1 引言

　　水輪機(jī)葉片為復(fù)雜雕塑曲面體，其多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工比一般零件復(fù)雜。國內(nèi)現(xiàn)已開發(fā)出的大型葉片五軸聯(lián)動(dòng)加工工藝，仍沒有全部取消試加工驗(yàn)證過程。在計(jì)算機(jī)上仿真驗(yàn)證多軸聯(lián)動(dòng)加工刀具軌跡，進(jìn)行加工刀具干涉和機(jī)床與葉片的碰撞檢查，取代試切削或試加工過程，尋求最優(yōu)的加工方法和工藝方案，既可保證加工型面的準(zhǔn)確性和葉片的質(zhì)量，又可提高加工效率。

2 葉片多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工仿真環(huán)境的建模

　　由于大型水輪機(jī)葉片的形狀復(fù)雜，盡管在數(shù)控編程時(shí)對各種曲面造型、工藝規(guī)劃、刀位規(guī)劃、后置處理等都作了非常仔細(xì)的工作，但所生成的數(shù)控加工程序仍可能發(fā)生如下問題:加工過程中的過切與欠切、刀桿及聯(lián)接系統(tǒng)與零件、機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件及夾具問的干涉碰撞，以及加工過程中切削刀具的過負(fù)荷等。因此，在加工刀位軌跡或程序生成后，必須進(jìn)行正確性檢驗(yàn)，直到形成合格的數(shù)控程序。大型葉片加工仿真，首先進(jìn)行切削過程兒何仿真以檢查加工過程中葉片的過切與欠切，然后進(jìn)行機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真以防止機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件碰撞和刀桿干涉。

　　葉片數(shù)控加工仿真是將葉片的真實(shí)加工過程在虛擬加工環(huán)境中進(jìn)行映射，即對采用的數(shù)控機(jī)床、加工刀具、葉片毛坯及夾具等真實(shí)加工環(huán)境進(jìn)行映射，構(gòu)造出仿真(虛擬的)加工環(huán)境。在仿真環(huán)境下，通過軟件模擬加工環(huán)境、刀具路徑和材料切除過程，從而達(dá)到模擬數(shù)控加工過程的目的。仿真環(huán)境的兒何建模是實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工仿真的基礎(chǔ)，圖1是軸流式水輪機(jī)葉片的多軸仿真加工環(huán)境。

　　2.1 葉片及其毛坯的三維建模

　　軸流式水輪機(jī)葉片由具有雕塑曲面的正、背面，進(jìn)水邊變圓弧半徑曲面，出水邊曲面，輪緣球面和柱面，輪緣的裙邊曲面，輪毅和法蘭球面，輪毅和法蘭與正、背面的過渡曲面等構(gòu)成[#]。葉片正、背面是按在圓柱坐標(biāo)系下給出的型值點(diǎn)，編寫一個(gè)程序?qū)⑿椭迭c(diǎn)按圓柱截面讀入，并轉(zhuǎn)換到直角坐標(biāo)下，沿圓柱截面線作NURBS曲線，然后放樣(LOFT)生成葉片的正、背面曲面，在此基礎(chǔ)上，再造型出其他曲面實(shí)現(xiàn)葉片的三維幾何造型，如圖2。

圖2 葉片的三維幾何造型

　　葉片的毛坯數(shù)據(jù)可從三維測量得到的點(diǎn)云集方式確定，可根據(jù)葉片毛坯三維測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行兒何造型，但由于每個(gè)葉片毛坯的余量分布不一樣，基于葉片的三維兒何造型，將設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行兒何變換，按葉片鑄造的平均余量進(jìn)行曲面偏置生成毛坯曲面，并縫合成實(shí)體作為毛坯的兒何模型。

　　軸流式水輪機(jī)葉片，采用以葉片旋轉(zhuǎn)軸心線為定位基準(zhǔn)。裝夾是在葉片的輪緣上焊接工藝軸。粗車法蘭端面，并在法蘭端面中心和工藝軸中心打兩個(gè)頂尖孔。相應(yīng)的夾具用兩頂尖座，固定端置于法蘭上，軸向可調(diào)頂尖座，置于輪緣上的工藝軸端。

　　2.2 數(shù)控加工機(jī)床的建模

　　(1)機(jī)床的兒何建模

　　為仿真葉片加工的整個(gè)過程，檢查刀具運(yùn)動(dòng)軌跡，是否發(fā)生碰撞、干涉現(xiàn)象等，對加工中存在的問題加以修正，根據(jù)加工機(jī)床或加工中心的狀況在計(jì)算機(jī)上構(gòu)造一個(gè)虛擬的數(shù)控切削加工環(huán)境。數(shù)控加工機(jī)床的建模包括機(jī)床的兒何建模和數(shù)控系統(tǒng)(CNC)定義。在定義一臺(tái)機(jī)床時(shí)，假設(shè)機(jī)床部件都處于它們相應(yīng)的零點(diǎn)位置。圖3為對于一臺(tái)加工葉片的五軸聯(lián)動(dòng)加工機(jī)床的兒何建模。

圖3 葉片多軸加工的機(jī)床仿真

　　(2)機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)(CNC)功能定義

　　采用如圖3所示的龍門移動(dòng)式五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工機(jī)床。加工葉片采用多軸聯(lián)動(dòng)方式，即X, Y, Z三個(gè)直線軸，兩軸數(shù)控銑頭的形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸C和一個(gè)擺動(dòng)軸B。該機(jī)床裝有GE Fanuc數(shù)控系統(tǒng)，將選定加工機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)的指令代碼、語法按仿真軟件規(guī)定進(jìn)行定制，生成CNC代碼翻譯器。定義機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸的坐標(biāo)系關(guān)系、運(yùn)動(dòng)關(guān)系、行程限制、進(jìn)給速度限制、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副的關(guān)系、CNC控制的坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)關(guān)系等，生成一個(gè)機(jī)床配置文件，即可實(shí)現(xiàn)仿真數(shù)控系統(tǒng)功能的定義。

　　2.3 加工刀具建模

　　在數(shù)控加工葉片時(shí)，針對葉片各加工面的特點(diǎn)，必須采用不同種類、不同規(guī)格的多種刀具。為了在切削仿真過程中能夠檢查出加工過程中葉片的過切與欠切，必須根據(jù)各加工刀具的兒何參數(shù)準(zhǔn)確建立刀具的三維兒何模型。

3 葉片多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工仿真示例

　　對一直徑為Φ5.8m車由流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片，采用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?jiān)赨G上完成葉片的三維造型如圖2，將葉片的三維模型變換到加工位置，再通過UG計(jì)算出五軸聯(lián)動(dòng)刀具軌跡。將該刀具軌跡轉(zhuǎn)入開發(fā)的葉片多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工仿真軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)的切削過程的刀位軌跡仿真如圖4，機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真如圖3。對于某一混流式水輪機(jī)葉片進(jìn)行動(dòng)態(tài)的切削過程的幾何仿真如圖5。

4 結(jié)束語

　　水輪機(jī)葉片多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工的仿真環(huán)境，已用于大型葉片數(shù)控加工編程檢驗(yàn)和加工方案優(yōu)化。通過仿真，不僅保證了加工質(zhì)量和設(shè)備安全，而A.取消了葉片的試加工過程，成為大型葉片數(shù)控加工編程檢驗(yàn)程序和優(yōu)化加工方案的手段。