（机械制造及其自动化专业论文）数控加工仿真及加工参数优化的研究.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 制造技术是推动人类历史发展和文明进程的主要动力，是经济和社会发展的 物质基础，在国民经济中起着重要的作用。近年来，伴随计算机技术和现代控制 理论的发展，数控机床以其特有的优势普及到几乎所有的制造领域内。目前，数 控机床：朝着高效率、高速度、高精度、复合化加工方向快速发展，五轴联动数 控机床，就是为了适应产品复杂化和生产高效化而迅速发展的高档数控机床。它 可实现1 ：件的一次装夹完成大部分加工工序，大幅提高了生产效率，目前是解决 发动机整体叶轮、汽轮机转子、柴油机曲轴等加工的最佳手段。 采用五轴联动数控机床加工的工件常常是所在机械中的关键部件，其材质、 表面质量、加工精度要求普遍较高，以往通过产品试制来校验数控程序的方法， 会造成很大的浪费。而虚拟加工技术可以实现构建机床的三维模型，并在计算机 上模拟工件数控加工的全过程，以及对数控程序进行校验，解决加工中的各种问 题，在数控加工中有着非常好的应用前景。本文即利用数控机床仿真分析软件 v e r i c u t 和c a d c a m 软件u g ，通过建立虚拟的五轴联动机床及刀具库，完成发动 机整体叶轮的五轴虚拟加工。本文研究主要内容如下： ( 1 ) 深入学习u gn x 6 0 软件，使用其c a d 功能完成整体叶轮的数字化建模， 并利用其c a m 功能模拟刀具路径、生成加工轨迹、后处理生成相应的n c 代码。 ( 2 ) 对v e r i c u t7 0 软件中的各个功能模块进行深入的学习与研究，并在此基 础上构建起五轴联动数控机床的几何模型和运动学模型。 ( 3 ) 利用v e r i c u t 系统中构建的虚拟机床与刀具库，导入叶轮的n c 程序，对 叶轮进行仿真模拟加工、检查刀具轨迹，并实现切削速度的优化，完成虚拟加工 全过程。 关键词：五轴机床；虚拟加工；v e r i c u t ；u g 沈阳理工大学硕士学位论文 一-一 a bs t r a c t m a i m f a c t u r i n gt e c h n o l o g yi st h em a i np o w e ri np r o m o t i n gh u m a nh i s t o 巧 d e v e l o p n l e n ta i l dt h ep r o c e s so fc i v i l i z a t i o n ，i t st h em a t e r i a 王f o u n d a t i o no fe c o n o m i c a n ds o c i dd e v e l o p m e n t ，i tp l a y sa 1 1 i m p o r t a n tm l ei nt h en a t i o n a le c o n o m yw i t hm e d e v e l o p n l e n to fc o n l p u t e rt e c h n o l o g ya j l dm o d e mc o n t r o lt h e o r y ，c n cm a c h i n et 0 0 1h a s 印p e a r e d i nr e c e n ty e a r si th a sa p p e a r e di na l m o s to ft h em a n u f a c t u d n g6 1 e dd u et oi t s u i l i q u ea d v a n t a g e s w i t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fc n cm a c h i n et 0 0 1 ，i ti sb e i n g d e v e l o p e dt o w a r dh i 曲e f j i c i e n c 弘h i 曲s p e e d ，h i 曲p r e c i s i o n ，c o n l p l e xp r o c e s s i n g ，f i v e a x i sm a c h i n et o o li st h i sh i 曲一g r a d ec n cm a c h i n et 0 0 1 i tc a l l p r o c e s sm o s to ft h e p r o c e d u r t ：o faw o f k p i e c et h r o u 曲o n et i m ec l 锄p i n g ，w h i c h 铲e a t l yi n c r e a s i n gt h e p r o d u c t i one m c i e n c y i ti st h eb e s tw a yi np r o c e s s i n gi m p e l l e r ，r o t o ra n dc r a n k s h a r i ti sa l w a y st h em a i nc o m p o n e n t su s i n gf i v ea x i sc n cm a c h i n et 0 0 1 ，b e c a u s ei t s m a t 甜a l ，s u r f a c eq u a l i t ya n dp r e c i s i o nr e q u i r e m e n t sa r eg e n e r a l l yh i 曲a i l dt r a d i t i o n m e t h o dv ，i l lc a u s ea 孕e a tw a s t e r m a lm a c h i n i n gt e c h n 0 1 0 9 yc a nc o n s t m c tm o d e lo f c n cm a c h i n et o o l ，s i m u l a t ew o r k p i e c ep r o c e s s i n g ，v e r i f yn cc o d e ，a n ds o l v em e p r o c e s s i n gp r o b l e m s ，s oi th a sav e 叫g o o da p p l i c a t i o np r o s p e c t i nt h i sp a p e r ，1w i l lu s e c n cs i m u l a t i o ns o r w a r ev e r i c u ta n dc a d c a ms o r w a r eu g n x 6 0 t h r o u g ht h e e s t a b l i s l n e n to fv i r m a lf i v ea x e sm a c h i n et o o la n dt o o l l i b r a 吼c o m p l e t et h ee n g i n e i m p e l l e r 、，i r m a lm a c h i n i n g ，t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) l e 舭1 i n gu gn x 6 o ，u s i n gi t sc a d 如n c t i o nt oc o m p l e t et h ei m p e l l e f s d i 百t i z e dm o d e l i n ga n du s i n gi t sc a m向n c t i o nt os i m 【u l a t et o o lp a t h ， g e n e r a t e p r o c e s s i n gp a t ha n dp o s tb u i l d i n gt h en c c o d e ( 2 ) l e a m i n gv e r i c u t7 os o f c w a r e 向n c t i o nm o d u l e s ，a n db u i l d i n gag e o m e t r i c a n dk i n e n l a t i c sm o d e lo ff i v ea x i sc n cm a c h i n et 0 0 1 ( 3 ) u s i n gv i r m a lm a c h i n et o o la n dt o o l1 i b r a ub u i l ti nm ev e r i c u t ，a r e ri n p u t t h ei m p e l l e r sn cp r o 乒a mt os i m u l a t ei m p e l l e rp r o c e s s i n g ，c h e c kt 0 0 1p a t h ，c o m p l e t e v i r t u a lp r o c e s s i n ga n dc u t t i n gs p e e do p t i m i z a t i o n k e yw o r d l s ：f i v ea x i sm a c h i n et 0 0 1 ；r t u a lm a c h i n i n g ；v e r i c u t ；u g 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 随着科学技术的不断进步和社会生产的不断发展，人们对机械产品的自动化 生产提出了越来越高的要求。白工业革命开始，人们实现机械自动化主要通过自 动机床、组合机床、专用自动生产线等设备来实现，这些设备的使用大大提高了 机械加工自动化的程度，提高了劳动生产率，促进了机械制造业的发展。但它同 样也存在着许多固有的缺点，如：初始投资大、准备周期长、柔性差等。伴随着 市场竞争的日趋激烈，产品更新换代周期的缩短，小批量产品在机械加工中比重 的增大，机械制造业迫切需要一种精度高，柔性好的加工设备。数控机床的迅速 普及就为满足上述要求提供了最佳的解决方案。 目前数控机床正向高速度、高精度、高效率、复合化发展方向迈进，具有五 轴联动功能的数控机床，就是适应其发展方向，而迅速发展的机种。它可实现复 杂零件的一次装夹完成大部分生产工序，大幅度提高了生产效率，是目前解决叶 轮、叶片等零件加工的最佳手段。五轴数控机床已被当今发达的工业国家广泛的 应用在了航空、航天等重要的工业领域【卜4 】。 近年来，数控机床在我国发展很快，但熟悉数控加工工艺，能熟练编写加工 程序的技术人才，特别是具备综合基础知识、解决数控加工实际问题的人员还较 为紧缺。我国还有很多工厂采用传统的试切法来验证数控程序，即采用塑模、蜡 模或木模在数控设备上进行试加工，通过它们尺寸的正确性来判断数控程序。这 不仅占用了加工设备的工作时间，而且同样存在着各种危险【5 j 。 在国内外经济进一步发展和计算机软件技术快速进步的背景下，数控加工仿 真软件：逐渐的运用到了机械加工中的各个领域，特别在国外很多国家已经得到 了广泛的运用。利用数控仿真软件，操作人员可以在计算机上得到连续的、逼真 的数控加工过程，大大缩短了产品的生产周期并降低了生产成本，为编程人员修 改与优化数控程序提供了强有力的指导，使制造类企业在激烈的竞争中获得了先 机。目前，它已成为众多国家和企业竞相发展的一项先进技术【6 j 。 沈阳理工大学硕士学位论文 1 2 数控加工仿真技术简介 数控加工仿真技术是计算机数字控制( c o i n p u t e r n u m 甜c a lc o n t r 0 1 ) 技术不断发 展、不断完善而形成的一种由程序控制的自动加工、模拟仿真的技术。就目前发 展而言，它应包括c a d 技术、c a m 技术与虚拟机床仿真技术，其简介分别如下： 1 2 1c a d 技术简介 c a d 技术是计算机辅助设计的简称，是制造工程与计算机技术相互结合、渗 透发展起来的一项综合性应用技术，具有知识密集、学科交叉、应用广等特点。 一般而言，c a d 系统应包含几何建模、工程分析、工程绘图等主要模块，并 含有交互式人机接口、科学计算和工程数据库等辅助工具。c a d 技术可实现的功 能，主要就是在产品概念设计的基础上，进行建模分析与产品几何模型的建立， 然后抽取模型中有关的数据进行分析、计算和修改，最后编辑全部设计文档，输 出工程图，将产品的物理模型转化为数据模型，并存储在计算机里，供后续的计 算机辅助制造技术共享，驱动产品的整个生命周期的过程【7 1 。 1 2 2c a m 技术简介 c a m 技术是计算机辅助制造的简称，是先进制造技术的重要组成部分，它的 发展和应用使传统的产品设计和工作方式发生了根本性的变化，它已成为衡量一 个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一。c a m 技术有广义和狭义之 分：广义c a m 是利用计算机技术直接或问接的完成从生产准备到制造过程中的各 种活动；狭义c a m 通常指数控程序的编制，包括刀：具路径的规划、刀具轨迹仿真、 后置处理生成n c 代码等方面的内容，本文采用的是狭义c a m 技术。 c a m 技术的核心内容就是数控加工，主要分为程序编制和生成加工两个步骤。 ：程序编制是根据图纸信息，按照数控机床控制系统的要求，确定加工指令，完成 数控程序编制的过程；生产加工是将数控程序传输给数控机床，使数控机床控制 刀具和工件严格按执行程序，加工出符合要求零件的过程。作为应用性、实践性 极强的专业技术，c a m 技术直接面向数控的实际生产，在数控加工中已经取得了 明显的经济效益，并且在提高企业市场竞争能力方面发挥着重要作用【8 1 。 1 2 3 虚拟机床仿真技术简介 随着c a d c a m 技术进一步的发展和应用，虚拟机床仿真技术正以其独有的 一2 第l 章绪论 优势迅速出现于产品生产与制造的各个方面。它主要是针对目前大部分c a d c a m 系统彼此独立、产品和制造能力不够全面、仿真功能并不完善等缺点而出现的。 虚拟机床仿真技术可以被定义为集成了工件、夹具与机床各组成部分在内的 一个可运行的综合制造环境，用来提高各个层次的决策和控制。它的内涵是：通 过建模和仿真，提高加工过程的质量；根据计算机模拟产品开发，使设计者在真 正加工之前就可以虚拟制造产品；通过检查真实空间和虚拟空间的参数直接的降 低生产制造的成本。虚拟机床仿真技术是由多学科知识组成的综合技术，作为一 项崭新的技术手段，虽然其还有很多不完善的方面，但随着时间的推移，它必将 在制造自动化中发挥作用将越来越重大的作用 9 1 。 1 3 课题国内外发展与研究现状 1 3 1 数控加工技术国外发展历程及国内发展趋势 早在5 0 年前，就有设计人员将计算机程序引入到机械装置中，根据数控加工 技术在国外工业领域中的应用，及在学校的教授方式，它的发展分别经历了以下 三个时期 10 1 。 第一阶段( 1 9 4 0 1 9 6 5 年) ：在这个时期，数控机床在工厂里还是稀有的，编程 还是一项费时、费力的工作。只有当工厂需要批量生产大量相似零件或用其它方 法不能生产时，才会使用数控机床。因为那时数控技术专业性很强，所以只有少 数几所学校开设这门课程。 第二：阶段( 1 9 6 5 1 9 9 0 年) ：随着计算机技术的不断发展，数控机床的功能也日 益强大，数控加工技术能到广泛认同。这一时代末期，所有主流的生产制造都开 始由数控加工来完成，学校也开设其作为机械专业后期深层次的教学课程。 第三阶段( 1 9 9 0 年至今) ：数控机床已出现在几乎所有的制造领域内，对社会产 生了深远的影响。数控加工不仅应用于批量生产，还应用于类似铸模及锻模等单 件产品的生产，相关学校也开始完善这门课程的教学。 近年来，随着中国制造业的迅速崛起，由于数控加工技术在实现产品设计与 加工自动化、提高产品加工质量、缩短产品设计研发周期等方面特有的作用，使 得数控加工在我国正以迅猛的速度发展。这极大的提升了我国机械产品加工与制 造的精度，提高了产品的生产效率，对我国的制造业的发展做出了巨大的贡献。 目前我国数控加工技术正向以下几个方面发展 1 1 1 2 】。 气一 沈阳理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 高速、高精度化发展：高速度和高精度一直是机械制造行业所追求的关键 性指标。目前由于数控机床普遍采用了高速c p u 芯片以及高分辨率的的检测元件， 使得数控加工技术得到了不断的提升。 ( 2 ) 复合化、多轴化发展：数控机床向着复合化和多轴化发展可以减少加工工 序与辅助时间，极大的提高生产效率，使得其也成为了数控加工技术发展的一个 主要方面。 ( 3 ) 智能化发展：数控加工技术和人工智能相结合使数控加工向着实时响应与 实现的领域发展，尤其引入智能的概念后可以提前预测并反馈温度、位置和速度 等控制信息，大大提高了数控加工的能力，实现了最佳控制的目的。 1 3 2 五轴数控加工仿真技术国内外发展现状 五轴数控机床是一种科技含量与精密度很高，专门用于加工复杂曲面的机床， 它可以利用机床的两个旋转轴使刀具处于工作空间的任意方向，有效的避免了刀 具与零件的干涉，改善了加工条件。但由于旋转运动的引入，编程人员很难在机 床坐标系下直接想象出刀具的相对运动，所以其数控程序的编制主要是根据零件 的几何模型，运用c a m 软件规划刀具路径，然后通过后处理生成。实践表明，数 控设备的使用效率跟数控程序的好坏有直接的联系，因此，高水平的数控加工仿 真技术在五轴加工起着至关重要的作用。 国外五轴数控加工仿真技术主要以欧美代表，它们在五轴数控加工仿真软件 的开发与应用上进行大量的理论与应用研究工作。经过多年的努力，国外在数控 加工仿真发面开发了许多通用的c a m 软件，如：u g 、m a s t e r c a m 、p o w e r m i l l 等，这些软件不光具有了五轴铣削加工和车铣复合加工等基本的五轴加工功能， 而且大多数软件还包含有叶轮、叶片、曲轴等专用的加工模块。近年来，在机床 仿真与优化方面国外更是出现了v e r i c u t 等优秀的数控加工仿真软件【1 3 】。 从整体上来看我国数控加工仿真软件开发和应用方面还处于研究阶段，和国 外高水平软件相比，我国还存在着较大的差距，特别在机床仿真方面没有成型的 商用软件。目前，我国在其相关理论和技术上还有许多问题需要深入研究，所以 在五轴数控仿真加工方面的研究成果较少，还存在：很多问题，如：仿真模型不够 完善、仿真系统实用性差、仿真手段限制仿真系统发展等，这些都是我国在今后 很长时间内需要改进的【6 | 。 一4 一 第l 章绪论 1 3 3 口1 轮数控仿真加工研究现状 叶轮是发动机的核心部件，其叶面形状往往由难加工的复杂曲面构成，所以 其加工问题一直都是困扰科技人员的技术难题。到目前为止，国内外研究人员先 后研制出了多种加工方法，如：铸造成型修光法、石蜡精密铸造法、电火花加工 法、三坐标仿形铣削法。这些加工方式虽然在不同的时期对叶轮的加工起到了非 常重要的促进作用，但由于加工质量较差、效率较低等问题，在五轴数控加工技 术应用到叶轮加工后，都逐渐被淘汰【1 6 】。 我国早在7 0 年代初就有企业使用数控机床加工叶轮，由于近年来数控技术的 普及更使得数控加工成为了叶轮的主要成产方式。而以叶轮数控加工的普及契机 进一步发展的叶轮数控加工仿真技术，得到了越来越多研究人员的关注。根据叶 轮曲面形状的不同，数控加工仿真刀路规划的方法主要有下面两种【1 7 】。 第一种方法是点铣法，它采用球头刀按叶片的流线方向逐行走刀逐渐加工出 叶片曲面。这种方法主要用来加工自由曲面叶片，它可以较为精确的加工出符合 设计要求的叶片，由于走刀方向和设计流线方向相同，这对叶轮、叶片的动力学 特性更为有利。但这种方法加工的叶轮需要较长的加工时间，刀具磨损也比较严 重，这极大的增加了产品的成本。 第二：种方法是侧铣法，它采用圆柱铣刀的侧刃铣削叶片曲面。这种方法主要 用来加工直纹曲面叶片，其可以有效的改善叶片表面的粗糙度并显著提高加工效 率。但使用这种方法加工非直纹曲面时随着刀具与工件的接触线增长，将会使加 工误差逐步增大，不利于叶片的形成。 总之，随着国内外叶轮加工理论的不断完善，叶轮的数控加工仿真向着高质 量高效率方向发展己成为必然，我国的叶轮加工技术也将迈进一个到新的高度。 1 4 课题研究的意义及主要研究工作 1 4 1 课题研究的意义 本课题主要围绕数控加工仿真技术展开，以发动机整体叶轮为研究对象，综 合使用i j gn x 6 o 与v e r i c u t7 0 这两款主流的数控加工仿真软件，通过研究发 动机整体叶轮的数控加工仿真全过程，介绍了当前数控加工仿真及参数的优化的 一种方法，它在多方面有着重要的研究意义： ( 1 ) 研究原理方面，本文以先进的五轴加工为研究原理，其出色的曲面加工能 一气一 沈阳理工大学硕士学位论文 力，为实验的研究提供了非常重要的理论研究价值。 ( 2 ) 加工设备方面，本文采用先进的五轴加工中心进行仿真，其出众的曲面加 工能力、高效的加工效率、精确加工精度为五轴数控加工提供了重要的实践意义。 ( 3 ) 在研究过程中本文研究采用计算机建模、仿真、优化的虚拟加工技术，通 过u g 与v e r i c u t 的相互配合，实现了从加工编程到加工仿真的全虚拟过程，其 可以有效的缩短产品生产周期，减小生产成本。在实践中采用v e r i c u t 虚拟机床 对工件的加工仿真，可以达到与实际加工相同的效果，还可预知实际加工中可能 存在的问题，对修改、优化和确定工艺参数起到了非常重要的作用。因此，本次 研究对加快产品研发与制造周期，促进机械行业的发展方面有着很强的现实意义。 1 4 2 课题研究的主要工作 ( 1 ) 深入学习u gn x 6 o 、v e r i c u t 7 o 这两款软件，尤其是u gn x 6 0 和 v e r i c u t 7 0 中各模块的功能和使用方法。 ( 2 ) 分析当前国内外叶轮五轴加工的资料，得出我国当前技术条件下五轴数控 加工整体叶轮的可行性报告，探索当前数控加工仿真及参数的优化的一般方法。 ( 3 ) 采用数学方法建立整体叶轮的截面和其空间三维的数学表达式。为在u g n x 6 o 中实现整体叶轮的参数化建模提供一种可借鉴方法，并以其为基础运用u g n x 6 0 建立整体叶轮的实体模型。 ( 4 ) 对u gn x 6 o 中建立的整体叶轮进行工艺分析，制定五轴数控加工环境下 的加工方案，并选取所用的刀具及规格。 ( 5 ) 使用u gn x 6 。o 的c a m 五轴加工模块，生成发动机整体叶轮合理的刀具轨 ：迹，利用其o p e n g l 仿真功能模拟加工过程，进行刀轨验证以及刀具碰撞和干涉 检查，并后处理生成相应的n c 代码。 ( 6 ) 利用v e r i c u t 7 0 软件建立一个虚拟的五轴联动加工中心，要求其具有与 ：真实机床相近的结构，能完成五轴数控仿真功能。 ( 7 ) 利用v e r i c u t 7 o 的仿真模块，模拟机床加工环境，对生成的数控程序做 动态仿真验证，对发现的问题加以修正，并优化切削速度，从而完成虚拟加工环 境下的整体叶轮的数控加工仿真及参数优化的研究。 一6 第2 章整体叶轮数控加工机床结构的选择 第2 章整体叶轮数控加工机床结构的选择 2 1 整体叶轮五轴加工方式的确定 机床是一个国家制造水平的象征，而目前主流数控机床的加工方式分为三轴 与五轴两种，其中五轴联动数控机床代表机床制造业最高水平。 五轴数控加工方式和三轴数控加工方式有着本质的区别，因为三轴加工的情 况下，刀具轴线在工件坐标系中是平行于z 轴固定不变的，而在五轴加工的情况 下，刀具轴线是可变化的。根据兼顾高加工质量和切削效率，同时避免加工中可 能存在的刀具与工件，及刀具与夹具干涉的数控优化原则，可以发现三轴加工的 关键在与加工特征的识别与刀具路径的规划，而五轴加工的关键在于刀具姿态的 优化，如图2 1 所示。 三轴加工情况五轴加工情况 图2 1 三轴加! ：l ：与五轴加工情况比较 由此可见，五轴加工能够使3 个直线轴和2 个旋转轴同时协调的运动，这解 决了三轴和3 + 2 轴加工的干涉问题。刀具也可以选择的非常短，这可以明显降低 刀具的偏差，从而获得良好的加工精度。在生产中五轴数控加工方式与三轴相比， 其具有以下优点： ( 1 ) 其可有效避免刀具干涉，加工一般三轴数控机床不能加工的复杂曲面。 ( 2 ) 可以一次装夹加工出连续、平滑的自由曲面，获得更高的加工精度、质量 和效率。 ( 3 ) 其可使刀具相对于工件表面处于有效的切削状态，避免了刀具的速度零点 7 沈阳理工大学硕士学位论文 带来的切削效率低、加工表面质量恶化的现象。 ( 4 ) 对应直纹面类零件，其可采用侧铣一刀成形。 ( 5 ) 在某些加工场合，其可采用较大尺寸的刀具加工，从而避开干涉。 ( 6 ) 其可以使用较短的刀具。 由此可见，相对于传统的三轴加工方式而言，五轴加工改变了加工模式，增 强了加工能力，提高了加工零件的复杂度和精度，解决了许多复杂零件的加工难 题，因此本次课题采用五轴加工方式对整体叶轮进行数控加工。 2 2 五轴数控机床的结构类型 数控机床根据运动轴的数目划分可以分为三轴、四轴和五轴数控机床几种类 型，其中的运动轴可以分为平动轴和转动轴。根据标准规定，数控机床的结构统 一按照工件静止而刀具相对于工件运动来描述，以右手笛卡尔坐标系表示，其中 平动轴用三个线性坐标x 、y 、z 表示，旋转轴用对应的旋转坐标a 、b 、c 表示， 即绕x 轴旋转为a 轴，绕y 轴旋转为b 轴，绕z ：轴旋转为c 轴。五轴数控机床 通常就是指包含了三个线性坐标x 、y 、z 和两个旋转坐标轴，而且可在计算机数 控系统的控制下协调运动进行加工的数控加工机床。 五轴数控机床的结构有很多种，按照旋转轴的旋转平面分类，五轴数控机床 可以分为正交五轴机床和非正交五轴机床两类。其中，两个旋转轴的旋转平面均 为正交平面的机床为正交五轴机床，两个旋转轴的旋转平面有一个不是或两个都 ：不是正交面的机床为非正交五轴机床。在实际生产中由于其编程、操作及后置处 理相对容易掌握，所以正交五轴结构的机床应用最为广泛。根据摆动轴和旋转轴 的内部结构，正交五轴机床可以分为三种：双转台结构、双摆头结构、单转台单 摆头结构 13 1 。 2 2 1 双转台结构五轴数控机床 双转台结构五轴数控机床的两个旋转轴均为转台，其a 轴的旋转平面为y z 平面，c 轴的旋转平面为x y 平面。刀具轴线的变化主要是通过a 轴的摆动和c 轴的转动来实现，其两个旋转轴可以结合为一个整体构成双转台结构，也可以构 成摇篮式结构。此外，再加上x 、y 、z 三个直线轴的运动就构成了双转台结构五 轴数控机床的全部运动类型，其运动与坐标间的关系如图2 2 所示。 双转台结构类型的五轴数控机床在加工过程中：工件固定在工作台上，旋转轴 r 第2 章整体叶轮数控加工机床结构的选择 和摆动轴在运动过程中带动工件的转动和摆动。它的主轴始终为竖直方向，刀具 的切削刚性较好，可以进行切削量加大的加工。但加工工件的尺寸受转台尺寸的 限制，只适合加工体积小、重量轻的工件。 图2 2 双转台结构五轴数控机床运动与坐标的关系 2 2 2 双摆头结构五轴数控机床 双摆头结构五轴数控机床的两个旋转轴均属于摆头类，其a 旋转平面为z y 平面，c 轴旋转平面为x y 平面。刀具轴线的变化是通过a 轴的摆动加工和c 轴 的转动来实现，其两个旋转轴结合为一个整体。此外，再加上x 、y 、z 三个直线 轴的运动就构成了双摆头结构五轴数控机的全部运动类型，其运动与坐标间的关 系如图2 3 所示。 图2 3 双摆头结构五轴数控机床运动与坐标的关系 双摆头结构类型的五轴数控机床在加工过程中工作台、工件均静止，适合加 工体积二k 、重量重的工件。但因为刀杆在加工过程中摆动，所以刀具的切削刚性 较差，加工时切削量较小，且机床c 轴受角度的限制，往往不能在3 6 0 。范围内旋 转，一般的转动角度常在2 0 0 。范围内。 9 沈阳理工大学硕士学位论文 2 2 3 单转台单摆头结构五轴数控机床 单转台单摆头结构五轴数控机床的机床结构是刀杆摆动，工件转动，其旋转 轴a 轴为摆头，旋转平面为z y 平面，旋转轴c 为转台，旋转平面为x y 平面。 刀轴的变化是通过b 轴的摆动和c 轴的转动来实现的，再加上x 、y 、z 三个直线 轴就构成了单转台单摆头结构五轴数控机床的全部运动类型，其运动与坐标间的 关系如图2 4 所示。 图2 4 单转台单摆头结构五轴数控机床运动与坐标的关系 单转台单摆头类型的五轴数控机床加工过程中工作台只旋转不摆动，刀杆只 在一个旋转平面内摆动，加工特点介于双转台和双摆头结构数控机床之问。它所 加工工件的大小和质量受到旋转台尺寸的大小和承载能力的限制，但总体而言它 所适应加工的工件种类较多，加工的自由度也较大。 2 3 整体叶轮五轴加工机床结构的确定 图2 5 整体叶轮模型图 如图2 5 所示，整体叶轮的几何特征非常明显：其若干组叶片均匀分布在轮毂 上，相邻两个叶片间构成流道，叶片与轮毂的连接处有过渡圆角，使叶片与轮毂 之间光滑连接。叶片曲面多为直纹或自由曲面，一般流道较狭窄且叶片扭曲程度 一1 0 一 第2 章整体叶轮数控加工机床结构的选择 大，容易发生干涉碰撞。叶轮加工常常是叶片和轮毂同时在一个毛坯上进行整体 加工，因此其加工难点在于流道和叶片，而且刀具空间、刀尖点位和刀轴方位也 要精确控制，才能加工到其几何形状的每个角落，并使刀具合理摆动。加工时一 般的步骤是可先选用铣刀加工出过渡叶轮形状，然后采用铣刀测刃加工叶片，最 后对整体叶轮进行精加工、倒圆角和清根等操作1 2 卜2 引。 根据上节介绍的三种五轴数控机床的主要结构特点可以看出，双转台结构的 五轴数控机床由于加工过程中主轴始终为竖直方向，刚性较好，其不光可以进行 切削量较大的加工，还能完成像电极、鞋模、小叶轮、工艺品等切削量较小工件 的加工，在整体叶轮的五轴数控加工中起着非常重要的作用。双转台五轴加工中 心在加工过程中，铣刀的回转轴线可与工件的回转轴线成一定的夹角，且直线进 给运动可以根据不同的需要，采用轴向进给或径向进给，也可以同时采用轴向与 径向同时进给，有效的避免了复杂零件加工时径向和轴向自动转换的问题。 图2 6 双转台五轴机床运动示意图 如图2 6 所示，可以看出一般双转台结构五轴机床加工工件时的运动情况，加 工时c 轴带动工件做顺时针f1 8 0 。和逆时针1 8 0 。旋转的同时还可以绕b 轴做 1 2 0 。至一3 0 。的旋转，而铣刀在快速旋转的同时沿x 、y 、z 方向做直线运动，并 最终在双转台五轴机床控制系统的控制下形成b 、c 、x 、y 、z 坐标轴的联动。 u gn x 6 0 中叶轮加工采用基于多轴铣削加工模块，它可以理解为五轴叶轮加工中 铣刀除沿自身轴线快速旋转外还沿工件表面做各种复杂的铣削运动。为编制出的 能够适用于双转台结构五轴加工中心的n c 代码，u gn x 6 0 可先自定义出所需要 结构的加工中心的后处理文件，然后再对刀轨进行后处理。 沈阳理工大学硕士学位论文 一一 因为整体叶轮的流线型面比较复杂，一般人工直接编译加工程序十分困难， 所以，从双转台五轴数控机床加工零件的优点和整体叶轮加工时的难点上分析， 采用双转台五轴加工中心加工整体叶轮在理论上是可行的。尤其是在u gn x 6 o 环境下实现整体叶轮刀轨的自动编程，并在v e r i c u r 7 o 软件下完成刀具轨迹的 验证与优化，具有重要的现实意义。 2 4 本章小结 本章首先对五轴数控加工与三轴数控加工的特点进行了分析，发现了五轴数 控加工在复杂曲面加工中的优点与先进性，选择了五轴数控加工方式对整体叶轮 进行加工；然后简要介绍了五轴数控机床的分类，以及三种主流五轴数控机床的 结构类型及特点；最后通过分析整体叶轮的结构与加工特点，以及双转台结构五 轴数控机床零件的加工类型，确定了整体叶轮加工的机床为双转台结构五轴数控 机床。通过本章分析表明采用双转台结构五轴数控机床加工整体叶轮是可行的， 并且具有一定先进意义的，为后面基于u gp o s t b u i l d e r 的五轴后处理，以及在 v e r i c u r 中构建仿真机床提供了必要的依据。 1 2 第3 章基于ug 的整体叶轮参数化建模 第3 章基于ug 的整体叶轮参数化建模 3 1 整体叶轮三维建模方法 3 1 1 整体叶轮的结构术语 叶轮是由复杂空间曲面构成的非常有代表性的典型零件，其广泛的应用于发 动机、汽轮机、液压泵等工业设备。叶轮由于在工业领域应用广泛，所以其种类 也较多：按叶片的形成方式分类可以将叶轮分为整体叶轮和分体叶轮；按机械结 构分可以分为前弯式叶轮、后弯式叶轮、径向叶轮；按整体的形式分可以分为开 式叶轮、闭式叶轮。无论叶轮如何分类叶轮型线的设计，都是根据如何减少转动 时流体的流量损失来设计的，本文主要以离心机整体叶轮为例进行介绍。 整体叶轮主要是将轮毂、叶片等叶轮表面视为一个整体，直接从一个毛坯上 通过铣削加工而成，其无法再进行拆分。本文引用离心式压缩机内的整体叶轮主 要可以分为轮毂和叶片两部分。根据叶轮的工作机理，我们又可以把整体叶轮的 叶片各表面命名为包覆曲面、压力曲面和吸力曲面，而叶轮的轮毂则被各叶片分 割为相对独立的流道面，如图3 1 所示，为整体叶轮顺时针旋转时各曲面的构成图。 压力 吸力曲 面 图3 1 整体叶轮曲面构成图 对于整体叶轮而言，轮盖面是叶片的顶部曲线绕叶轮回转轴线z c 轴旋转而成 沈阳理工大学硕士学位论文 的假想曲面，其包覆曲面是由轮盖面被压力曲面和吸力曲面裁剪生成，轮盖面与 相邻的两个叶片及轮毂面共同构成了整体叶轮工作时的空间流道。又如图3 2 所 示，整体叶轮工作时流体是从叶轮的进口流入，出口流出，于是相对应处的叶片 轮廓线就被命名为出口边和进口边。 目浚 图3 2 叶片轮廓构成图 3 1 2 整体叶轮c a d 造型方法 一般来说整体叶轮的c a d 模型比较复杂，工作面的曲面形式质量的好坏对整 体叶轮性能参数的影响很大。整体叶轮的主要结构包括了叶片和轮毂两个主要部 分，其中叶片曲面是要求较高的光滑连续的自由曲面，而整体叶轮的轮毂曲线也 ：是要求复杂的自由曲线。这些曲线是由空间离散点构成，特别是整体叶轮的叶片， 它的几何外形数据都是由一些离散的数据点组成，所以如何获取空间离散数据点 成为整体叶轮造型的主要任务。 目前，整体叶轮数据点的获取主要有两种方法 2 3 】：一种是逆向工程的建立方 法，它主要利用三维数字化测量设备，通过准确、快速的测量出整体叶轮表面的 三维坐标点，并根据这些坐标点运用三维几何建模的方法重建整体叶轮c a d 模型； 第二种方法是运用传统的产品开发理念，通过精确的理论计算来获取数据点。 当采用逆向工程的方法时，主要工作是测量整体叶轮的截面线数据或是叶片 曲面的点数据；而对于运用理论计算的方法时，主要工作是得到整体叶轮叶片吸 力面、压力面分别和轮毂面、轮盖面交线上离散的数据标点，当得到这些构建整 体叶轮的关键数据后，就可以利用u g 等三维造型软件按照点构成线、线构成面、 面构成体的方法来完成整体叶轮的三维几何造型。整体叶轮的造型流程如图3 3 所 示。 一1 4 第3 章基于ug 的整体叶轮参数化建模 图3 3 整体叶轮三维造型流程图图3 4 叶片横截面图 在整体叶轮设计过程中，轮毂曲面的生成方式比较单一，主要是通过轮毂曲 线旋转生成。但叶片曲面的生成则不相同，在现实设计中常使用下述两种方法 3 0 】： ( 1 ) 第一种方法就是根据需要得到叶片截面上的数据点，生成叶片曲面横截面 的截面线，如图3 4 所示，这些截面线是由光滑的曲线连接，然后运用蒙面法生成 依次光滑通过这些截面线来生成叶片。运用这种方法生成叶片曲面时，需要预先 得到叶片各截面的曲线表达式或离散的数据点，其三维造型的精度取决于所选取 截面的密度和均匀程度的同时还对描述横截面的曲线精度有极高的要求。 ( 2 ) 第二种方法是先得到已知的整体叶轮叶片吸力面、压力面与轮盖面、轮毂 面交线上的离散数据坐标点，然后分别生成组成叶片的吸力面、压力面、流道面、 包覆面、进口边曲面和出口边曲面，通过u g 软件的缝合曲面的功能就可以将6 个面围成的空间曲面转化为空间的实体。运用这种方法生成叶片曲面时，需要预 先得叶片吸力面、压力面曲线和曲面的空间表达式或离散的数据点，其三维造型 的精度取决于叶片吸力面和压力面空间表达式或离散点得选取精度。 3 2 整体叶轮拟合曲线和曲面的选用 3 2 1 整体叶轮拟合曲线的选用 通过上述对整体叶轮c a d 造型方法的分析，可以发现描述叶轮的数据往往都 是空间离散点，利用传统的解析几何的方法是无法通过这些空间离散点直接生成 所需要叶轮的曲线和曲面的。目前整体叶轮拟合曲线的选用上都是通过样条曲线 来完成的。 一1s 一 沈阳理工大学硕士学位论文 样条曲线在计算机图形学中是指由多段多项式曲线连接而成的曲线，且每段 多项式曲线的端点处都会满足特定的连续条件【2 4 1 。样条曲线在经历了许多人的努 力和多年的研究与发展后先后出现了弗格森样条曲线、孔斯样条曲线、h 锄i t e 样 条曲线、贝奇尔( b 6 z i 们样条曲线、b 样条曲线等，这些样条曲线的引入对复杂曲 面造型的发展起到了巨大的推动作用。 在样条曲线的发展过程中，由于弗格森样条曲线、孔斯样条曲线存在形状控 制和连接的问题，所以已经很少使用。贝奇尔( b 色z i 神样条曲线也同样存在着缺点， 就是当改变控制点时，不仅改变当前的曲线段，而且影响临近的曲线段，因而无 法对曲线段进行修改。为克服这一缺点，人们在1c 1 7 2 。1 9 7 4 年期间又提出了b 样 条曲线，它不但保持了贝奇尔( b 6 z i e r ) 样条曲线的直观性和凸包性等优点外，还可 以进行局部修改，此外它对特征多边形的逼近更为接近，因此，b 样条曲线在应用 中得到了越来越多的引用。 在b 样条曲线的应用中，如果按节点矢量中节点的分布情况的不同来划分 2 5 1 ， 可以把b 样条曲线划分为均匀b 样条曲线、准均b 匀样条曲线和非均匀b 样条曲 线。均匀b 样条曲线在b 样条曲线提出的初期等到了广泛的应用，它虽然没有准 均匀b 样条曲线良好的端点几何性质，但计算简单，计算机处理速度快。由于非 均匀b 样条曲线在计算机计算过程中引入了权因子与分母，会使得计算的过程非 常复杂，综合考虑到这三种b 样条曲线在设计加工中的应用、计算机的处理速度 和本文研究的重点内容( 即数控加工仿真和加工参数的优化) ，所以本文将采用准均 匀b 样条曲线作为整体叶轮的拟合曲线。 根据准均匀b 样条曲线的性质，我们可知到准均匀b 样条曲线的阶次大于等 ：于三时，其内部每一个曲线段都是无限可微的，且内部节点在整个曲线的曲率上 都是连续的特点，为使准均匀b 样条曲线的曲线段光滑，并减少一定的计算量， 本文最终使用三次准均匀b 样条曲线来拟合。 3 2 2 整体叶轮拟合曲面的选用 曲面的表示可以看为曲线表示方法的延伸与扩展，在选好拟合曲线后曲面的 选择就相对容易一些了。根据曲面的形成原理，不难发现在应用中常使用的曲面 不外乎是直纹曲面和非指纹曲面。其直纹曲面指的是曲面由一族但参数直线，即 随一个参数变化的直线沿样条曲线扫略形成，且曲线上每一点都在这族直线上的 一1 6 第3 章基于u g 的整体叶轮参数化建模 曲面，如图3 5 所示。直纹面还可以进一步划分为可展直纹曲面和非可展直纹曲面。 如果直纹曲面上任意两条素线彼此平行或相交，且在同一平面上能无变形的展开 成一个平面，就成为可展直纹曲面，如果不能则成为非可展直纹曲面。 、l ， 图3 5 直纹曲面形成图 如上一节所示，因为准均匀三次b 样条曲线可以非常好的保证准均匀三次b 样条曲线内部各曲线段衔接处的曲率连续，而直纹曲面在t 方向上完全可以保证曲 率的连续，同时直纹曲面在v 方向均为直线，也可以保证曲率的连续，也就是说 采用这种方法得到的直纹益面可以保证它在整个曲面上的曲率连续，所以本文在 整体叶轮造型时使用的曲面为直纹曲面。 根据整体叶轮造型时常使用的直纹曲面的种类，可以将直纹曲面分为下面两 类： ( 1 ) 第一种是通过给定的直线( 母线) 沿着给定的轨迹曲线( 直纹曲面准线) 扫描 来生成直纹曲面的方法，如图3 6 ( a ) 所示。使用这种方法生成的直纹曲面结构简单 明了，且使用计算机计算时速度较快，但其只能生成可展直纹曲面。 ( 2 ) 第二种方法是通过给定两条形状相似的样条曲线( 基线) ，并且要求它们有相 同的次数和同向的节点矢量，如果将这两条曲线上参数相同的节点所对应的节点 按矢量方向用直线连接起来，也可以生成直纹曲面，如图3 6 ( b ) 所示。采用这种方 法生成直纹曲面时，可以按设计者所规定的基线与节点矢量的性质，生成可展直 纹曲面或非可展直纹曲面2 4 1 。 魔 鸯 缝 ( a ) 指纹曲面生成方法一( b ) 指纹曲面生成方法二 图3 6 两种直纹曲面生成方法 1 7 沈阳理工大学硕士学位论文 3 3 整体叶轮数学模型的推导与建立 3 3 1 三次准均匀b 样条理论推导 我们用解析法生成三次空间样条曲线时，其三次参数方程的解析式如下【2 5 ，2 7 】： 尸( “) = 彳 3 + b 甜2 + c k + d o “1 ( 3 1 ) 其中a 、b 、c 、d 都为常数，当对尸 ) 求两次倒数时可以得到 p ( 甜) = 3 彳“2 + 2 b 甜+ c ( 3 2 ) p 。 ) = 6 彳甜+ 2 b 再将p ) 与j p ) 写成矩阵形式，即： p ( “) = ( “3 “2 1 ) ( 么 bc d ) 2 ( 3 - 3 ) p