汽輪機(jī)葉片虛擬制造仿真研究

胥家良，邱興林，李啟元，熊小聰

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000)

汽輪機(jī)葉片虛擬制造仿真研究

胥家良，邱興林，李啟元，熊小聰

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000)

文章通過VERICUT平臺，定制開發(fā)汽輪機(jī)葉片虛擬仿真控制系統(tǒng)，實現(xiàn)汽輪機(jī)葉片虛擬制造仿真。該仿真控制系統(tǒng)可提高汽輪機(jī)葉片數(shù)控加工程序的安全性、產(chǎn)品質(zhì)量、制造系統(tǒng)的工作效率和數(shù)字化車間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

虛擬仿真，機(jī)床，控制系統(tǒng)，刀具，VERICUT，碰撞，超程

0 引言

在國內(nèi)外汽輪機(jī)葉片制造同行業(yè)中，虛擬仿真應(yīng)用比較廣泛，公司生產(chǎn)汽輪機(jī)葉片的設(shè)備種類多，機(jī)床系統(tǒng)都和其他同行企業(yè)不相同，因此公司針對自己的設(shè)備在VERICUT仿真平臺進(jìn)行定制開發(fā)，創(chuàng)建屬于自己的虛擬仿真系統(tǒng)。推動數(shù)字化車間相關(guān)技術(shù)在汽輪機(jī)制造行業(yè)應(yīng)用示范，針對現(xiàn)有的先進(jìn)數(shù)控加工裝備和加工中心，結(jié)合CAM技術(shù)，實現(xiàn)虛擬仿真加工，虛擬葉片制造過程，降低質(zhì)量和安全風(fēng)險。

1 葉片車間高端五坐標(biāo)數(shù)控加工虛擬仿真制造系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 機(jī)床運動分析

機(jī)床運動分析，根據(jù)機(jī)床的運動方式可將機(jī)床的結(jié)構(gòu)分為兩條運動鏈，分別為 “工件-機(jī)架運動鏈”和 “刀具-機(jī)架鏈” （見圖1）。用C表示刀具，W表示工件，B表示機(jī)架 （床身），P表示移動軸，R表示轉(zhuǎn)動軸，則數(shù)控機(jī)床的型可以表示為C-B-W的形式，其中C和B、B和W之間依次插入各坐標(biāo)軸 （運動副）的代號P或R。在機(jī)床處于初始狀態(tài)時，機(jī)床的結(jié)構(gòu)尺寸用上述各坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點的位置矢量表示。對于BC鏈，結(jié)構(gòu)尺寸為：

rci： 原點 0ci在坐標(biāo)系 0c（i-1）中的坐標(biāo) （i=2，3…m，）

方向矢量nwi表示為：

圖1 機(jī)床運動結(jié)構(gòu)及坐標(biāo)系

數(shù)控機(jī)床的運動方式是刀具相對于工件的加工運動。機(jī)床運動鏈各個運動副的合成運動是刀具相對于工件的運動。刀具與工件的相對運動和各運動副運動相互關(guān)系的模型是機(jī)床結(jié)構(gòu)的運動模型。在機(jī)床運動結(jié)構(gòu)中分別將刀具坐標(biāo)系、工件坐標(biāo)系及機(jī)床坐標(biāo)系連在一起，機(jī)床中的運動關(guān)系可用這些坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣來表達(dá)。相鄰坐標(biāo)系坐標(biāo)的矩陣轉(zhuǎn)換，機(jī)床運動鏈中任意兩相鄰坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)矩陣轉(zhuǎn)換由機(jī)床的結(jié)構(gòu)模型和機(jī)床各坐標(biāo)軸的運動量決定。用BW鏈為例進(jìn)行說明。BW鏈上任意兩相鄰坐標(biāo)系0wi與0w（i-1）（i=1，2， …，n，n+1），其中，當(dāng) i=n+1 時， 0wi代表工件坐標(biāo)系0w，當(dāng) i=1時，0w（i-1）代表機(jī)床坐標(biāo)系DB，從坐標(biāo)系0wi到坐標(biāo)系 0w（i-1）的坐標(biāo)變換矩陣為0wi，則：

坐標(biāo)之間初始位置關(guān)系決定的平移變換矩陣，見式 （5）。

在0w（i－1）坐標(biāo)系中的位置矢量是rwi坐標(biāo)系0wi的原點，由式（2）確定。

M （nwi，swi）坐標(biāo)系0wi隨其運動副動構(gòu)件繞nwi或沿nwi相對初始位置轉(zhuǎn)動或移動。

運動量Swi的矩陣變換，nwi由式（3）確定。

Swi為直線運動位移，機(jī)床坐標(biāo)軸是平動軸，M（nwi，Swi）為平動矩陣變換。

Swi旋轉(zhuǎn)角位移，機(jī)床坐標(biāo)軸是轉(zhuǎn)動軸，M（nwi，Swi）為旋轉(zhuǎn)矩陣變換。

在式（8）、（9）中， 當(dāng) i=n＋1 時， 由于工件坐標(biāo)系Ow和相鄰的機(jī)床坐標(biāo)系Owm連在同一構(gòu)件上，兩者無相對運動，此時：

對于BC鏈，任意相鄰坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)矩陣變換同樣可以得到：

式中 rci， nci分別為式（1）、 （3）確定。

P（rci）和 M（nci，sci）依照式（5）～（9）相似， 不再贅述。

1.2 在VERICUT平臺定制開發(fā)總體設(shè)計

在VERICUT平臺中分別創(chuàng)建機(jī)床環(huán)境、控制系統(tǒng)、刀具庫，最終構(gòu)成虛擬制造仿真系統(tǒng)。汽輪機(jī)葉片虛擬制造仿真系統(tǒng)總體設(shè)計方案見圖2。

圖2 仿真系統(tǒng)設(shè)計方案

2 葉片分廠高端五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床虛擬仿真環(huán)境開發(fā)

2.1 創(chuàng)建仿真機(jī)床環(huán)境

VERICUT仿真機(jī)床環(huán)境是指將實際機(jī)床按一定形狀抽象尺寸進(jìn)行描繪，并按照各部件間運動依附關(guān)系和邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系組合而成的機(jī)床抽象模型。該模型應(yīng)該能真實反映機(jī)床各個坐標(biāo)軸的運動關(guān)系和邏輯關(guān)系，按1.1節(jié)所示算法求解即可再現(xiàn)機(jī)床運動軌跡。機(jī)床組件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立機(jī)床組件模型，設(shè)定機(jī)床相關(guān)參數(shù)見圖3。設(shè)置完機(jī)床的各種功能后保存.mch機(jī)床文件,以后仿真時直接調(diào)用該機(jī)床文件就可以了。

圖3 LIECHTI機(jī)床拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和機(jī)床行程極限設(shè)定

2.2 仿真系統(tǒng)控制文件設(shè)計

機(jī)床創(chuàng)建好后，機(jī)床是不能運動的。需要配置控制系統(tǒng)解讀數(shù)控代碼、插補(bǔ)運算等功能。在VERICUT中配置控制系統(tǒng)是通過設(shè)置文字格式、文字/地址、控制設(shè)定、高級選項來建立的。配置完控制系統(tǒng)后，保存.ctl控制系統(tǒng)文件，以后仿真時直接調(diào)用該控制系統(tǒng)文件就可以了。

2.3 創(chuàng)建刀具庫

在VERICUT中通過建立刀具、刀柄、刀具命名、夾持點設(shè)定建立一把完整的刀具，建好常用的刀具保存成.tls刀具文件，刀具庫就建好了。圖4是LIECHTI機(jī)床的刀具庫。

圖4 LIECHTI刀具庫

3 汽輪機(jī)葉片虛擬制造仿真實例

仿真準(zhǔn)備：機(jī)床：LIECHTI 2000；控制系統(tǒng)：SINUMERIK 840D；刀具:葉片分廠LIECHTI 2000常用刀具庫；加工產(chǎn)品:D350BD-203005A001。仿真流程見圖5。

圖5 仿真流程

假設(shè)誤差分析，輔助分析設(shè)備誤差和質(zhì)量問題產(chǎn)生的原因。首先在機(jī)床沒有問題的情況下，將加工程序仿真一遍，然后假設(shè)機(jī)床B軸中心距有誤差（誤差2 mm），將仿真機(jī)床文件中B軸的Z坐標(biāo)值改小2 mm，最后在正常仿真的基礎(chǔ)上再仿真一次，就可以發(fā)現(xiàn)機(jī)床的誤差會導(dǎo)致葉片過切，見圖6。

圖6 修改機(jī)床結(jié)構(gòu)樹中B軸Z值 （-100改成-102）導(dǎo)致葉片過切

葉片虛擬制造仿真系統(tǒng)的研究和開發(fā)，實現(xiàn)了以下功能：（1）葉片數(shù)控加工程序語法是否正確可以進(jìn)行判斷；（2）葉片數(shù)控加工完整過程仿真，可以在虛擬環(huán)境中看到數(shù)控機(jī)床執(zhí)行程序進(jìn)行加工的每一個細(xì)微的動作；（3）在虛擬環(huán)境中測量仿真完的葉片各尺寸是否滿足工藝要求；（4）分析和比較葉片的殘留區(qū)域和過切區(qū)域；（5）檢測葉片數(shù)控加工程序在加工過程中是否有碰撞和超程；（6）可以在虛擬仿真環(huán)境中對數(shù)控加工程序進(jìn)行優(yōu)化，提升加工效率；（7）可以在LIECHTI2000機(jī)床虛擬仿真環(huán)境中仿真在線測量程序，提高在線測量的安全性；（8）輸出加工報告，報告中有完整的程序、刀具、加工時間和加工參數(shù)信息。（9）可以輸出過程模型；（10）為工廠提供數(shù)控加工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

汽輪機(jī)葉片虛擬制造仿真系統(tǒng)實現(xiàn)對汽輪機(jī)葉片加工程序正確性的驗證，實現(xiàn)模擬葉片加工程序在數(shù)控機(jī)床的實際運動，檢查潛在的碰撞錯誤和超程錯誤，避免加工過程中碰撞的風(fēng)險和超程錯誤，實現(xiàn)了對葉片加工程序優(yōu)化，提高汽輪機(jī)葉片加工效率，延長刀具壽命。通過VERICUT平臺對葉片分廠高端五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床虛擬制造環(huán)境的搭建，實現(xiàn)了汽輪機(jī)葉片虛擬制造仿真，有效提高了葉片數(shù)控程序的安全性和產(chǎn)品質(zhì)量，提高了葉片制造的工作效率，提高了數(shù)字化車間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

[1]楊勝群.VERICUT7.0中文版數(shù)控加工仿真技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010.

[2]何耀雄,徐起賀,周艷紅.任意結(jié)構(gòu)數(shù)控機(jī)床機(jī)構(gòu)運動學(xué)建模與求解[J].機(jī)械工程學(xué)校,2002,38（10）：31-36.

Research on Virtual Manufacturing Simulation of Steam Turbine Blade

Xu Jialiang， Qiu Xinglin，Li Qiyuan， Xiong Xiaocong

（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Through the VERICUT platform,the virtual simulation control system for steam turbine blades was customized and the virtual manufacturing simulation of steam turbine blades was realized.The simulation control system could improve the safety of turbine blade CNC machining programs,product quality,manufacturing system efficiency and the accuracy of basic data in digital workshop.

virtual simulation,machine tool,control system,tool,VERICUT,collision,super

TK266

B

1674-9987（2017）04-0053-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.04.012

項目說明：國家科技支撐計劃，項目名稱——面向大型汽輪機(jī)及發(fā)動機(jī)等關(guān)鍵零部件制造的數(shù)字化車間

項目編號：2015BAF02B00

胥家良 （1985-），男，助理工程師，畢業(yè)于西南科技大學(xué)機(jī)械設(shè)計制造及自動化控制專業(yè)，現(xiàn)主要從事于葉片工藝工作。