（机械电子工程专业论文）航发叶片七轴联动数控砂带磨削加工方法及自动编程关键技术研究.pdf

中文摘要 摘要 作为航空发动机的关键零部件，航发叶片具有种类多、数量大、型面复杂、 加工难度大等特点，其加工精度和加工质量对整机的性能和寿命都有着至关重要 的影响。然而，我国的叶片制造企业普遍还采用传统落后的手工磨抛方式进行叶 片的精整加工，严重制约了国防装备整体水平的提升。因此，研制一套经济，高 效，具有自主知识产权的叶片型面自动化磨削加工设备，实现叶片高效、高精度 磨削加工具有切实意义。 数控自动编程系统是叶片数控加工过程中的一个重要环节，它决定了数控加 工设备功能的发挥和加工效率的高低。目前，常用的数控编程软件价格昂贵并且 通用性差，所以编制专用的透平叶片c a d c a m 软件是解决叶片自动化加工的最 佳途径。本课题主要研究航空发动机叶片的砂带数控磨削自动编程技术，旨在于 实现航空发动机叶片的七轴联动数控加工。本文完成的主要研究工作包括： 1 ) 以叶片的c a d 模型为基础，通过对叶片型面分析，获取叶片上点的位置坐 标和法向矢量及曲面的各向法曲率分布等信息，以此为依据并结合砂带磨削特点 来进行刀具轨迹规划，刀触点的拾取，刀具回转轴方向计算、并获得刀位点信息。 2 ) 通过分析航空发动机叶片结构特点，提出了航发叶片进排气边加工技术难 点，对接触轮进行受力分析慰了机床法向轴受力模型，通过分析砂带磨削参数 建立了磨削深度和法向接触力的函数模型，通过提取叶片进排气边缘余量计算各 刀位点处的磨削参数以便实现磨削过程中磨削量的控制，采用有限元法计算叶片 的磨削变形量并对法向轴进给量进行补偿。 3 ) 从研究磨削过程中刀具与工件的相对位姿出发，充分考虑砂带磨削特点，分 析了机床结构特点和各轴的运动形式建立机床的运动学模型，采用d h 法求解各 轴的运动参数。为兼顾机床加工效率和加工质量对机床的进给速度进行了相应的 研究，对砂带磨削加工误差进行校核并作出相应的补偿，根据数控系统特性进行 格式转换生成数控程序。为保证程序的正确性，进行了干涉检查和磨削运动仿真。 4 ) 以u g 为开发平台，采用v c + + 编程语言和u g o p e na p i 二次开发工具， 借助微分几何知识，完成了叶片专用自动编程系统的开发。该系统具备文件输入 输出模块、加工区域划分模块、刀位点及磨削轨迹生成模块、叶片边缘加工余量 提取模块、后置处理模块和加工仿真模块六大模块，由用户导入叶片模型并输入 相应的加工参数即可实现数控程序的自动生成和砂带磨削加工仿真。 关键词：航空发动机叶片，砂带磨削，数控加工编程，刀具轨迹，后置处理 重庆大学硕士学位论文 i i a b s t r a c t t o l l o w i n gag r e a tp r o s p e r i t yi nt h ea v i a t i o ne n g i n e si n d u s t r i e s ，t h ea p p l i c a t i o no f a l l r c 础e n g m eh a si n c r e a s e dd r a m a t i c a l l yi nr e c e n td e c a d e s mi n d u s 仃i a ld e m a n d sf o r b l a d e s 尬l v ea l s o g r e a t l yi n c r e a s e db e c a u s et h e ya r et h ev i t a l c o m p o n e m si l lt 1 1 e a b o v e 。m e n t i c 。n e de q m p m e m s t h e r ee x i s tag r e a tv a r i e t yo fd i f f e r e n tt y p e so fb l a d e s 呲v a n o u 呲o m p l e xs u r f a c e s ，w h i c ha r ev e r yd i f f i c u l tt om a c h i n e t h ed e s i g n i n gl e v e l a n dm a n u f a c t u r i n g q u a l i t yo fb l a d es u r f a c e sh a v eg r e a ti 1 1 n u e n c e so nm e 、v o r k j n g e 瓶c i e n c ya n ds e r v el i f eo ft h ea b o v ee q m p m e n _ t s h o w e v e r ，t h eb l a d em 籼f a c t u r e e n t e 呷s e1 sa l s ou s e dt h et r a d i t i o n a lm a n u a lw a yo fb l a d ep r e c i s i o nf i n i s l l i i l gi no u r c o t m 枷c hs e r i o u s l yr e s t r i c t e dt h e p r o m o t i o no fn a t i o n a ld e f e n s ee q u i p m e n t ，s o v e r a l ll e v e l t h e r e f o r e ，i th a s p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et od e v e l o pas e to fa u t o m a t i c g n n d i l l ”q m p m e n tw i t hh i g he f f i c i e n c y , e c o n o m i c a l ，p r o p r i e t a r yi n t e l l e c 删p r o p e n y r i g h t s ，t or e a l i z eg r i n d i n gw i t hh i g te f f i c i e n c y , h i g h p r e c i s i o n 1 乙n 乙a n t o p r o g r a m m i n gs y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r to ft h e p r o c e s so fb l a d e m a c h l i l l l l g ，w h i c hd e c i d e st h ee f f i c i e n c yo fm a c h i n i n ge q u i p m e n t a tp r e s e n t ，c o l l l l l l o n u s e dc a ms o f l w a r e sa l en o to n l ye x p e n s i v e ，b u t a l s on o ts u i t a b l ef o rb l a d e s ow e d e v e j 叩c u s t o 删z e dc a d c a ms o f t w a r ef o rt u r b i n eb l a d ei st h eo p t i m a l w a yt or e a l i z e b l a d em a c h 谕n g t h em a i n r e s e a r c hi n m yt o p i ci st h e t e c h n o l o g yo fc n c a u t o 。p m g r a m m i n gi na b r a s i v eb e l tg r i n d i n g ，t h em a i ni d e ai st or e a l i z en cm a c h j 山g t h em a l nc o n t e n t si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w i n g ： 1 ) u n d e rt h ea s s i s t a n c eo fc a dm o d e l so f b l a d e ，w ec a ng e tt 1 1 ei i 曲胁a t i o ns u c h a st h ec o o r d i n a t e so f p o i n ta n dn o r m a lv e c t o ro f a n yp o i n tl o c a t i n go nt h et h eb l a d e 觚d a l s om c l u d i n gs o m eg e o m e 仃i c a lc h a r a c t e r i s t i c so n t h es u r f a c eb ya n a l 嘞gt 1 1 es u 】舭e o 士- b l a d e ，b a s e qo nw h i c hw ec a r r yo u tt o o l - p a t hp l a n n i n g ，p i c k i n gu pc u r e rc o n t p 0 1 ma 1 1 dc u t t e rl o c a t i o nd a t a , c a c u l a t i n gt h ed i r e c t i o no f w h e e lg y r o a x i s 淅t h 铲i i l d i l l g c h a r a c t e r i s t i co fa b r a s i v eb e l t 。 2 ) w ep r o p o s e dm a c h i n i n gt e c h n o l o g yp r o b l e mi ni n l e te d g ea n de x h a u s te d g eo f a l r c r a f tb l a d e ，b u i l dt h en o r m a la x i s m e c h a n i c a lm o d e lb ya n a l y z i n gt h es t m c 妣d f e 栅e s b u i l dt h e g r i n d i n gd e p t ha n dn o r m a lg r i n d i n gf o r c e f u n c t i o nm o d e lb y a 1 1 a l y z i n ga b r a s i v eb e l tc h a r a c t e r c a c u l a t et h eg r i n d i n gf o r c ei nc u t t e rc o r 慨tp o i n tt o c o n 缸0 lt h e g r i n d i n gf o r c ed u r i n gt h ep r o c e s sb yp i c k i n g u pm a c l l i n i l l ga 1 1 0 w a l l c e ， i l l 重庆大学硕士学位论文 c o m p e n s a t ef o rn o r m a la x i sl o c a t i o nb yc a c u l a t i n gg r i n d i n gs t a t i cd e f e c t i o nt h r o u g h f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 3 ) t a k ef u l lc o n s i d e r a t i o nt h ec h a r a c t e ro fa b r a s i v eb e l tg r i n d i n g ，s t a r t i n gf r o m r e s e a r c h i n gt h er e l a t i v ep o s i t i o na n dp o s eb e t w e e nt o o la n dw o r k p i e c ei ng r i n d i n g a n a l y z e dt h em a c h i n es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i ca n dm o t i o n o fe a c ha x i s ，b u i l dt h e k i n e m a t i c sm o d e l ，s o l v e dm o t i o n p a r a m e t e r sw i t hd hm e t h o d t a k er e s e a r c ho n m o v e s p e e d o fm a c h i n ea x i sf o r h i g he f f i c i e n c ya n dh i g hq u a l i t y c h e c k t h e m i s m a c h i n i n gt o l e r a n c ea n dm a k er e l e v a n tc o m p e n s a t i o n c o n v e r tt h ef o r m a ta n d g e n e r a t en cc o d eb yc n cc h a r a c t e r g u a r a n t e et h ee x a c t n e s s ，w ec a r r yo u ti n t e r f e r e n c e c h e c k i n ga n dm o t i o ns i m u l a t u i o n 4 ) a su g f o rp l a t f o r m ，w ea d o p tv c + + p r o g r a m m i n g l a n g u a g ea n du g o p e na p i f o r t h er e - d e v e l o p m e n tt 0 0 1 w i t ht h eh e l po fd i f f e r e n t i a lg e o m e t r yk n o w l e d g e ，w e f i n i s h e dt h ea i r c r a f tb l a d ed e v e l o p m e n to fc n ca u t o p r o g r a m m i n gs y s t e mw h i c hh a v e s i xm a i nm o d u l e s ，s u c ha si n p u ta n do u t p u tm o d u l e ，m a c h i n i n ga r e ad i v i s i o nm o d u l e ， c u t t e rl o c a t i o na n dg r i n d i n gt o o l p a t hg e n e r a t i o nm o d u l e ，b l a d ee d g em a c h i n i n g a l l o w a n c ep i c k i n gu p m o d u l e ，p o s t p r o c e s s i n gm o d u l ea n dm a c h i n i n gs i m u l a t i o n m o d u l e t h es y s t e mc a l lr e a l i z ea u t o - g e n e r a t i o no fn cc o d ea n da b r a s i v eb e l tg r i n d i n g m a c h i n i n gs i m u l a t i o nw i t hm a c h i n i n gp a r a m e t e r sa n db l a d em o d u l ei n p u tb yu s e r s k e y w o r d s ：a e r oe n g i n eb l a d e s ，a b r a s i v eb e l tg r i n d i n g ，n cp r o g r a m ，c u r e rp a t h ， p o s t p r o c e s s o r i v 1 绪论 1 绪论 1 1 选题背景 航空发动机是飞机的“心脏”，是决定飞机性能的关键部件，而叶片又是航空发 动机的最关键部件之一。叶片型面是一种复杂的空间自由曲面，几何精度要求较 高；一般情况下叶片采用铝合金或钛合金材料制作，不易切削；而且叶片是薄壁 零件，加工时容易变形；有些叶片中部带有阻尼台，加工时刀具容易与叶片主面 干涉。因此，航空发动机叶片的加工难度较大。 航空发动机叶片作为发动机的核心部件之一，它起着将蒸汽的动能转换为机 械能的作用。在航空发动机制造中各类叶片所占比重约3 0 。发动机的性能很大 程度上取决于叶片型面的设计和制造水平【l j 。叶片在发动机中的功能使命及其工作 特点，决定了叶片是发动机中形状复杂( 自由曲面) 、尺寸跨度大、受力恶劣、承载 大的零件。它在高温、高压和高速状态下运转，通常需要合金化程度很高的热强 钢、钛合金以及高温合金等材料制成：为满足发动机高性能、工作安全性、可靠 性以及寿命的要求，叶片又必须具有精确的尺寸、准确的形状和严格的表面完整 性。因此叶片的制造技术是机械制造业中最复杂的技术之一。 目前国内航空发动机风扇和压气机叶片的制造正从普通机床加工向数控加工 转变。但由于薄壁叶片加工存在较大的变形问题，这类叶片精加工余量仍然采用 手工抛光方法来去除，并靠截面样板来保证叶片气动形状。由此导致的主要问题 是：叶片的波纹度和截面形状精度难以控制，严重影响发动机的气动性能；叶片 之间一致性差，影响发动机的动平衡性能；叶片内应力超过设计要求、表面完整 性难以保证，影响发动机的运行寿命【2 1 ；制造周期长，难以满足新机研制的需求。 钛合金叶片的型面、凸肩和进、出气边的加工是叶片加工中的难点，因为用传统 砂轮抛光的方法来去除叶片材料，难以达到设计图纸的要求，很容易产生过热烧 伤现象，同时伴随较大的变形，而且抛光后的叶型波纹度较大，轮廓一致性不好， 影响发动机的性能【3 j 。 航空发动机叶片的主型面为是复杂空间自由曲面，其几何数据是根据流体力 学或气动力学原理，经过复杂计算、分析及试验修正而得。制造出最佳几何精度 和表面粗糙度的叶片型面对于提高航空发动机的工作效率具有重要的意义。而加 工方法的研究将有助于提高该类零件的加工精度和效率，航发叶片、汽轮机叶片 等传统的加工方法是经过铣床初加工，然后加上大量的人工修磨来完成的，此方 法费时费力，且精度难以保证【4 j 。砂带磨削同时兼有磨削和抛光的双重作用，其工 艺灵活性和适应性非常强，在曲面加工中可以充分发挥其加工效率高、表面质量 重庆大学硕士学位论文 加工好的优良性能，加上砂带磨削具有弹性磨削的特点、在曲面型面平滑过渡方 面有很好的拟合效果。对于复杂曲面，特别是诸如航空发动机叶片、汽轮机叶片、 船用螺旋桨、水轮机叶片等高表面质量要求的复杂曲面零件加工，砂带磨削是非 常有效的加工手段【5 j 。 航空发动机叶片型面作为复杂空间自由曲面，难以用解析法来描述，在几何 造型中常用c o o n s 、b e z i e r 、和b 样条曲线等数学方法来表示。叶片主型面在”向 和v 向均产生扭转弯曲，在对其曲面进行磨削加工时，需要x 、y 、z 三个直线运 动轴的以保证刀具能够到达叶片型面的所有位置；同时需要a 轴和b 轴两个旋转 轴来适应u 向和v 向的曲率的变化；由于航发叶片的型面曲率变化大，考虑到砂带 接触轮为轮形工具，需要增加c 轴用于控制接触轮的轴线矢量方向。因此，采用 六轴联动方式即可实现航发叶片型面的数控加工。另外，由于航发叶片壁薄、变 形大，需采用恒压力磨削工艺对其进行磨削加工，即通过增加主法线轴n 的运动 来控制当量磨削深度。因此，为解决航空发动机叶片进、出气边加工变形、效率 低、精度差、表面质量难以保证等问题，采用七轴联动数控砂带磨削是行之有效 的方法。 航空发动机叶片加工的一般工艺流程为：选择毛坯件，毛坯一般为二级锻 件；毛坯去料加工；叶片粗加工；对基准面精加工；试切；精加工； 研磨；抛光。叶片属于薄壁类零件，加工极易产生变形，而且叶片边缘是由 多个位于相互平行的平面上、半径为0 1 9 - 4 ) 4 9 m m 的圆弧构成的直纹曲面，直纹 曲面的圆弧半径很小，曲率变化很大，加工质量难以保证。因此，研究航空发动 机叶片进、出气边的数控砂带磨削加工方法具有现实意义。 实现叶片的数控加工编程需要进行前处理( 曲面造型、刀位数据计算) 和后置处 理( 刀位数据生成c n c 程序、确定加工手段等) 两个步骤。由于叶片型面的复杂性， 其刀位计算是实现叶片数控加工的难点之一。对于多轴铣削加工，可利用 c a d c a m 软件自带的前、后置处理模块自动生成刀位数据文件，进行仿真加工以 校验其正确性。目前国内外的c a m 软件主要是针对车削、铣削、钻削等常用的加 工方法，尚未有商品化的针对复杂曲面砂带磨削数控加工编程与仿真业软件。磨 削加工方式与铣削截然不同，很难利用现有的铣削、钻孔、车削等编程模块进行 移植。由于目前常用的数控编程软件价格昂贵并且通用性差，因此，研究开发航 空发动机叶片砂带磨削专用数控加工及仿真软件具有重要的实用价值睁8 1 。 1 2 航发叶片的加工现状 1 2 1 航空发动机叶片加工的研究现状和发展趋势 我国航空发动机的研制近年来取得了重大突破，已经逐步实现了为战斗机安 2 1 绪论 装国产的航空发动机，图1 1 为航空发动机结构及某级航空发动机动叶片。作为国 家中长期科学与技术发展纲要和十一五规划纲要的重点攻关技术项目，国产大飞 机的研究计划也正在如火如荼的开展。由于大飞机发动机上所安装的叶片的加工 要求高、加工难度大，其中叶片的精整加工问题成为我国大飞机发动机制造技术 上的难点之一。 图1 1 航空发动机及叶片 f i g 1 1k u n l u na i r c r a f te n g i n ea n di t sb l a d em a d ei nc h i n a 目前我国的航空发动机在发动机硬件和控制系统两方面都比较落后于西方水 平，具体表现在以下几个方面：设计、材料、工艺等。这也导致我们的航空发动 机寿命短、耗油率大，稳定性差【9 】。国外生产发动机的著名厂家有通用电气公司、 罗尔斯罗伊斯公司、普拉特惠特尼发动机公司、c f m 国际公司、国际航空发动机 公司，这些公司生产的发动机机技术水平先进、性能可靠、产品质量好。但是， 这些厂家的发动机产品价格也比较昂贵，尤其是军工产品对我国技术封锁还比较 严重。随着我国经济的迅速发展，为满足国防现代化的需要，对发动机机的需求 在数量和质量上都呈上升趋势。这对发动机机行业的发展即是机遇又是挑战【1 0 】。 我国发动机行业的设计制造水平，虽然经过多年的不断更新和发展，但是同 国外著名的厂家相比，许多方面仍然有差距【1 1 1 2 】。尤其是在发动机的制造加工方 面，与国外的先进加工工艺还存在很大的差距。因此，提高设计和制造水平，是 推动我国发动机行业腾飞的基础和关键。 近几年飞机发动机的发展有以下的趋势，可以归纳为以下几点： 轻量化、整体化、新型冷却结构制造技术向低成本、高效率方向发展【1 3 】； 新材料构件制造技术出现较大突破，航空发动机要求材料具有耐高温、高 强度、高韧性等特性。高性能发动机拟采用很多种类的新材料和新材料构件，尤 其是金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳碳复合材料是当前高温复合材料领域 开发和应用研究的热点。与其同时进行的高温复合材料构件制造技术正在深入地 重庆大学硕士学位论文 发展。 新工艺技术成为现代航空发动机发展的重大关键制造技术，并得到广泛应 用：先进精密毛坯制造技术向近无余量成形方向发展【1 4 1 。 在传统制造技术基础上发展起来的先进制造技术已成为支撑现代制造业的 骨架和核心。 当前飞机发动机从涡喷系列发动机逐步发展到涡扇系列发动机，叶片型面越 来越复杂，呈叶身扭曲弯度趋大，叶弦趋宽、叶身趋薄、前掠加大等特点。此种 叶片复杂曲面的形成原理复杂，加工困难，加工精度不易保证。加工叶片的刀具 比一般机械加工选用刀具要考虑更多的因素。叶片材料由铝合金、不锈钢发展为 钦合金高温合金以及新型复合材料，呈现硬度高、韧性大，让刀严重，加工过程 中刀具磨损快，加工表面变形程度大等特点，材料切削加工性也决定了新型发动 机的加工难度相当大。目前航空发动机叶片常用的加工方法主要有： 仿形法：采用仿形法【1 5 】加工飞机发动机叶片，在加工原理上与其他仿形加 工方法一样，首要根据飞机发动机叶片的型线方程来计算、设计和制造靠模板。 然后以靠模板为基运用仿形原理，加工出符合要求的叶片。在加工过程中，靠模 板随着使用会出现磨损加之靠模加工方法本身的精度不是很高，这样导致加工后 的叶片误差较大。所以加后一般都需要对叶片进行人工修型、抛光。这样不但加 工效率低而且加工质量难以保证。仿形法一般只能用于加工相对固定的叶片型线 1 6 1 ，不适合于目前多品种小批量的叶片加工。 数控加工方法：数控技术是计算机技术在机械制造领域的一种典型应用。 它所具有的高精度、高柔性、高效率等优点现在己被人们广泛认可。随着数控技 术在生产中的广泛应用，传统机械工业的产业结构和生产模式发生了深刻的革命 性的变化。近年来，国内外己经有不少厂家用数控刨床、数控车床、数控铣床等 数控机床加工出多种型号的飞机发动机叶片，但是绝大多数为叶片粗加工或半精 加工。叶片的最终制造工序仍然要靠人工抛磨来加以实现。数控加工的产品种类 多、精度高，互换性好；同时加工效率高，操作简便。这些优点使得数控加工方 法成为飞机发动机叶片加工的必然趋势【l 。 1 2 2 自由曲面零件数控加工技术的研究现状 传统复杂曲面零件的加工往往通过仿形加工或以手工打磨，如图1 2 所示，加 工周期长，劳动强度大，零件精度得不到保证。自上世纪7 0 年代，随着计算机技 术和电子技术的不断进步，先进得数控机床和多轴加工中心被广泛应用于曲面零 件加工领域，使曲面零件的加工效率大大提高，加工范围得到扩大，加工精度得 到保证。在曲面加工数控机床种类方面，除了常见的三轴、四轴联动数控机床之 外，还有五轴、六轴联动数控机床，以及并联和混联机床等。多轴联动数控机床 4 1 绪论 是应用范围最广，技术难度最大的数控加工技术之一，它集计算机控制、高性能 伺服驱动和精密m - v 技术于一体，是加工连续、平滑、复杂曲面的有效手段1 8 】。 多轴联动数控技术作为一个国家生产设备自动化水平高低的标志，因而研制多轴 数控加工设备对国家科技力量和综合国力的提高有着重要的意义。 图1 2 手工打磨叶片 f i g 1 2g r i n d i n gb l a d eb yh a n d w o r k 国外的叶片精整加工生产线普遍采用数控加工技术，其尺寸精度比手工抛磨 高4 个等级以上，所加工的叶片一致性好，生产效率高。这些加工中心多采用串 联结构，通过多轴联动实现叶片的精整加工。以下对几个有代表性的国际大型企 业的叶片加工机床的构型及加工能力进行对比研究。 作为砂带磨削抛光行业的领导者，德国m e t a b o 公司在表面精整加工领域拥有 五十多年的理论研究和实际加工经验。图1 3 为该公司研制的六轴五联动数控叶片 砂带磨床，该机床有仿形磨削、恒压力磨削和n c 磨削等三种加工方式，能够对叶 片等复杂曲面进行精整加工。叶片模型的数据信息通过一个多坐标测量头测得， 并根据测得的信息自动编制加工轨迹程序，生成数控指令。 意大利的c b f e r r a r i 公司研制了a 1 7 5 型五轴联动高精度立式数控加工中心， 该加工中心可适用于各种叶片的加工。该公司研制的m y l 3 型五轴联动叶片抛磨 机床利用3 d 激光扫描仪测量叶片并进行叶片模型的三维分析。 瑞士w i l l e m i n 公司研制了w 5 1 8 t b 和w 5 2 8 t b 两种不同型号的五轴涡轮叶片 加工中- t l , ，机床结构如图l 。4 所示。为保证线性运动轴的运动精度，该加工中心采 用了超精密滚柱轴承以及线性导轨，分辨率达0 0 0 1 m m 。 重庆大学硕士学位论文 图1 3m e t a b o 六轴数控叶片砂带磨床图 f i g 1 3s i xa x i sn ca b s t r a c tb e l tg r i n d i n gm a c h i n e f o rb l a d eb ym e t a b o 图1 4 瑞士w i l l e m i n 公司的五轴加工中心 f i g 1 4m y l 3f i v ea x i sm a c h i n i n gc e n t r eb y s w i t z e r l a n dw i l l e m i n 国内叶片加工机床的开发起步较晚，但近年来发展较快。重庆三磨海达磨床 有限公司于2 0 0 8 年初研制出了一台具有自主知识产权的六轴联动数控砂带磨床 2 m y 5 5 2 0 0 6 n c ，如图1 5 所示为机床结构及该机床在东汽叶片车间的加工现场。 该磨床以砂带为磨具，叶片被夹持在位于x 方向移动工作台上的可转动夹具与专 用顶尖中，实现a 轴全程回转，b c 轴双摆角强力精密砂带磨头安装在y z 向运 动的立柱上。根据不同叶片曲面的构成特点，采用全数控六轴联动编程方式可自 动对工件表面进行粗磨、精磨和抛光加工。该机床自2 0 0 8 年1 0 月在东汽临时叶 片车间开始工程试用，先后实现了4 0 英寸、4 3 英寸和5 7 英寸叶片的磨削工艺及 实验验证，证明该机床具有良好的磨削刚度、精度和可靠性。 图1 5 三磨海达生产的2 m y 5 5 2 0 0 6 n c 六轴联动砂带磨床在东汽叶片车间加工现场 f i g 1 5d o n g f a n gb l a d ew o r k s h o pp r o c e s s i n gs i t eo f2 m y 5 5 2 0 0 6 n cs i xa x i sl i n k a g ea b s t r a c tb e l t g r i n d i n gm a c h i n eb ys a m h i d a 2 m y 5 510 0 b 6 n c 七轴六联动高精度叶片砂带磨床是重庆三磨海达磨床有限 公司自主研制的专用于航空发动机或汽轮机叶片型面高效与精密加工七轴六联动 6 1 绪论 加工设备，具有多项独立自主知识产权。该设备具有刚性好、精度高、灵活性强、 响应快、加工效率高、加工表面质量好的特点，该机是针对由不锈钢、镍基高温 合金或钛合金等难加工材料组成的复杂型面叶片高效率加工的理想设备。在功能 上可用于铣削后粗磨、精磨和抛光处理。如图1 6 所示为该机床在上海汽轮机厂加 工现场及叶片加工效果。 图1 6 三磨海达为上海汽轮机厂生产的2 m y 5 5 1 0 0 6 n c 七轴六联动砂带磨床及加工的叶片 f i g 1 6s t pw o r k s h o pp r o c e s s i n gs i t eo f2 m y 5 5 2 0 0 6 n cs e v e na x i ss i xl i n k a g ea b s t r a c tb e l t g r i n d i n gm a c h i n eb ys a m h i d aa n dp r o c e s s i n ge f f e c t i v e n e s so ft u r b i n eb l a d e 工业机器人在自动化磨削系统中的广泛应用得力于机器人技术的迅速发展及 工业机器人控制精度的不断提高。基于机器人的自动化磨削系统具有灵活性好、 通用性强、造价低等优点。代表性的机器人磨削加工系统有芬兰o r a s 公司的水 暖管件系统、美国g e 公司的汽轮机叶片磨削系统以及图1 7 所示的希腊z e n o n 公司的叶片修复机器人磨削系统等【1 6 j 。 廊坊智通机器人公司是国内率先开始研究机器人磨削系统的高科技企业之 一。图1 8 为该公司开发的机器人抛磨系统，该系统包括a b b 工业机器人、磨抛 机构、交互式磨抛系统软件、三维测量系统等，可实现复杂形状工件的自动化磨 削抛光。 7 重庆大学硕士学位论文 图1 7z e n o n 公司机器人磨削系统 图1 8 廊坊智通机器人磨削抛光系统 f i g 1 7r o b o tg r i n d i n gs y s t e mb yz e n o nf i g 1 8r o b o tg r i n d i n gs y s t e mb yl a n g f a n gz h i t o n g 上述提及的各类先进的多轴联动数控机床和机器人磨削抛光系统为曲面型面 零件的铣削加工和磨削加工提供了较好的工具手段，使曲面零件的加工精度、加 工效率以及整个加工工艺上了一个新台阶。 1 3 自由曲面数控编程技术的发展及应用 1 3 1 自由曲面数控加工自动编程技术的研究现状 在曲面型面c a d c a m 技术方面，美国波音飞机公司f e r g u s o n 早在1 9 6 3 年就 提出了曲线曲面矢函数表示方法，最早定义y - - 次参数曲线曲面；1 9 6 7 年美国麻 省理工学院c o o n s 提出了由四条给定边界定义一块c o o n s 曲面片；1 9 7 1 年法国雷 诺汽车公司b e z i e r 提出了由控制多边形所定义b e z i e r 曲线曲面，通过控制顶点的 改变就可以方便的修改曲线的形状，由于b e z i e r 曲线曲面简单易用，解决了曲线 曲面整体形状控制问题，广为人们所接受。随着应用数学和c a d c a m 技术的发 展，在s c h o e n b e r g 、m a n s f i e l d 、d e b o o r 和c o x 所提出的b 样条理论基础上，由 w g o r d o n 和r i e s e n f e l d 于上世纪7 0 年代中期提出了b 样条曲线曲面，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，具有较强的几何造型能力，它比b e z i e r 方法更具一般性，b e z i e r 曲线曲面 可被看作为b 样条曲线曲面的一种特例。 v e r s p r i l l e 于1 9 7 5 年在他的博士论文中，首先提出了非均匀有理b 样条n u r b s 概念。至上世纪8 0 年代末，n u r b s 发展成为最为流行的曲线曲面造型技术。 n u r b s 对标准的解析曲线( 如圆锥曲线等) 和自由曲线提供了统一的数学描述，既 保留了b 样条曲线曲面的节点插入、分割以及控制点的修改等技术，而且还可通 过权因子的修改来改变曲线曲面形状的能力。目前，如u g 、c a t i a 、p r o e 等著 名的几何造型系统均采用n u r b s 作为系统内部曲面造型的主要表示形式。 1 绪论 在面向曲线曲面专用c a d c a m 系统的开发方面，目前大致由如下两种开发 方法。 其一，以现有商品化c a d c a m 软件系统为平台进行二次开发。目前所流行 的商品化c a d c a m 软件系统，如u g 、p r o e 、c a t i a 等，均为用户提供了丰富 的二次开发的工具和接口。用户可以利用这些工具和接口，开发研制出具有专门 功能的曲线曲面造型以及数控加工编程等专用的应用软件系统。这些专用应用系 统的基本功能可以通过商品化软件所提供的接口函数来实现，可充分利用现有商 品化c a d c a m 系统的资源，使整个应用软件开发周期短，开发工作量小。这种 c a d c a m 应用系统的开发方法的不足之处是，开发者需要熟练掌握商品化系统二 次开发工具和接口，没有自己的独立软件版权。 其二，自主开发具有自主知识产权的c a d c a m 应用软件系统。这种开发方 法不依赖现有的商用c a d c a m 软件，即根据应用系统的功能需求和基本造型方 法，如c o o n s 曲面法、b e z i e r 曲面法、b 样条和n u r b s 等曲线曲面造型方法，应 用如v c + + ，v b 等编程语言，自行开发能满足自身要求的c a d c a m 软件系统。 这种c a d c a m 应用软件开发方法的优点是，系统结构简洁，运行效率高；其不 足之处是，要求开发者熟练掌握开发编程语言和基本造型理论，系统开发工作量 大，开发周期长。 数字控制技术是一种自动控制技术，在制造业中主要是指在生产过程中采用 数字信息实现自动控制和操纵运行机床，实现加工过程的自动化【1 9 1 。2 0 世纪5 0 年代，随着计算机技术的发展，就出现了计算机数字控制，并迅速发展和应用， 与计算机辅助制造系统的其他环节组成一体化。1 9 5 2 年，美国的p e r s o n 公司与麻 省理工学院( m i t ) 合作研制出了的一台三坐标数控铣床，为了解决数控机床的编程 问题，美国空军与m i t 合作于第二年研制成了a p t 系统，从此便开始了数控加工 和数控编程的发展进程。 目前，对自由曲面的自动编程技术的研究多为对刀具路径生成方法的研究。 y o u n g - k e u nc h o i 等对贝赛尔自由曲面的多轴加工的刀具路径生成方法进行了研 究，此方法包括两个核心的部分。首先f o r w a r d s t e p 功能，它决定着已给定公差的两 个刀触点的最大距离，第二是s i d es t e p 功能，它决定着已给定残留高度的两个相 邻刀具路径的最大距离。他们利用贝赛尔曲线曲面生成了刀触点和刀位点数据文 件。经实施，此算法效率很高，同时可以应用到所有连续的参数线曲面 2 0 2 1 1 。i l a z o g l u 等在他的论文中提出了决定自由曲面全局最佳刀具路径的一种新方法，它 不同于商业化的c a m 系统中仅仅几何学的计算分析。这个新的优化处理方法包括 对铣削加工的刀具路径生成。这个刀具路径最优化算法提出的是切削力的最小化 逼近【2 2 j 。d c h y a n g 等在他们的论文中的参数空间中对t r i m m e d 边界的二维重新 9 重庆大学硕士学位论文 参数化的三种方法进行了比较，分别是c o o n s 、l a p l a c e 和一个新的d e v e l o p e d b o u n d a r y b l e n d i n g 方法，通过比较它们的表面参数化和刀具路径的生成算法，发现 c o o n s 算法相对简单，但是当边界比较复杂时则会出现异常，l a p l a c e 算法是健壮 的，但相对计算时间长同时也存在着等参数的分布不均匀问题，而d e v e l o p e d b o u n d a r y b l e n d i n g 方法解决了以上两种算法所存在的问题四 2 4 j 。 国外曲面数控加工及编程技术经过三十多年的发展，已广泛应用于机械、电 子、航空、航天、汽车、造船等许多行业。迄今，国外己经出现不少商品化软件， 较著名的有美国p t c 公司的p r o e n g i n e e r ，e d s 公司的u n i g r a p h i c s ，美国e d s 公 司的u g 软件，英国d e l c a m 公司的p o w e r m i l l ，法国m a t r a 公司的e u c l i d 及s t r i m 软件，s d r c 公司的i - d e a s ，法国达索公司的c a t i a ，m a t r a 公司的e u c l i d ， a u t o d e s k 公司的m d t ( a u t o d e s km e c h a n i c a ld e s k t o p ) ，m a s t e r s e r i e s 公司的 m a s t e r c a m ，c n c 公司的s u f f c a m ，以色列的c i m a t r o n 9 0 ，以及s o l i d w o r k s 和s o l i d e d g e 等都具有曲面造型与数控加工模块1 2 5 2 6 j 。 1 3 2 我国的数控自动编程技术的研究现状及应用 我国数控加工及编程技术的研究起步较晚，其研究始于航空工业的p c l 数控 加工自动编程系统s k c 1 。在此基础上，以后又发展了s k c 2 、s k c 3 和c a m 2 5 1 数控加工绘图语言，这些系统没有图形功能，并且以2 坐标和2 5 坐标加工为主。 我国从“七五”开始有计划有组织地研究和应用c a d c a m 技术，引进成套的 c a d c a m 系统，首先应用在大型军工企业和研究所，航天航空领域也开始应用， ，虽然这些软件功能很强，但由于价格昂贵，并且操作复杂，专业性要求高，难以 在我国推广普及。“八五”又引进了大量的c a d c a m 软件，如：e u c l i d i s 、u g 、 c a d d s 、i - d e a s 、p r o e n g i n e e r 等，以这些软件为基础，一些重点高校和研究所 都进行了一些二次开发工作，也取得了一些应用成功，但进展比较缓慢。 我国在引用c a d c a m 系统的同时，也开展了自行研制工作。蔺小军等提出 了一种螺旋桨叶数控加工编程的新方法，他利用了螺旋桨叶的“螺旋”特性来对桨叶 螺旋面进行数控编程。该方法编程方便简单，程序数量少，很大的提高了加工表 面质量和加工效率【2 7 1 。孙全平等提出了适合高速铣削面向复杂曲面的三轴精加工 可