六聯(lián)動葉片砂帶磨削編程系統(tǒng)的開發(fā)研究

李靜偉 項余建 王隆太

(揚州大學(xué)機(jī)電研究所，江蘇揚州 225127)

目前，國內(nèi)汽輪機(jī)葉片型面最終加工大多仍由手工拋磨完成，其加工效率低，精度難以保證。為改變現(xiàn)有葉片加工工藝現(xiàn)狀，揚州大學(xué)機(jī)電研究所正在開發(fā)研制一款六軸聯(lián)動汽輪機(jī)葉片數(shù)控砂帶磨床，如圖1所示。它包含3個直線運動軸、3個回轉(zhuǎn)運動軸和1根壓力控制軸，可實現(xiàn)對一般扭曲葉片型面的精確磨削加工。

數(shù)控編程是實現(xiàn)葉片砂帶磨削的關(guān)鍵技術(shù)之一。現(xiàn)有的CAD/CAM系統(tǒng)尚不支持上述六軸聯(lián)動的葉片砂帶磨削加工。為此，筆者以VC++為編程語言和UG/OPEN API為開發(fā)工具，根據(jù)葉片砂帶磨削的特點和機(jī)床運動控制的要求，開發(fā)了一套汽輪機(jī)葉片砂帶磨削自動編程原型系統(tǒng)。本文將著重介紹該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、工作原理和相關(guān)技術(shù)的實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及其工作原理

如圖2所示，本系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，由原始參數(shù)輸入、磨削刀位點計算、后置處理、磨削加工仿真、文件管理、數(shù)據(jù)庫以及主控模塊組成。其中，主控模塊包含系統(tǒng)菜單和對話框等用戶操作界面，可控制其他各功能模塊的運行;原始參數(shù)輸入模塊包括葉片三維實體模型、磨削方式、磨削工藝參數(shù)和刀具參數(shù)輸入等;刀位計算模塊負(fù)責(zé)刀位數(shù)據(jù)的計算，包括系統(tǒng)初始化、幾何體及驅(qū)動方式定義、刀觸點與刀位點計算、運動仿真及干涉檢測等;后置處理模塊是將刀位源文件轉(zhuǎn)換為適合磨床工作的NC代碼;磨削仿真模塊對所生成的NC代碼進(jìn)行物理加工仿真以檢驗數(shù)控代碼的正確性，包含機(jī)床刀具庫、磨削環(huán)境生成、磨削事件處理、仿真圖片更新等內(nèi)容;文檔管理模塊負(fù)責(zé)管理編程系統(tǒng)中的各項文檔，包括原始參數(shù)文件、刀具軌跡文件、NC程序文件、錯誤信息文件等。

系統(tǒng)的工作流程如圖3所示:首先在系統(tǒng)內(nèi)建立或調(diào)用葉片三維實體模型;選擇加工型面，定義如驅(qū)動幾何體、磨削方式、磨削刀具、磨削參數(shù)及磨削壓力等磨削參數(shù);計算生成刀觸點和刀位點文件(CLS);進(jìn)行刀具運動軌跡仿真以檢查刀具軌跡的正確性和合理性;讀入機(jī)床文件，根據(jù)機(jī)床數(shù)控指令格式要求對CLS刀位文件進(jìn)行坐標(biāo)變換等后置處理，生成滿足葉片砂帶磨床磨削要求的NC磨削指令;最后建立機(jī)床、刀具和工件的磨削加工環(huán)境，對所生成的NC指令進(jìn)行磨削仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果對不合理的磨削參數(shù)進(jìn)行必要的修改和調(diào)整，以保證所編制的NC數(shù)控指令正確、高效地進(jìn)行磨削加工。

2 砂帶磨削刀位點生成

對于曲面型面砂帶磨削加工的刀位點生成已有較多的研究［2－3］，其主要思路為:①根據(jù)磨削型面和磨削刀具的幾何特征以及給定的磨削走刀方式，計算確定砂帶接觸輪與磨削型面的刀觸點;②為了最大程度地減小磨削刀具與磨削型面的幾何干涉，需計算刀軸矢量，使磨削接觸輪軸線與刀觸點處的磨削型面最小主曲率方向一致;③由已知的刀觸點、接觸輪半徑和刀軸矢量，計算求取最終所需的刀位點坐標(biāo)。

按照上述方法，若從底層開發(fā)獲得葉片型面磨削刀位點，其計算及編程工作量巨大，開發(fā)周期較長。倘若能在現(xiàn)有商用CAD/CAM軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)，將大大減少開發(fā)工作量，縮短開發(fā)周期。因而，本文以UG為開發(fā)平臺，以UG/API為開發(fā)工具，以VC++作為系統(tǒng)的開發(fā)語言，進(jìn)行六軸聯(lián)動汽輪機(jī)葉片砂帶磨削刀位點計算模塊的開發(fā)。

葉片磨削刀位點計算流程如圖4所示，首先調(diào)入葉片三維數(shù)據(jù)模型，定義UG/CAM系統(tǒng)加工環(huán)境;選擇加工模板，定義磨削加工方式;建立葉片磨削加工對象基本組，包括用于管理各類加工作業(yè)、指定CLS刀位文件作業(yè)順序的程序組，為各類加工作業(yè)確定加工余量、加工速度、進(jìn)給量和公差等工藝參數(shù)的方法組，為選定所需加工驅(qū)動方式、定義相關(guān)幾何參數(shù)以及加工坐標(biāo)系的幾何體組，以及負(fù)責(zé)創(chuàng)建或選用所需刀具的刀具組。葉片砂帶磨削刀具可選用鼓形圓周刀具。在定義上述4個基本組基礎(chǔ)上，借用UG/CAM多軸銑加工模式進(jìn)行葉片的磨削加工。最后，系統(tǒng)根據(jù)給定的各類信息，按照系統(tǒng)內(nèi)部刀位點計算機(jī)制，自動計算生成各個磨削刀位點，并存儲于CLS文件。

在上述刀位點計算流程中，所涉及的主要UG/API功能函數(shù)包括:以UF_CAM_init_session()函數(shù)初始化UG/CAM系統(tǒng)，使系統(tǒng)進(jìn)入加工編程環(huán)境;用UF_CAM_opt_ask_types()函數(shù)選擇加工操作類型，本文選用多軸銑方法(mill_multi－axis)進(jìn)行葉片的磨削加工;分別通過 UF_NCPROG_create()、UF_NCMTHD_create()、UF_NCGEOM_create()、UF_CUTTER_create()等函數(shù)創(chuàng)建葉片磨削的程序組、方法組、幾何體組和刀具組，再用UF_CAMGEOM_append_items()函數(shù)將待磨削的葉片型面和驅(qū)動幾何體加入到幾何組;最終以UF_PARAM_generate()函數(shù)計算生成葉片磨削的刀位點文件 (CLS)，如圖5所示。

由圖5可見，葉片磨削CLS刀位文件包含了刀具信息、加工工藝信息以及各個磨削刀位點信息等，其中每個刀位點信息共有9個參數(shù)組成:依次為x、y、z 3個刀位點坐標(biāo)，刀軸矢量在x、y、z軸的3個方向余弦，以及3個刀觸點坐標(biāo)，所包含的刀觸點坐標(biāo)參數(shù)為后置處理時各刀位點法線矢量計算提供了方便。

3 后置處理

上節(jié)計算所獲得的磨削刀位點文件 CLS，是在假定工件不動、刀具相對于工件移動的條件下生成的，如圖6a所示。在實際磨削加工中，要求砂帶接觸輪位于葉片的上方，磨削點(刀觸點)法線方向位于XOZ垂直平面內(nèi)，如圖6b所示。因此，后置處理時首先須對刀位文件CLS中各刀位點信息進(jìn)行相應(yīng)的坐標(biāo)變換。

設(shè)刀位點生成所采用的坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系一致，均為O－xyz，其坐標(biāo)原點O位于葉片小頭端面，Z軸垂直向上，X軸與葉片軸線重合，那么對CLS各刀位點參數(shù)的坐標(biāo)變換僅需繞X軸順時針方向旋轉(zhuǎn)一個α角度，如圖7所示。由圖示的幾何關(guān)系可得:

式中，y01、z01為某刀位點坐標(biāo);y02、z02為相對應(yīng)的刀觸點坐標(biāo)。

若刀位點生成所采用的各坐標(biāo)軸方向與機(jī)床坐標(biāo)系相同，僅坐標(biāo)原點O所處位置不同，那么進(jìn)行坐標(biāo)變換時除了將各刀位點旋轉(zhuǎn)α角之外，還需加上坐標(biāo)原點的平移，其變換矩陣為

式中，l、m、n 分別為 CLS 中各刀位點坐標(biāo)在 x、y、z坐標(biāo)方向的平移量。

設(shè)CLS中某刀位點坐標(biāo)及其相應(yīng)的刀軸矢量和刀觸點坐標(biāo)用矩陣P表示為

則經(jīng)坐標(biāo)變換后新刀位點參數(shù)Q為

經(jīng)上述坐標(biāo)變換后，便得到在六軸葉片砂帶磨床上實際磨削的X、Y、Z三根直線軸坐標(biāo)(x11，y11，z11)，以及旋轉(zhuǎn)軸A軸的角度坐標(biāo)α。

為了最大限度減小磨削干涉，應(yīng)使刀軸矢量與磨削點處的最小主曲率方向一致，還必須利用經(jīng)變換后的刀軸矢量(α1，β1，γ1)計算確定機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸B、C的角度坐標(biāo)。如圖8所示，B、C兩軸角度坐標(biāo)可由下式計算得到:

至此，便可應(yīng)用VC++語言將上述轉(zhuǎn)換過程，按照機(jī)床文件給定的數(shù)控指令格式逐個地將CLS中各刀位點信息轉(zhuǎn)換為實際機(jī)床磨削所需的6個坐標(biāo)值。圖9為經(jīng)后置處理所生成的葉片砂帶磨削NC代碼。

4 葉片數(shù)控砂帶磨削仿真

數(shù)控加工仿真是通過計算機(jī)軟件以可視化圖形對加工過程進(jìn)行仿真模擬，可檢測加工過程中可能存在的欠切/過切、刀具與夾具/機(jī)床的碰撞以及加工超程等非正常加工現(xiàn)象，可對加工程序的合理性進(jìn)行檢驗，對加工過程進(jìn)行優(yōu)化。數(shù)控加工仿真可大大提高數(shù)控編程的一次成功率，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，是提高編程效率與加工質(zhì)量的重要保證。

本文磨削仿真模塊是以第三方仿真軟件VERICUT為軟件平臺進(jìn)行開發(fā)的，借助該平臺所提供的開發(fā)工具建立了葉片砂帶磨削仿真環(huán)境，如圖10所示。由圖示可見，本系統(tǒng)的磨削仿真環(huán)境基本框架是由機(jī)床、刀具、夾具和工件等一個個實體模型組成，包含有一條“機(jī)架－工件”運動鏈和一條“機(jī)架－刀具”運動鏈。機(jī)架－工件運動鏈?zhǔn)且詸C(jī)架為基準(zhǔn)點，可將系統(tǒng)的X、A軸運動經(jīng)夾具傳遞給葉片工件;機(jī)架－刀具運動鏈同樣是以機(jī)架為基準(zhǔn)，將Y、Z、B、C軸的運動經(jīng)主軸磨頭傳遞給磨削刀具(砂帶接觸輪)。

構(gòu)建磨削環(huán)境基本框架后，還需為系統(tǒng)建立加工坐標(biāo)系，定義刀具參考點、對刀點和切入點，配置機(jī)床控制系統(tǒng)，設(shè)定機(jī)床各伺服控制軸運動行程，以建立與現(xiàn)實機(jī)床相一致的虛擬磨削環(huán)境。在上述虛擬磨削環(huán)境內(nèi)，點擊仿真按鈕，仿真系統(tǒng)便逐行讀取數(shù)控加工NC代碼，進(jìn)行磨削加工仿真。通過這樣的仿真模擬，可觀察數(shù)控程序中可能存在的各種磨削運動干涉，以便編程者及時修改或調(diào)整磨削加工參數(shù)，以獲得正確無誤的磨削NC代碼。

5 結(jié)語

本文介紹了筆者所完成的六軸聯(lián)動葉片砂帶磨削編程原型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、刀位點生成、后置處理和磨削加工仿真等相關(guān)技術(shù)。曲面型面的砂帶磨削是一個復(fù)雜的加工過程，所開發(fā)的原型系統(tǒng)尚需經(jīng)實際磨削的檢驗，以通過大量的實際應(yīng)用不斷加以改進(jìn)和完善?？梢韵嘈牛?jīng)過不懈努力最終將會給用戶提供一套功能齊全、使用方便、性能穩(wěn)定的葉片磨削自動編程系統(tǒng)。

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