消的原 理嵌进拟合方法中进行编程才是提高转子加工质量的根本途径 1 5 参数化设计概况 罗茨风机的广泛应用 随之而呈现出用户对风机提出愈来愈高的要求和差异 化的需求 这使得企业必须能够在最短的时间提供满足用户个性化需求的产品即 快速响应市场的能力 因此企业必须具有快速设计技术 参数化设计是快速设计技术的典型技术之一 其核心在于通过设计约束表示 产品的形位特征关系 从而将设计者的设计理念和设计结果用参数来表达 通过 调整产品模型的尺寸参数来实现对图形的控制 以便快速地根据客户的不同要求 生成不同产品 本质上讲 参数化技术是一种基于约束的产品建模方法 1 5 1 参数化设计发展及研究现状 参数化设计思想因为其思路明确 建模方便 实际操作性强等原理 自产生 以来得到了极大的发展 主要分为以下几个阶段 一 2 0 世纪6 0 7 0 年代的技术萌芽期 6 0 年代早期 s u t h e r l a n d 提出了交互式图形系统和基于约束的设计两个重 要的概念 这就是参数化思想的起源 他对以几何造型为核心的传统c a d 理论及 应用产生了重要影响 但是这两种设计方法仪仪是利用了设计约束完成零件模型 的生成 并不能修改生成后的产品模型 5 南京理工大学工学硕士学位论文三叶罗茨风机快速开发研究 二 2 0 世纪7 0 8 0 年代的技术确立期 7 0 年代 以r c h i l l y a r d 为代表的研究人员提出根据指定的零部件视图中 零件特征之间的给定尺寸方案 判定该零件图是欠约束 过约束或是完全约束 在此基础上提出了变量几何和几何约束的思想 美国麻省理工学院计算机辅助设 计实验室的d c g o s s a r d 及其研究小组对上述思想进行了深入的研究和完善 从 而确立了参数化设计的基本思想和理论 三 2 0 世纪8 0 9 0 年代的技术发展期 8 0 9 0 年代期间 b a l d e f e l d s u z u k i a v e r r o u s t 等研究人员提出了基于 专家系统的参数化设计方法 这是参数化技术的高速发展期 研究人员分别将几 何推理 人工神经网络等智能方法引入到产品设计中 并将参数化技术应用到产 品的三维实体造型中 最为典型的是 基于符号操作和推理机的几何建模 基于规则的约束表示 进一步利用约束传递进行模型的参数化 四 2 0 世纪9 0 年代至今的技术实用期 2 0 世纪9 0 年代以来 知识经济的兴起 多品种小批量生产方式成为了市场 主流 用户对产品的交货期越来越苛刻 促成了知识工程领域方法与参数化设计 理论的结合 并在设计实践中得到了广泛的应用 j a ey e o ll e e 提出了基于图 表示的知识表达方法与基于知识的几何推理 高小山提出了约束传播法 在我国 浙江大学葛建新博士提出一种基于变参绘图系统的快速约束求解方法 谭建荣提 出了参数化模型建立与求解相分离的方法 等等 参数化设计过程在本质上就是约束模型的满足过程 设计人员首先建立产品 模型的有效约束模型 然后再对其进行约束求解 从而可以生成一簇形状或功能 上上相似的系列产品 该模型同时也支持c a d 各种分析 仿真和决策活动 目前 参数化设计比较成熟的应用是相似零件或系列零件的快速生成和修改 系列产品 的快速生产和修改 现有的参数化设计系统一般都基于三维造型软件或寄生于三 维造型软件中 主要约束类型基本上是组成产品模型的各几何实体 或特征 之 间的尺寸关系 1 5 2 参数化设计方法 参数化设计主要应用在产品结构比较固定 或产品的某块组成结构比较固 定 设计人员通过建立参数化设计模型 利用尺寸驱动参数可修改或控制产品模 6 南京理工大学工学硕士学位论文三叶罗茨风机快速开发研究 型的几何形状 实现自动产品精确造型 从而达到大在提高产品设计效率 设计 质量 降低设计成本的目的 参数化设计流程是 首先是分析原始c a d 图形 从 中提取一些共有特征参数 理清其之间的关联关系 并提炼出关键驱动尺寸 通 过驱动尺寸形成一系列相似形状的产品 参数化设计流程图如图1 3 所示 原始c a d 图形 新图形的生成 特征的整理和提取 参数系统设计 参数的提取 参数化尺寸驱动 图1 3 参数化设计流程 参数化设计的核心是参数的提取 这个过程是不能自动获取的 需要设计人 员对熟悉产品的结构特性 并仔细分析产品的原有c a d 图形 提取其中重要的驱 动参数及图形控制参数 参数化设计时 产品的参数可分为驱动参数和从动参数 两种 其中驱动参数是指产品中控制产品特征的参数 设计人员通过调整这些产 数可达到修改或生成需要产品模型的目的 而从动参数是指产品中随驱动参数变 化而改变的参数 参数化设计方法在实践中得到了快速发展 并形成了多种方法 其中比较成 熟有如下几种 1 代数法 这种方法是基于非线性方程表示的几何约束来确定 图形位置 该方法的瓶颈在于非线性方程的求解 2 基于规则的方法 该方法 用基于几何推理或设计规则来确定与求解设计约束 3 编程参数化 这种方法 通过研究人员提炼设计对象的驱动 被动 尺寸 并以驱动 被动 尺寸作为变 量 确定各从动 主动 尺寸的数值 编程参数化方法简单方便 可借助通用 c a d 的二次开发语言快速实现 因此是最为常用的一种参数化设计方法 但是这 种方法也存在诸多局限性 如多寄生于通用c a d 软件之上 迁移性很差 1 6 本文的主要研究内容和总体结构 1 6 1 论文主要研究内容 本论文以快速制造出罗茨鼓风机系列产品为最终目标 首先进行风机核心零 件转子的反求设计 然后对转子线型进行编程处理使其可以在普通数控刨床进行 加工 最后利用参数化设计方法建立风机的参数化模型 以便能够进行系列化快 速设计 满足客户的多样化和快速需求 论文的主要研究内容如下 7 南京理工大学工学硕士学位论文三叶罗茨风机快速开发研究 第1 章绪论 介绍了本课题研究背景及目的和意义 分析了国内外关于零 件反求 高次曲线数控加工 产品快速设计的现状 最后给出了本论文的主要研 究内容和总体结构 第2 章基于数控程序的风机转子反求设计研究 为了有效提高中小企业新 产品设计能力 提出了一种基于数控程序的产品反求设计方法 该方法分为 零 件近似几何图形的获取 高次曲线的反求和优化设计三个阶段 在此基础上 以 3 l 4 系列罗茨风机转子反求设计为例 详细介绍了从数控程序到转子近似几何图 形的获得 从圆弧拟合图形到真实渐开线方程的生成以及转子线型的最终优化设 计 为中小企业反求设计提供技术指导和支持 第3 章基于圆弧拟合和误差抵消的转子刨削加工方法 针对普通牛头刨床 刀架系统刚性不足的问题 提出采用误差抵消的方法在数控程序中进行补偿 以 3 l 5 系列罗茨风机转子为例 详细介绍了均半径圆弧拟合转子渐开线的过程 在 此基础上 对产生误差区域进行局部偏移进行二次修正 以保证转子最终加工精 度 实践证明该方法是经济型数控刨床加工出高质量渐开线转子的可行之路 第4 章基于s o li dw o r k s 的罗茨风机参数化系统设计 为了能快速生成罗 茨风机的系列产品 依托s 0 1 i d w o r k s 三维软件 开发木 d i l l 动态链接库文件实 现产品的系列化自动生成 并在此基础上开发了公差查询和粗糙度等模块 以便 工程图的快速生成 第5 章总结与展望 本章对全文进行总结 对今后工作做展望 1 6 2 论文总体结构 根据上述章节安排内容 确定本文的总体结构 其详细组织结构如图1 4 所示 南京理工大学工学硕士学位论文 三叶罗茨风机快速开发研究 图1 4论文组织结构图 9 南京理工大学工学硕士学位论文三叶罗茨风机快速开发研究 2 基于数控程序的三叶罗茨风机转子反求设计 随着科学技术的快速发展和市场竞争的日益激烈 传统的产品开发方式已难 以满足新的市场竞争需求 产品逆向工程技术则以其在快速产品开发中的独特优 势 得到了广泛重视和迅速发展h 卜4 3 1 目前反求工程研究的焦点主要集在曲面重构与实物反求方面 即通过三坐标 测量机 激光扫描仪 c t 断层扫描等仪器对实物或模型进行测量获取零件的特 征点云数据 绝大部分为表面特征点的几何数据 然后在计算机上对点云数据 进行处理重构出实物的几何模型 在实际应用中经常会遇到没有零件原型或零件原型局部损坏 以及不具备实 体曲线曲面测量条件 需要基于零件的数控加工n c 代码文件进行产品c a d 模型 反求的情况 因此如何根据零件的数控加工程序文件快速反推出零件的c a d 模型 成为了企业的一种新应用需求 本章以南通x x 罗茨鼓风机有限公司3 l 4 系列罗茨风机转子为研究对象 提 出了一种基于数控程序的产品反求设计方法 详细介绍了从数控程序到转子近似 几何图形的获得 从圆弧拟合图形到真实渐开线方程的生成以及转子线型的最终 优化设计 为中小企业利用现有成果快速开发出新产品提供指导 2 1 数控程序反求的基本步骤 基于数控程序的反求步骤如图2 1 所示 主要分为三个阶段 1 零件的近 似几何图形获取阶段 2 高次曲线的反求阶段 3 优化设计阶段 在阶段一中 反求人员根据获得的数控加工程序 结合数控加工的方式 车 削 铣削 刨削等 在c a d 软件中画出加工刀具行走的基点 节点和插补的轨迹 再结合加工刀具几何特征 如刀具半径 刀具长度等 对刀具轨迹进行偏移获 得近似的零件外形 需要特别注意的是 此时仅能获得经过本次数控加工的零件 表面外形近似轨迹 不加工表面或未在本次数控加工中生成的表面 还没有能获 得 如果零件上有重要的二次曲线如渐开线 摆线 抛物线 通常数控程序均是 通过微小直线或圆弧进行拟合加工的 获得的也只是近似形状 因此为了获得零 件完整的近似外形 反求人员还需结合产品的加工工艺 如加工顺序 和相关特 征参数 如中心距 外形尺寸 对所获得的近似轨迹进行补充 从而获得零件完 整的近似外形图形 l o 南京理工大学j 学硕士学位论文三叶罗茨风机快速开发研究 阶段三 优化设计 i 阶段二 高次曲线的反求 图2 1基于数控程序的反求步骤 在阶段二中 反求人员根据获得的零件外形近似轨迹求解高次曲线 此阶段 最为关键 因为重要的曲面或啮合曲线都需要精确求解出 否则反求出来的零件 精度不达标 工作时性能也难以达到设计要求 通常情况下 反求人员可从产品 说明书 互联网 电子文献等资料上获得产品的一些原理信息 再结合反求人员 的设计知识和经验 一般可以获知反求产品设计时采用的是何种类型的曲线曲 面 如渐开线 摆线 抛物线或者是几者的混合曲线 反求时可以有针对性地进 行验证计算 在阶段三中 反求人员根据反求出的零件图形进行仿真试验 受力分析 动 力学分析等 了解反求产品的性能 发现其中的不足 对其进行有针对性的改进 使最终产品超越原有反求产品 实现 青出于蓝而胜于蓝 的目标 2 2 零件近似几何图形的获取 以南通x x 罗茨鼓风机厂3 l 4 系列罗茨风机为例 获取的数控程序如下 4 号机老程序 n 0 0 1 0g 9 2x 1 2 0 o o oz 1 2 0 0 0 0 建立工件坐标系 n 0 0 2 0g 0 0x 7 6 0 0 0z 1 0 3 o o o 快速接近工件 n 0 0 3 0g l lx 7 4 9 3 3z 1 0 1 1 6 8f 2 0 0l 1 0 0 慢速接近工件 n 0 0 4 0g 1 1x 8 2 5 0 3 z 7 2 6 3 4 以下为转子加工程序 n 0 0 5 0g 1 3x 8 2 7 5 12 7 1 1 4 1r 8 0 0 0 南京理工大学工学硕士学位论文三叶罗茨风机快速开发研究 n 0 0 6 0gl3x 7 9 4 8 6z 4 4 3 3 7l 订1 0 8 8 n 0 0 7 0g 1 3x 7 4 3 9 6z 3 2 9 5 9r 5 7 3 9 6 n 0 0 8 0gl3x 7 0 5 5 6 z 2 7 512 r 3 7 8 5 4 n 0 0 9 0g 1 1x 7 0 5 3 3z 2 7 4 8 6 n 0 l o og 1 3x 6 4 4 4 6z 2 2 1 6 2r 2 7 8 7 1 n 0 l l og 1 3x 6 3 2 6 1z 2 1 5 3 2 r 8 0 0 0 n o l 2 0g 1 lx 4 7 5 3 7z 1 4 7 9 2 n 0 1 3 0g 1 lx 4 7 5 1 4z 1 4 7 8 2 n 0 1 4 0g 1 2x 4 6 3 6 4z 1 2 4 2 3r 2 0 0 0 n 0 1 5 0g 1 3x 4 8 o o oz 0 0 0 1r 4 8 0 0 0 n 0 1 6 0g 1 3x 4 6 3 6 4z 1 2 4 2 3r 4 8 0 0 0 n 0 1 7 0g 1 2x 4 7 51 4z 1 4 7 8 2i 匕 o o o n o l 8 0g l lx 4 7 5 3 7z 1 4 7 9 2 n 0 1 9 0g l lx 6 3 2 6 1z 2 1 5 3 2 n 0 2 0 0g 1 3x 6 4 4 5 7z 2 2 1 6 9r 8 0 0 0 n 0 2 1 0g 1 3x 7 1 3 3 9z 2 8 4 6 2r 2 8 1 9 3 n 0 2 2 0g 1 3x 7 4 9 0 4 z 3 3 8 3 9 l t 4 0 8 2 l n 0 2 3 0g 1 3x 7 9 8 0 8z 4 5 3 5 lr 5 8 3 5 3 n 0 2 4 0g 1 3x 8 2 7 5 lz 7 1 1 4 0r 7 1 1 7 3 n 0 2 5 0g 1 3x 8 2 5 0 3z 7 2 6 3 4r 8 0 0 0 n 0 2 6 0g 1 1x 7 4 9 3 3z 1 0 1 1 6 8 n 0 2 7 0g 2 7 以上为转子加工程序 快速退回起刀点 n 0 2 8 0g 2 9m 0 2回程序起点 该程序在普通数控刨床上执行 使用的数控系统为南京新方达c n c 一6 0 p 该 系统专用于普通刨床的数控化改造 系统设计了g 1 1 g 1 2 g 1 3 刨床专用指令 对于一段连续的线型加工程序 可设计成等弧长的若干小段 每一小段即为刨一 刀的进刀量 进刀量可从o 0 1 1 2 0 咖中选定 1 g 1 1 为直线插补指令 g 1 2 为顺圆插补指令 g 1 3 为逆圆插补指令 l 为进刀量 单位为o o l 舳 1 2 南京理工大学工学硕士学位论文三叶罗茨风机快速开发研究 使用的刨刀半径为r 8 将上述数控程序中的节点 插补直线和插补圆弧在c a d 软件中绘出 如图 2 2 所示 图中的节点对应数控程序中的节点 外侧图形代表加工刀具圆心轨迹 内侧图形为偏移后的刀尖轨迹 代表加工后获得的工件外形 起刀点 1 2 0 1 2 0 一 髻 z o 图2 23 l 4 系列罗茨风机刨削代码生成图形 图2 3由加工程序获得的转子外形近似图形 由于该转子的刨削是在专用夹具中进行 每次刨削1 2 0 度角 加工完后停止 手工分度1 2 0 度后再执行程序进行加工 因此将该加工线型按圆周方向1 2 0 度阵 列 结合转子外圆直径 可以简单测量泵体内腔直径获得 本例中为0 2 4 0 生 成该转子完整的外形图 如图2 3 所示 但是由于数控程序是由直线和圆弧组 南京理工大学工学硕士学位论文 三叶罗茨风机快速开发研究 成 高次曲线也是通过圆弧或直线进行拟合 因此获得的是零件近似几何图形 还需根据高次曲线的类型 反求高次曲线的准确方程 2 3 高次曲线的反求 2 3 1 渐开线曲线方程 通常情况下 罗茨风机转子线型可分为渐开线 摆线 圆弧或者混合曲线四 类 尤其以渐开线和摆线最为常见 本次反求的转子曲线类型为渐开线线型 因 此需要先建立渐开线的参数方程 图2 4转子渐开线坐标系 如图2 4 所示 直线b k 在一圆上作纯滚动 其上k 点的轨迹就是渐开线 i n v o l u t e 其中 灿0 一渐开线 i n v o l u t e 见 基圆半径 b k 一渐开线发生线 g e l l 耐i n g1 i 1 1 e 目一渐开线上k 点的展角 口 渐开线k 点的压力角 矽一渐开线发生线在基圆上的滚动角 1 4 南京理工大学工学硕士学位论文三叶罗茨风机快速开发研究 a 口 口k r 驴 觑v 口 p t a n 口一口 那么对于渐开线上任一点的坐标为k x y 如图2 4 所示 渐开线的参数 方程可表示为 f x r 6s i i l 矽一r 6 c o s 矽 s i n 尺6c o s 矽 尺6 矽s i i l 矽 c o s 1 y 尺6s i n 矽一r 6 矽c o s 矽 c o s 一 尺6c o s 矽 尺6 矽s i i l 矽 s i i l 2 1 2 3 2 罗茨风机转子渐开线方程建立 f 二2 0 j 一 jj j t e 一 鹣赢 图2 53 l 4 系列罗茨风机转子渐开线坐标系 将图2 2 图2 3 复合后旋转6 0 0 建立与图2 4 一致的坐标系 如图2 5 所 示 根据由数控程序获取的中间节点 图2 5 中右侧刀轨上各节点 以及获知 的刨刀半径r 8 向内侧偏移后 可获得转子渐开线近似轨迹 虽然刨刀数控程 序是采用圆弧拟合渐开线 生成的是近似轨迹 但是数控程序中的节点坐标肯定 是由原渐开线上的真实坐标偏移刀具半径后获得的真实节点坐标 因此可以根据 这几个节点坐标 获得转子渐开线上几个真实节点的坐标 如 k 1 2 9 4 4 9 3 9 8 5 0 3 7 k 2 3 8 6 3 0 4 7 7 3 6 8 5 k 3 3 9 9 2 0 9 6 6 7 3 7 5 1 5 南京理工大学工学硕士学位论文 三叶罗茨风机快速开发研究 k 4 3 9 6 1 6 7 6 1 4 9 4 6 该4 点均是原7 轨节点偏移7 具半彳仝后获得明 和兵对 应的渐开线发生线的长度l 1 7 8 2 6 0 5 l 2 5 5 0 6 9 6 l 3 4 0 0 2 5 4 l 4 3 0 0 9 2 3 渐开线基圆半径 初步判定为轨迹中渐开线拟合圆弧与内档直线交点与圆心o 的距离 见 6 6 6 7 4 8 及渐开线发生线对应在基圆上的滚动角 9 6 l 6 7 2 5 4 1 0 九 4 7 3 4 9 9 0 九 3 4 4 1 8 0 0 九 2 5 8 2 4 8 0 根据 麟 彳古 r 可以对k 1 l q 酗 k 4 点进行验算 确定基圆 半径的合理性 从而有 耻警 3 1 4 1 6 6 6 6 7 4 8 7 8 2 6 3 4 警媳 6 蛹研4 8 一 等媳 6 淄朋4 8 训 o s 2 警媳 6 蛹朋4 8 瑚 o s 2 3 p h 7 1 j 二i 丑 图2 6去除刀轨后的3 l 4 系列罗茨风机转子渐开线坐标系 因此可以确定该渐开线的基圆为凡 6 6 6 7 4 8 从而可以确定渐开线a k 如 图2 6 所示 的精确轨迹方程 1 6 南京理 i 大学工学硕士学位论文三叶罗茨风机快速开发研究 2 4 渐开线啮合情况分析 经过前两个阶段反求 完整的零件外形图形就已经获得了 反求厂家可以据 此进行产品的生产加工了 但是所反求的产品并不是十全十美的 产品自身也存 在着许多不足 而且有些产品还存在专利的保护 因此反求厂家不能到此就停止 向前了 还必须对产品性能进行综合分析 找出产品的不足之处 加以改进 以 进一步提高产品性能 形成自主的知识产权 罗茨风机的转子是风机的核心部件 它与泵体一起完成介质的输入输出 如 果两转子相互啮合不好或者啮合间隙不均匀 将会造成出口风量的回流和泄漏 影响风机出口气压和效率 严重的会造成风机发热 影响风机的使用 如果传输 的是化学气体 还会造成重大事故 转子的线型是风机的关键技术 如果线型自 身啮合不均 存在先天不足 后天制造再好 也不可能达到多好的性能 因此首 先要分析转子线型啮合情况 图2 7 两转子在o 1 0 2 0 度时的啮合情况 c 1 7 躲触触 麻风耐叫邮唧 心吃帕8 一 一 r m矽石y一 n n i l 一 一浯祆 心吃 产蒙 叫叫 r 南京理工大学工学硕士学位论文三叶罗茨风机快速开发研究 图2 8 两转子在3 0 4 0 5 0 度时的啮合情况 图2 7 图2 8 为该反求罗茨风机转子某一叶在6 0 度内的完整啮合情况 转 子啮合间隙从0 4 7 7 0 2 1 7 0 2 6 1 o 3 3 4 o 2 6 1 o 2 1 7 0 4 7 7 不断的变化 啮合间隙 很不均匀 典型的两头大 o 度 6 0 度处 中间也大 3 0 度处 其它几处尚可 的状态 形成这种状态的原因主要有两个 制造误差 设计误差 经对图7 a 图进行分析 发现渐开线偏短 在渐开线首尾啮合处产生间隙过大 泄漏严重的 情况 在装配时 由于制造误差总存在某侧啮合间隙偏小的情况 于是装配人员 经常对渐开线开始与结束端进行修磨 进一步造成了渐开线首尾啮合处间隙的不 均匀 风机在使用过程中发热严重 效率低下 针对这种情况 反求人员重新对渐开线进行了优化设计 加大了渐开线发生 线的滚动角 如图2 9 使得线型啮合间隙基本均匀 o 2 0 3 之间 同时对数 控代码的生成进行了改进 采用加密渐开线中间节点的方法 由原有的5 段圆弧 变成1 1 段圆弧拟合渐开线 如图2 1 0 中所示刀具中心轨迹 增加了啮合线型 的精度 使得反求后的产品性能得到了很大的提升 改进设计后的转子线型方程如式3 所示 1 8 x 见s i n 矽一心矽c o s 矽 s i n 心c o s 矽 尺6 矽s i n 矽 c o s 少 也s i n 矽一尺6 矽c o s 矽 c o s 夕一 吃c o s 矽 r 6 s i n 矽 s i n 5 7 3 4 3 6 2 3 r 6 7 0 矽 6 3 5 9 5 6 0 南京理工大学工学硕士学位论文三叶罗茨风机快速开发研究 6 0 1 1 图2 9 改进设计的风机转子 图2 1 0 改进设计的风机转子刀具轨迹 1 9 南京理工大学工学硕士学位论文 三叶罗茨风机快速开发研究 2 5 本章小结 反求设计因其能有效地继承和吸收已有产品的成果 快速开发出新产品 已 得到越来越多中小企业的青睐 结合南通x x 罗茨鼓风机有限公司新产品的反求 开发 介绍了反求过程的基本步骤 并以该公司3 l 4 系列罗茨风机产品的反求开 发进行了举例 详细说明了基于数控程序的反求设计方法 为中小企业吸收借鉴 已有产品的成果 快速开发出新产品提供指导和技术支持 有效地提高中小企业 产品设计能力和新产品开发能力 南京理工大学工学硕士学位论文三叶罗茨风机快速开发研究 3 基于圆弧拟合和误差抵消的转子刨削加工方法 转子是罗茨风机的核心零件 如果转子的啮合间隙不均匀将会造成风机效率 低下 发热严重等不良情况 因此转子的制造非常重要 目前风机的转子线型主 要有销齿圆弧 渐开线 摆线及三者的组合曲线 其中渐开线因其容积效率高 密封效果好而应用最为广泛 数控刨削加工因为一次走刀能完成整个转子长度加 工 加工效率大大高出数控铣削加工 受到了罗茨风机厂家的极大欢迎 目前罗 茨风机转子的数控加工主要采用数控刨削加工 一般都是通过对普通刨床进行数 控化改造而来 由于经济型数控系统的功能有限往往只有直线或圆弧插补功能 对渐开线及高次曲线只能进行拟合 存在一定的拟合误差h 翻 另外机床工艺系统 如机床的运动精度 刀具的尺寸误差 机床刀具的热变形和弹性变形误差等 都 会对转子加工造成影响 1 本章首先分析工厂提出的加工问题 以南通x x 罗茨鼓风机有限公司5 系列 渐开线转子为例 优化分析了转子的编程拟合方法 在此基础上针对工艺系统产 生的系统误差 采用误差抵消的方法进行消除 使最终加工的转子线型满足工艺 要求 实践证明该圆弧拟合加二次补偿的方法是经济型数控刨床加工出高质量渐 开线转子的可行方法 3 1 问题的提出 1 步进电机2 横向进给丝杠 x 3 步进电机4 纵向进给丝杠 z 5 刀架6 转子 图3 1数控刨削加工示意图 2 1 南京理t 大学工学硕士学位论文 三叶罗茨风机快速开发研究 图3 1 为南通x x 罗茨鼓风机有限公司渐开线转子数控刨削加工示意图 该 数控刨床是在普通牛头刨床基础上数控化改造而成 加工程序既可通过手工编 程 也可以利用自动编程软件生成 检测发现 转子在每次加工完成后档部尺寸 总是偏大 单边在0 1 5 m m 以上 在装配过程中需要修磨 而且去除余量较大 由于是人工修磨 有时工人修磨档部 如图3 2 a 处 也有时为了方便修磨 渐开线啮合的终端 如图3