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基于VERICUT的汽轮机大叶片数控加工仿真的应用
2012-10-29  来源:  作者:哈汽轮机厂 高俊鹏,吕民,王连玉,廖冬梅

      0前言
 
      加工仿真是利用计算机仿真技术对机械加工的加工环境和加工过程进行3D模拟。通过加工仿真,可在计算机内形象、直观地模拟机械加工的全过程,在不消耗实际材料、不使用真实机床设备的情况下,有效地检验和分析零件的可加工性及加工工艺的合理性。
 
      在汽轮机大叶片生产加工前,通过对汽轮机大叶片数控加工程序进行加工仿真,可以减少材料浪费、延长机床和刀具寿命、提高数控加工程序的可靠性和检验过程的安全性,有效防止过切、干涉现象的发生,提高企业的信息化水平,缩短产品设计、制造周期,降低生产成本,提高产品质量,提高企业的市场竞争力。
 
      VERICUT软件是美国CGTech公司开发的基于Windows及UNIX系统,集数控加工仿真、干涉校验、工时工况分析、代码优化等多种功能于一体的软件。该系统可以以虚拟现实的方式建立数控机床、刀具、夹具和毛坯模型,在刀位数据或NC代码的驱动下模仿金属切削加工中走刀轨迹和材料被切除的过程,使用户以直观的方式对工艺规划的合理性进行评估,对是否存在干涉进行校验,并优化走刀轨迹和NC代码。本文研究并应用VERICUT仿真软件实现汽轮机大叶片四坐标数控加工仿真。
 
      1汽轮机大叶片的结构特点
 
      叶片是汽轮机的心脏,它在高温、高压、高速等复杂条件下工作,其空气动力性能、加工几何性能、表面粗糙度、安装间隙及运行工况等因素影响汽轮机的效率、出力;其结构设计、振动强度及运行方式则对机组的安全可靠性起决定性的影响。为了保证汽轮机的效率和叶片在使用中的安全性,叶片的材料都较为特殊,如材料中含N、iV、N等成分,硬度在360HB以上,加工性较差,同时叶片汽道部分是一个光滑的空间曲面,精度要求高,加工难度大。特别是大型汽轮机末级叶片(如1000mm以上动叶片),其结构更为复杂,叶身长、型面薄而扭曲,叶型扭转接近90角,叶身中部有空间凸台。汽轮机大叶片结构示意图如图1所示。

 

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      2仿真模型的建立
 
      2.1汽轮机大叶片三维模型的建立
 
      基于汽轮机大叶片的二维图纸,在三维绘图软件UG中建立大叶片的三维实体模型。在模拟数控加工仿真过程中,通过UG与VERICUT的接口NXV,实现汽轮机大叶片三维模型从UG到VERICUT的导入。汽轮机大叶片的二维视图如图2所示。

 

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      2.2刀具模型的建立
 
      VERICUT仿真为实体刀具仿真,铣削类刀具一般都是由旋转形切刀和刀柄两部分组成,在VERICUT系统中用Cutter和Holder来表示。刀具库建立时需要对刀具进行分析,选择适合的方法。由于三维叶片加工的特殊性和复杂性,加工中多采用球形铣刀和圆柱形铣刀,在不同的数控机床上使用不同的刀具加工不同种类的三维叶片。
 
      (1)对于非标刀具,需利用CAD才能完成刀具库的建立。对刀柄及一些形状特殊的刀片需要利用AutoCAD绘制DWG文件,然后另存为DXF文件,以备创建刀具旋转图形时使用,建立刀具时再导入到VERICUT软件中。
 
      (2)对于标准刀具,利用VERICUT软件的刀具建立功能 ,在刀具模板库中,按类别进行选择,根据刀具的尺寸填写相应的参数,从而建立刀具。这种方法方便快捷,但有局限性,仅适用于标准刀具。
 
      另外,还可以利用UG中已绘制的刀具,通过接口程序导入到VERICUT软件中。这样可以把大量的历史刀具应用到VERICUT软件的刀具库中,以备仿真时使用。
 
      2.3机床模型的建立
 
      2.3.1分析机床结构
 
      在建立机床文件之前,首先对机床构造进行分析,分析机床主轴、进给、顶尖、托架等部件的运动关系。在VERICUT软件中,对每一个相对于机床底座运动的部件都要当作一个轴来处理。但是这些轴并非全部是并列关系的,许多轴存在嵌套从属关系。现以四坐标立式加工中心MXR-560V机床为例,分析机床结构。
 
      四坐标立式加工中心MXR-560V机床刀具主轴既沿Z轴进行移动又沿Y轴进行移动,支撑其在Y轴方向移动的导轨直接接触机床底座,故该部分的部件结构树的从属关系为:机床底座(Base)>Y轴>Z轴>主轴(Spindle)>刀具(Tool)。对于MXR-560V机床来说,工件由夹具固定在转台上,转台则固定在工作台上,而工作台沿X轴方向运动,支撑其在X轴方向移动的导轨直接接触机床底座,故该部分的部件结构树的从属关系为:机床底座(Base)>X轴>A轴>附属部件(Attach)>夹具(Fixture)>工件(Stock)。
 
      另外,MXR-560V机床还包括控制台、刀具库等机床附件,作为其它部件(Other)处理,该部分的部件结构树的从属关系为:机床底座(Base)>Other。
 
      通过以上分析得到MXR-560V机床部件结构树如图3所示。

 

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      2.3.2建立机床部件结构树
 
      根据分析后得到的机床部件结构,在仿真工具中建立该机床的结构树。运行VERICUT应用程序,创建一个新的项目文件,显示部件坐标系,显示部件树。按照如图所示的机床部件结构,在部件树中按级建立,得到如图4所示的机床部件结构树。

 

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      2.3.3添加机床模型
 
      在建立如图3所示的机床部件结构树后,在VERICUT软件中可加载该机床,即可调用该机床进行仿真。但是,只有部件结构树的机床在仿真视图中无法显示,不过这并不妨碍加工仿真的进行。在加工仿真过程中,如显示机床,则需要为机床添加模型。VERICUT软件支持在Componenttree(部件树)中直接构建圆柱体、圆台和立方体3种模型;其它形状的模型可以应用AutoCAD软件进行三维造型,然后导出为 stl后缀的文件,再由VERICUT软件读取建模。新添加的模型默认出现在该部件坐标系原点处,通过旋转、移动、装配等方式将其布置在适当的位置上。添加模型后的机床部件结构树如图5所示。

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       2.3.4机床初始位置的设置
 
      由于主轴(Spindle)和刀具(Tool)的部件坐标系原点都在(0,0,0)处,工作台X轴的模型原点也设置在(0,0,0)处。这样处理之后,添加模型后的机床主轴与工作台是接触的,需要通过设置机床初始位置的方式将机床调整到正确的初始位置。设置机床初始位置后,机床不会立刻回到初始位置。载入控制系统文件后,复位机床,机床回到初始位置(Z轴在最大行程处),如图6所示。

 

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       2.4回转工作台和夹具体模型的建立
 
      在VERICUT中建立实体模型有两种方式,一是利用VERICUT本身的实体建模工具,做出圆柱、圆锥、长方体等,然后进行组合装配,做出所需的三维实体;另一种是在AutoCAD或UG、Pro/E等三维实体造型软件中做出实体模型,然后生成stl文件,导入VERICUT中。一般说来,夹具体、转台、毛坯模型的结构比较复杂,各部件较多,利用第一种方法比较复杂,较浪费时间,一般都是利用第二种方法,首先分析零件装配图,做出三维实体图,生成VERICUT可以读取的stl文件,然后读入到VERICUT中,再分别由Translat,Rotate,Assemle等几个模块,装置好三维实体的位置。三维实体调整如图7所示。

 

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       2.5配置机床控制系统
 
      数控文件包含许多条件,通常通过用户化定制来满足不同控制系统需要,例如:不同的数据格式,未加解释的执行数控功能的特殊字符,通过特殊G代码和值来执行不同的运动,设置不支持的G代码等。为更加方便快捷地配置数控系统,一般从一个熟悉的数控系统开始配置,推荐加载一个通用的尽可能接近要配置的数控系统的控制系统文件,并且没有不相关的工作数据。
 
      创建一个新的项目文件,加载数控加工程序,加载通用机床控制文件,浏览数控程序内容。浏览程序中解释语句描述就是要调整控制系统配置的内容,F、X、Y和Z值小数点后的格式要分别配置。
 
      对于封闭作业的机床,需要对机床的开关门命令进行配置。首先声明关闭/开启门的命令变量,然后定义命令变量对应的动作即动作对象和动作目标,最后通过手动命令进行测试。
 
      2.6汽轮机大叶片四坐标的加工仿真结果
 
      将汽轮机大叶片三维实体模型导入VERICUT中,利用先前建立的刀具、机床、回转工作台和夹具模块以及机床控制系统,进行汽轮机大叶片动态加工过程仿真。在加工仿真过程中,实现了汽轮机大叶片的四坐标虚拟加工中的干涉、过切及碰撞检查。汽轮机大叶片四坐标加工仿真结果如图8所示。

 

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       3结束语
 
      本文利用数控加工仿真软件VERICUT建立了汽轮机大叶片四坐标数控加工仿真系统。通过建立刀具库、机床、回转工作台和夹具体以及配置机床控制系统,详细介绍各子系统的体系结构、功能、特点以及子系统实现的关键技术,建立了仿真系统各模块的模型。利用数控加工仿真软件VERICUT在三维大叶片数控加工前进行模拟仿真,实现了完整的虚拟加工过程,防止了过切、干涉现象的发生,避免了生产过程中出现废品而造成的损失。

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