李靜偉 項余建 王隆太

(揚州大學機電研究所，江蘇揚州 225127)

目前，國內汽輪機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，揚州大學機電研究所正在開發(fā)研制一款六軸聯(lián)動汽輪機葉片數(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)葉片砂帶磨削的關鍵技術之一?，F(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，根據葉片砂帶磨削的特點和機床運動控制的要求，開發(fā)了一套汽輪機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)的結構組成、工作原理和相關技術的實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)結構組成及其工作原理

如圖2所示，本系統(tǒng)采用模塊化結構，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;刀位計算模塊負責刀位數(shù)據的計算，包括系統(tǒng)初始化、幾何體及驅動方式定義、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代碼進行物理加工仿真以檢驗數(shù)控代碼的正確性，包含機床刀具庫、磨削環(huán)境生成、磨削事件處理、仿真圖片更新等內容;文檔管理模塊負責管理編程系統(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)內建立或調用葉片三維實體模型;選擇加工型面，定義如驅動幾何體、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;讀入機床文件，根據機床數(shù)控指令格式要求對CLS刀位文件進行坐標變換等后置處理，生成滿足葉片砂帶磨床磨削要求的NC磨削指令;最后建立機床、刀具和工件的磨削加工環(huán)境，對所生成的NC指令進行磨削仿真，并根據仿真結果對不合理的磨削參數(shù)進行必要的修改和調整，以保證所編制的NC數(shù)控指令正確、高效地進行磨削加工。

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。

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軟件基礎上進行開發(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，進行六軸聯(lián)動汽輪機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，首先調入葉片三維數(shù)據模型，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、進給量和公差等工藝參數(shù)的方法組，為選定所需加工驅動方式、定義相關幾何參數(shù)以及加工坐標系的幾何體組，以及負責創(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個基本組基礎上，借用UG/CAM多軸銑加工模式進行葉片的磨削加工。最后，系統(tǒng)根據給定的各類信息，按照系統(tǒng)內部刀位點計算機制，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，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，所包含的刀觸點坐標參數(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，如圖6b所示。因此，后置處理時首先須對刀位文件CLS中各刀位點信息進行相應的坐標變換。

設刀位點生成所采用的坐標系與機床坐標系一致，均為O－xyz，其坐標原點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)的坐標變換僅需繞X軸順時針方向旋轉一個α角度，如圖7所示。由圖示的幾何關系可得:

式中，y01、z01為某刀位點坐標;y02、z02為相對應的刀觸點坐標。

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

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

設CLS中某刀位點坐標及其相應的刀軸矢量和刀觸點坐標用矩陣P表示為

則經坐標變換后新刀位點參數(shù)Q為

經上述坐標變換后，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(x11，y11，z11)，以及旋轉軸A軸的角度坐標α。

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

至此，便可應用VC++語言將上述轉換過程，按照機床文件給定的數(shù)控指令格式逐個地將CLS中各刀位點信息轉換為實際機床磨削所需的6個坐標值。圖9為經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軟件以可視化圖形對加工過程進行仿真模擬，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行檢驗，對加工過程進行優(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，縮短產品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，是提高編程效率與加工質量的重要保證。

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)境基本框架是由機床、刀具、夾具和工件等一個個實體模型組成，包含有一條“機架－工件”運動鏈和一條“機架－刀具”運動鏈。機架－工件運動鏈是以機架為基準點，可將系統(tǒng)的X、A軸運動經夾具傳遞給葉片工件;機架－刀具運動鏈同樣是以機架為基準，將Y、Z、B、C軸的運動經主軸磨頭傳遞給磨削刀具(砂帶接觸輪)。

構建磨削環(huán)境基本框架后，還需為系統(tǒng)建立加工坐標系，定義刀具參考點、對刀點和切入點，配置機床控制系統(tǒng)，設定機床各伺服控制軸運動行程，以建立與現(xiàn)實機床相一致的虛擬磨削環(huán)境。在上述虛擬磨削環(huán)境內，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整磨削加工參數(shù)，以獲得正確無誤的磨削NC代碼。

5 結語

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)的結構組成、刀位點生成、后置處理和磨削加工仿真等相關技術。曲面型面的砂帶磨削是一個復雜的加工過程，所開發(fā)的原型系統(tǒng)尚需經實際磨削的檢驗，以通過大量的實際應用不斷加以改進和完善?？梢韵嘈牛涍^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)。

［1］李悅，王隆太，項余建，等.汽輪機葉片數(shù)控砂帶磨床自動編程系統(tǒng)的開發(fā)研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2009(12).

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