汽轮机动叶片叶型数控编程研究与设计

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汽轮机动叶片的叶型是-种具有代表I生的复杂曲面零件，动叶片叶型的实体造型往往涉及到复杂度很高的自由曲面构造。在其实际工作中，汽轮机动叶片的叶型部分往往起着至关重要的作用。

然而无论采用语言自动编程还是采用图象采集编程方法生成的数控加工程序，在实际生产加工过程中是否发生过切、少切，或是所选择的刀具、走刀路线、进退刀方式是否合理，零件与刀具、刀具与夹具、刀具与工作台是否干涉和碰撞等-系列问题，编程人员往往事先很难预料，结果可能导致工件形状不符合要求，出现废品，有时还会损坏机床、刀具。并且随着NC编程的复杂化，NC代码的错误率也越来越高。因此，零件的数控加工程序在投入实际的加工之前，如何有效地检验和验证数控加工程序的正确性、确保投入实际应用的数控加工程序正确，是数控加工编程中的重要环节。

2动叶片叶型数控程序工艺设计汽轮机动叶片的结构，如图 1所示。-般由叶根 、叶身和叶冠 3部分构成。根据对象及其使用环境的不同，在动叶片叶型的造型中，通常采用线框、曲面和实体等造型理念。于是根据 CAD软件设计的流程，对汽轮机动叶片叶型的工艺设计进行分析。

3动叶片叶型的实体造型3.1汽轮机叶片叶型面分析汽轮机动叶片的叶型横截面称为型面，组成型面的周线称为型线，如图3所示。此时表示动叶片工件转动到临界加工叶片出气边时，叶片的加工位置的示意。叶片的叶身就是由这些多组型线拟合而成的光滑复杂曲面，如图3所示。利用叶型曲面的CAD模型，通过对已知数据点的测量存储，得到-系列用列表型线形式给出离散点数据[1]。

来稿 日期：2012-04-06基金项目：lJll势技支撑计划项目(2010GZ0135)；西南科技大学研究生创新基金(12yj40)作者简介：毛鹏枭，(1987-)，男，四川简阳，硕士研究生，主要研究方向：机械设计与制造，数控技术、线切割技术的研究208 毛鹏枭等：汽轮机动叶片叶型数控编程研究与设计 第2期叶冠出气边叶根朝气边叶身图 1汽轮机动叶片的结构Fig.1 The Structure of the Steam Turbine Moving Blades图2汽轮机叶片叶型部分CAD/CAM工艺流程图Fig.2 The CAD/CAM Technological Process of theSteam Turbine Moving Blades Profile内侧曲线进气侧线图 3叶片叶身截面型线图Fig.3 The Cross-Section Profile Line of the SteamTurbine Moving Blades Profile32叶型型面的数据获取 。

数据获取在生成曲面之前处理过程主要包括：(1)预处理 ；(2)数据光顺：通常采用最小二乘法和能量法等来实现；(3)数据精简；(4)曲线特征点的提取；(5)散乱数据处理，在数据处理测量中必然有-部分无序的，须建立数据点间的拓扑关系 ，使用的三维激光扫描仪对数据采集，得到的扫描数据用.sl”或fxt”文件格式存储，如图4所示。动叶片叶型由叶身辐射线方向按-定规律给出的多个特征截面拟合而成，-般由两种方法给出叶片不同的横截面数据：式(1)NURBS曲线公式(非均匀有理B样条)：Ni (u)w dip(u)- - - (1)Ni. ( )/0NURBS曲线的数学定义及其简单的解释：l0( 妻)： ‰ ) 川 胆 10，1， ，/，(2)式中：蚍( 0，1，2，，n)-权或权因子(we培hts)，分别与控制顶点dl相联系。首末权因子 o， >0，其余wi>-0。 是由节点矢量 uUO 。按德布尔-考克斯递推公式决定的k次规范B样条基函。

CLOSEDARCLENGTHbegin section! A-Abegin curve 1 11-41.03656O8559853l -28 9228049323012 -4l170839189302 -29.0801580912603 -4l 3453632O06O2 -29.1912074979784 -4l 54，1-782345678 -29.246l857284835 -41.751556260853 -29 24O2570476856 -4l947497676943 -29.173942926l657 -42 1 15372l2l819 -29 053076l730458 -42 24041381753l -28.8882878980l89 -42.3ll624437827 -28 69407242796210 -42 322740490921 -28.4875124255021 1 -42.272784152l39 -28.286776l34676begin curve 1 21 -42 272784152139 -28 2867761 346762 -4l 89l282084448 -27.3738660l78573-41.504143662928 -26 463331805634图4用激光扫描测量仪所得的截面A-A的某-段曲线中离散点的数据Fig.4 Measured by laser scanning of a certain period of the sectionA-A of the instrument obtained data of discrete points in the curve以公式曲线如下统-定义为 NURBS曲线如式(1)、式(2)所示)；由给出曲线的曲率及数据得到各段不规则曲线截面线；离散数据用列表型线形式，多数给定的截面型线由若干不同半径的圆弧段构成。对数据进行测量，于是对测量仪所得的扫描数据点的解释 ：(1)begin section!A 代表开始测量的截面；(2)begincurve!代表了在某-段特性样条曲线轨迹中的孤立的点；(3)其中，某-点数据代表了该点在样条曲线上所测得的坐标；(4)测得这初始AY4截面的形线大致是由四段不同特性的样条曲线所构成的截面形线。由数据点的采集方法，可再迅个截面进行数据点的采集。同理可测得截面B-B，截面 c-c等的离散点数据。

3.3动叶片叶型造型过程(1)基准面的构造及选择；选择开始测得的截面4 的数据生成的截面A 作为基准平面，叶片轴线作为基准轴，把基准轴与各基准平面的交点设置为准点，该基准点为各草绘截面的坐标原点；(2)由测得的数据生成截面型线，如图5所示；(3)混合成型叶片叶型。

图5选取的截面A-A的截面点图及叶片叶型的截面点图Fig.5 Selected Section A-A Section Plots Pictureand Blade-Section Plots Picture首先将某个截面位置处的基准平面设置为草绘平面；选择草绘-数据来自文件，调入第 1个截面型线图形，选定起始点的位置和方向；再选择草绘-特征工具-切换剖面，同理所得依次调入其它截面图形，注意应保证各截面的混合点数应相同，利用软件混合扫No.2Feb.2013 机械 设 计 与制造 209描得到叶片叶型的三维模型。动叶片型面的造型图，如图6所示。

图6动叶片型面的造型图Fig.6 The Modeling Figure of the Steam Turbine Moving Blades4动叶片叶型的数控编程设计4.1叶型加工工艺目前 ，国内汽轮机动叶片的加工-般均采用五坐标联动数控机床来加工完成口I。汽轮机动叶片叶型主要加工工艺过程有 ：粗加工、半精加工、精加工、清根、加工出叶冠圆角、叶根圆角以及叶冠和叶根的内端面。

4.2加工刀具及其刀具库的选取动叶片叶型整个过程要用端铣刀(粗加工用)、带角圆的圆柱铣刀(半精加工和精加工用)和球头锥铣刀(清根用)。巧妙利用 CAM拈中建立刀具库，选用不同的刀具根据不同的工艺工序。为每个工序选择合适的加工(其中半精加工和精加工的加工方式相同)。

4.3加工轨迹的生成及其仿真选择适合的加工方式 、加工对象和走刀方式等后，按照软件上面的提示，设置好切削行距 、步长、表面允差、进给率等加工参数，即可以执行命令生成刀具加工轨迹，如图7所示。

图 7仿真加工中刀具轨迹的生成及刀位文件的生成Fig.7 The Simulation Machining Tool Path Generation and theGeneration of Cutter Location Files生成的实体另存为.scp”导入 UG中，在 CAM加工环境进行仿真加工。用-刀成形的方法，生成沿型线连续的刀具轨迹，-次加工完成，再利用 UG/CAM集成主要加工仿真的功能，对生成的刀具轨鉴行仿真，动态模拟刀具切除材料的加工过程 ，储存加工仿真后的毛坯留待下-道工序使用。这样在加工汽轮机动叶片叶型加工仿真对刀具轨鉴行仿真和验证。

4.4数控编程的后置处理图8用UG/Post进行后置处理的加工代码Fig.8 The UG /Post-Processing Processing Code刀位源文件主要包括刀具信息、加工坐标系信息、刀具位置和姿态信息以及各种加工辅助命令信息等。生成沿型线连续的刀具轨迹，利用上述步骤生成的 CLSF文件还需要后置处理器，转变为并联机床能够接受的数控程序。CAM后置处理拈分为专用后置拈和通用后置拈，而加工动叶片叶型后置处理器是基础上开发的UG环境下并联机床的专用后置处理器目。用 UG/Post进行后置处理的加工代码 ，如图8所示。

5叶型数控程序检验方法的研究在编程设计阶段时，通过对汽轮机动叶片叶型某-小段数控程序正误的检验的研究 ，在编程后置处理时，保证数控加工程序的正确 ，从源头上解决软件生成数控程序的误差，使得在叶片的参数化设计和加工处于不同软件环境下，使数控仿真加工的质量和效率不受环境的影响，可对汽轮机动叶片叶型编程设计具有- 定的指导意义。在编制数控程序，其参照的检验方法主要有：试切、刀具轨迹仿真、三维动态切削仿真和虚拟加工仿真等方法。

5.1软件仿真检验在加工动态模拟仿真时，可形成刀具轨迹 ，细心观察刀具与工件接触之处，工件的形状就会按刀具移动的轨迹发生相应的变化。观察者可以看到连续的、逼真的汽轮机动叶片加工过程。利用这种视觉检验装置，就可以很容易发现刀具和工件之间的碰撞及其它错误的程序指令。

52试验刀位轨迹法在编制完程序以后，可以针对后置处理之前进行。对其刀位轨迹读取，利用刀位数据文件检查刀具位置计算是否正确 ，是否对叶型的加工产生过切。

6结论采用 UG对动叶片的刀具轨迹编程进行辅助加工和加工仿真的研究，使汽轮机动叶片叶型编程设计基于不同的CAM环境下，针对汽轮机动叶片叶型进行逆向建模的研究，可实现叶型编程设计与检验相结合，大大减小了编程出错概率，有效地保证数控加工的质量和效率，对其它曲面零件的逆向设计 、建模程序的编制具有-定的指导和借鉴意义。