水轮机叶片多轴联动数控加工
1引言
水轮机叶片为复杂雕塑曲面体，其多轴联动数控加工比一般零件复杂[1]。国内现已开发出的大型叶片五轴联动加工工艺，仍没有全部取消试加工验证过程[2]。在计算机上仿真验证多轴联动加工刀具轨迹，进行加工刀具干涉和机床与叶片的碰撞检查，取代试切削或试加工过程，寻求*的加工方法和工艺方案，既可保证加工型面的准确性和叶片的质量，又可提高加工效率[3]。
2叶片多轴联动数控加工仿真环境的建模
由于大型水轮机叶片的形状复杂，尽管在数控编程时对各种曲面造型、工艺规划、刀位规划、后置处理等都作了非常仔细的工作，但所生成的数控加工程序仍可能发生如下问题：加工过程中的过切与欠切、刀杆及联接系统与零件、机床各运动部件及夹具间的干涉碰撞，以及加工过程中切削刀具的过负荷等[4]。因此，在加工刀位轨迹或程序生成后，必须进行正确性检验，直到形成合格的数控程序。大型叶片加工仿真，首*行切削过程几何仿真以检查加工过程中叶片的过切与欠切，然后进行机床运动仿真以防止机床运动部件碰撞和刀杆干涉。
叶片数控加工仿真是将叶片的真实加工过程在虚拟加工环境中进行映射，即对采用的数控机床、加工刀具、叶片毛坯及夹具等真实加工环境进行映射，构造出仿真（虚拟的）加工环境。在仿真环境下，通过软件模拟加工环境、刀具路径和材料切除过程，从而达到模拟数控加工过程的目的。仿真环境的几何建模是实现数控加工仿真的基础，图1是轴流式水轮机叶片的多轴仿真加工环境。
图1 大型混流式叶片的五轴联动数控加工编程流程
2.1叶片及其毛坯的三维建模
轴流式水轮机叶片由具有雕塑曲面的正、背面，进水边变圆弧半径曲面，出水边曲面，轮缘球面和柱面，轮缘的裙边曲面，轮毂和法兰球面，轮毂和法兰与正、背面的过渡曲面等构成[4]。叶片正、背面是按在圆柱坐标系下给出的型值点，编写一个程序将型值点按圆柱截面读入，并转换到直角坐标下，沿圆柱截面线作nurbs曲线，然后放样（loft）生成叶片的正、背面曲面，在此基础上，再造型出其他曲面实现叶片的三维几何造型，如图2。
叶片的毛坯数据可以从三维测量得到的点云集方式确定，可根据叶片毛坯三维测量的数据进行几何造型，但由于每个叶片毛坯的余量分布不一样，这样的工作量大。在实际工程中，基于叶片的三维几何造型，将设计的模型进行几何变换，按叶片铸造的平均余量进行曲面偏置生成毛坯曲面，并缝合成实体作为毛坯的几何模型。
对于轴流式水轮机叶片，根据叶片的特点，按其工艺规划采用以叶片旋转轴心线为定位基准。其装夹方案是在叶片的轮缘上焊接工艺轴。粗车法兰端面，并在法兰端面中心和工艺轴中心打两个*孔。相应的夹具用两*座，固定端置于法兰上，轴向可调*座，置于轮缘上的工艺轴端。
图2叶片的三维几何造型 图3叶片多轴加工的机床仿真
2.2数控加工机床的建模
（1）机床的几何建模
为仿真叶片加工的整个过程，检查刀具运动轨迹，是否发生碰撞、干涉现象等，对加工中存在的问题加以修正，必须根据实际加工机床或加工中心的状况在计算机上构造一个逼真的虚拟的数控切削加工环境。数控加工机床的建模包括机床的几何建模和机床的数控系统（cnc）定义。在机床几何建模过程中，必须根据所采用的机床的结构、具体尺寸的大小及相应位置，在造型时对于运动部件的外型和尺寸不能简化，但对于一些非运动部件的外型可以适当简化。在此原则上采用相关的软件可构造出的仿真实际加工机床的几何模型。在定义一台机床时，假设所有的机床部件都处于它们相应的零点位置。图3为对于一台加工叶片的五轴联动加工机床的几何建模。
（2）机床的数控系统（cnc）功能定义
按叶片的加工工艺规划，采用如图3所示的龙门移动式五轴联动数控加工机床。加工叶片采用多轴联动方式，即x，y，z三个直线轴，两轴数控铣头的形成一个旋转轴c和一个摆动轴b。该机床装有gefanuc数控系统，将选定加工机床的数控系统的指令代码、语法按仿真软件规定进行定制，生成cnc代码翻译器。定义机床各运动轴的坐标系关系、运动关系、行程限制、进给速度限制、机构运动副的关系、cnc控制的坐标轴联动关系等，生成一个机床配置文件，即可实现仿真数控系统功能的定义。
2.3加工刀具建模
在数控加工叶片时，针对叶片各加工面的特点，必须采用不同种类、不同规格的多种刀具，如在加工大型轴流式水轮机叶片时使用的刀具为粗、精面铣刀，螺旋玉米立铣刀，球头铣刀等。为了在切削仿真过程中能够检查出加工过程中叶片的过切与欠切，必须根据各加工刀具的几何参数准确建立刀具的三维几何模型。在刀具建模时，可以只考虑刀具加工回转产生的外形的几何参数，另外也必须建立刀杆、刀具联接系统的几何模型。
3叶片多轴联动数控加工仿真示例
对一直径为f5.8m轴流式水轮机转轮叶片，采用五轴联动数控加工。根据设计图纸在ug上完成叶片的三维造型如图2，将叶片的三维模型变换到加工位置，再通过ug计算出五轴联动刀具轨迹。将该刀具轨迹转入我们开发的叶片多轴联动数控加工仿真软件进行动态的切削过程的刀位轨迹仿真如图4，机床运动仿真如图3。对于某一混流式水轮机叶片进行动态的切削过程的几何仿真如图5。
图4加工过程中的刀位轨迹仿真 图5切削过程的几何仿真
4结束语
针对水轮机叶片多轴联动数控加工的仿真环境建立方法，已用于工程实际大型叶片数控加工编程过程中的程序检验和加工方案优化。通过仿真加工，不仅有效地保证了加工质量和设备安全，而且取消了叶片的“试加工”过程，并已成为大型叶片数控加工编程过程中检验程序和优化加工方案*的手段。
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由于大型水轮机叶片的形状复杂，尽管在数控编程时对各种曲面造型、工艺规划、刀位规划、后置处理等都作了非常仔细的工作，但所生成的数控加工程序仍可能发生如下问题：加工过程中的过切与欠切、刀杆及联接系统与零件、机床各运动部件及夹具间的干涉碰撞，以及加工过程中切削刀具的过负荷等[4]。因此，在加工刀位轨迹或程序生成后，必须进行正确性检验，直到形成合格的数控程序。大型叶片加工仿真，首*行切削过程几何仿真以检查加工过程中叶片的过切与欠切，然后进行机床运动仿真以防止机床运动部件碰撞和刀杆干涉。
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轴流式水轮机叶片由具有雕塑曲面的正、背面，进水边变圆弧半径曲面，出水边曲面，轮缘球面和柱面，轮缘的裙边曲面，轮毂和法兰球面，轮毂和法兰与正、背面的过渡曲面等构成[4]。叶片正、背面是按在圆柱坐标系下给出的型值点，编写一个程序将型值点按圆柱截面读入，并转换到直角坐标下，沿圆柱截面线作nurbs曲线，然后放样（loft）生成叶片的正、背面曲面，在此基础上，再造型出其他曲面实现叶片的三维几何造型，如图2。
叶片的毛坯数据可以从三维测量得到的点云集方式确定，可根据叶片毛坯三维测量的数据进行几何造型，但由于每个叶片毛坯的余量分布不一样，这样的工作量大。在实际工程中，基于叶片的三维几何造型，将设计的模型进行几何变换，按叶片铸造的平均余量进行曲面偏置生成毛坯曲面，并缝合成实体作为毛坯的几何模型。
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图2叶片的三维几何造型 图3叶片多轴加工的机床仿真
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4结束语
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