基于FANUC數(shù)控加工仿真的轉(zhuǎn)輪室設(shè)計

楊 敏

轉(zhuǎn)輪室是水輪機的重要過流部件之一，其主要的作用是確保內(nèi)部的流態(tài)均勻，以保證機組運行的水力效率、穩(wěn)定性。而轉(zhuǎn)輪室流面的尺寸通常由模型實驗確定，故設(shè)計的基本參數(shù)都是滿足要求的。所以，保證其性能良好的關(guān)鍵，主要就在于加工生產(chǎn)環(huán)節(jié)。要求產(chǎn)品的實際精度要與理論參數(shù)一致，誤差要在合理的范圍內(nèi)。而由于流道自身結(jié)構(gòu)是屬于弧形，并非規(guī)則形狀，且精度要求比較高，傳統(tǒng)的普通機床加工無法滿足要求。因此，選用加工精度非常高的數(shù)控機床來操作，是一種保證質(zhì)量的行之有效的方法。鑒于此，本文提出了基于FANUC數(shù)控加工系統(tǒng)的仿真設(shè)計，擬在實際操作前，先在計算機上實現(xiàn)仿真操作流程，提前預(yù)判加工的工序和找到容易出錯的地方，在實際生產(chǎn)中加以糾正，以順利完成產(chǎn)品的加工。

1 轉(zhuǎn)輪室模型基本尺寸概況

現(xiàn)以某電站的軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機設(shè)計為例。已知其電站的水頭H、流量Q、機組功率P等參數(shù)，并以此為依據(jù)，進行模型試驗，可以確定主要的流道尺寸（如圖1所示）。

圖1轉(zhuǎn)輪室流道尺寸

圖2筒體剖面形狀

由圖1所示轉(zhuǎn)輪室的流道型線，而轉(zhuǎn)輪室的形狀可以看作流道型線往外壁加厚，然后圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)一圈的筒體。根據(jù)筒體的剖面形狀，大體可以將其定義為三個部分:（1）直線環(huán)（上環(huán)）；（2）弧度環(huán)（中環(huán)）；（3）斜線環(huán)（下環(huán)）。因此，在設(shè)計中可以采用較為簡單的錐型結(jié)構(gòu)，即外壁采用線段型的鋼板型線（如圖2所示）。

2 有限元分析

轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)確定之后，需要選定鋼板厚度，繼而才能根據(jù)厚度尺寸進行數(shù)控工藝安排。本實例中，根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計，擬取加工后的厚度為12 mm的鋼板。因此，該規(guī)格的板材能否滿足要求，需要對其進行強度數(shù)值模擬計算來進行判斷。結(jié)合轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)特點（即形狀為環(huán)形），沿圓周方向均勻?qū)ΨQ。所以，不需要對整個模型進行強度核算，取而代之的是只對模型進行1/4的采樣分析即可。強度分析時，對整個模型進行六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分[2]。沿內(nèi)表面加載1 000 N的均布載荷，計算方法采用工程中，最常用的歐拉法，計算公式如下：

式中，t為計算迭代時間。

y為函數(shù)的解析解。

通過強度計算可以得出，當(dāng)加載1 000 N的均布載荷時，其位移變形量很?。s在4.5×10-5mm左右），幾乎可以忽略。因此可以得出結(jié)論，采用12 mm的鋼板，強度完全滿足要求。3 F AN U C數(shù)控加工仿真

數(shù)控機床的加工,主要由刀具的運動、工件的動作兩部分構(gòu)成。因此，在具體的操作流程中，需確定機床坐標(biāo)系的方位。一般的原則是：假設(shè)工件始終處于靜止?fàn)顟B(tài)，而刀具則是處于持續(xù)運動狀態(tài)。這樣的結(jié)果，有利于操作人員不考慮機床上二者的詳細運動條件，便能夠根據(jù)零部件的具體設(shè)計圖紙，安排出合理的工藝流程。

3.1 數(shù)控加工工藝的安排

轉(zhuǎn)輪室的基本結(jié)構(gòu)確定后，便可以展開數(shù)控加工的過程，在該過程中，先需要進行數(shù)控加工仿真，以便了解工序的合理性以及加工的精度誤差。具體的數(shù)控加工工藝流程可分為以下幾個步驟：

1）毛坯件的選取。根據(jù)加工后的尺寸，可以初步選取毛坯件為15 mm，材料為Q235A的鋼板。

2）加工方式的選定。加工方式的選定，通常由兩種方法：（1）先加工各單獨的環(huán)形筒體，再拼焊在一起；（2）先將各毛坯件焊接起來，再整體進行數(shù)控加工。根據(jù)轉(zhuǎn)輪室的具體結(jié)構(gòu)可知，主要的加工難點在中環(huán)上。因此，本文擬選擇方法（2）進行數(shù)控加工。

3）導(dǎo)入模型，選擇定位，數(shù)控編程加工。

3.2 導(dǎo)入零件模型

在FANUC數(shù)控加工系統(tǒng)中，首先需要將轉(zhuǎn)輪室的零件毛坯模型放置在指定位置，然后再定義毛坯的尺寸、形狀、材料等參數(shù)，以便為后續(xù)加工步驟建立一個呈幾何相似的仿真模型，繼而實現(xiàn)精確的數(shù)控系統(tǒng)仿真。該步驟的具體操作是在“導(dǎo)入零件模型”模塊中實現(xiàn)，即先繪制好轉(zhuǎn)輪室的三維實體焊接模型，再將其導(dǎo)入置于機床臺面上，然后再通過小鍵盤調(diào)整模型位置。

3.3 車床選刀

數(shù)控車床選刀步驟，即是針對轉(zhuǎn)輪室的形狀特點，對需要加工的位置進行刀具的選擇。比如，對于上環(huán)和下環(huán)的加工而言，形狀規(guī)則，屬于點位控制狀態(tài)，選擇圓柱銑刀即可。而對于中環(huán)而言，形狀復(fù)雜，故選擇以點接觸的鉆頭為主。數(shù)控仿真系統(tǒng)中通常允許同時安裝8把刀具，這樣可同時加工中環(huán)的多個剖切面，提高效率。在加工方式的選擇上，對于筒體而言，主要是內(nèi)表面的加工，故再該項指令的選擇中，只需作出對應(yīng)的選擇即可。

3.4 車床對刀操作

車床對刀工序，即是建立轉(zhuǎn)輪室部件和機床坐標(biāo)系之間的關(guān)系過程。在該轉(zhuǎn)輪室的對刀操作當(dāng)中，可以采用試切法進行。具體的操作步驟是：（1）原點的選取。在數(shù)控車床上，參考點的定義原則是一般設(shè)在卡盤端面與主軸中心線的交點為原點；（2）用內(nèi)容3.3中所選擇的刀具先試切轉(zhuǎn)輪室的內(nèi)表面；（3）通過計算得到中環(huán)的喉部尺寸到中心點的坐標(biāo)值。而刀具的參考點則是分別定義在X方向和Z方向，即移動到正確位置，X，Z的坐標(biāo)值隨之變化。

3.5 伺服系統(tǒng)形式的確定

FANUC數(shù)控加工系統(tǒng)的仿真中，通常采用的動力源電機類型為伺服電機。因此，其控制的形式需要進行確定。通常情況下，加工出的尺寸會有偏差，故系統(tǒng)需要反饋輸出參數(shù)，并進行適時修正（如改變電壓、電流等）。所以在選擇控制類型中，反饋環(huán)節(jié)必不可少，故本文采用的伺服系統(tǒng)控制形式為閉環(huán)控制系統(tǒng)。

上述基本工序完成之后，就可以進入程序編輯頁面，開始輸入程序指令，進行仿真運作。本文的仿真結(jié)果和設(shè)計值的精度比較，如下表1所示。

表1仿真計算結(jié)果尺寸偏差對比

由表1可以看出，通過FANUC數(shù)控加工系統(tǒng)的仿真過程，其加工結(jié)果均在允許偏差以內(nèi)，基本滿足設(shè)計的要求。因此可以得出結(jié)論，上述章節(jié)3.1所安排的工藝路線是合理的。故在實際的數(shù)控加工生產(chǎn)過程中，其流程可予以采納。根據(jù)該加工流程可得到輪轉(zhuǎn)室數(shù)控加工的實物。

4 結(jié)語

在某電站軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機轉(zhuǎn)輪室的設(shè)計中，選取了一定厚度的鋼板，并利用有限元方法校核了模型的強度，以此結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)提出了相應(yīng)的數(shù)控加工工藝路線。然后，利用FANUC數(shù)控加工系統(tǒng)進行數(shù)值模擬仿真，結(jié)果的合理性表明，在該產(chǎn)品的數(shù)控加工工序是滿足精度要求的，可以投入實際操作。最后，按照既定工序生產(chǎn)處了性能良好的轉(zhuǎn)輪室。為今后同類產(chǎn)品的生產(chǎn)加工，提供了一個高效、可行的方法。