五轴联动高速加工螺旋桨叶轮的关键技术研究
� � � 9 8 年月
�� �� .2 0 0航空精制造技术密
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�� � �� � ��第 � ���5 � 卷 � �� 第� � � 4 �期 �� � � � � � � � �� � ��� .4 �
五轴联.动速加工螺高旋桨叶轮的键关技术研究�
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潘
培道
�谢捷 韩�江
�1. 州学 池机院 � 电工程系 安徽 �州池� 240 0 0�2 合 肥工 业大 学机 .与械 车 汽程工 院 学�肥 合 2 3 000 � 为提高整 叶体 轮的五 轴 高 加速 精工 和度 加 工率效 利 �用 几何模型 入导
到摘要
条 样方 通过法 调 偏 整离 和 权光 顺 项得权 加工模 中块 �通过 五 轴对高 加速 工工
理到 想 二阶的连 续 桨 叶曲面的 � 把轮 的
叶艺 规 的划 研 究 � 加和 �工 � � 参 � 数 �选 择的� 算计叶轮出的加 工轨路径刀� 并通过后置处 理得到 符
合00数 控机 床的
键关 词
码 代加 工并出叶轮 产品 �
五 高 速加 工轴 自由� 面 曲建 模 叶 �轮切� 削 工�艺仿 真
[
图中 类 分]TG 号 65�9 [�文 献标 识]A [ 文码 编章 号]100-54315 0290 0400-2-02
5-
AA P P N a -, I XE ,JHA N J a�
� � �� � ��� ��� � � � � ��� � � ��� 1�. D� �a M acc aa c Ec aE, CC , C247 000 � ��� � � � ��� ��� � � � � � �� 2. S c� ��� � � � M ac � a Ab E ,H TU c, H 200390� � � � � � A �� �� �� ��� I � � �� � � �� � �� �� ��a �cc � �� a� c � � � a ��� � c c- aa N Cc aa ,� � �� � � � � � � � � � �� �� � � B�� ��� � a�� �� �� �� � � ��� ��c � � � �� � � c� a cb ac a � � � � � a �� ��� � �� �.� T � � � � CA � � D�� � � ��� �� � �� � ��� �� a � � � C� M .AR aca c c ac� � � �� � � ��a a � � �� � �� 5 �a - �� �a�� � � � � ��� � � � �ac , c a a cca . T N cC� �� � �� � UCP8 00 a c ca b -b c . cTa bc . �� � � � �� �� �� � � � � � � � � ] � ��� a-� � �� � �� � � �� � � �� ac� � ;� a ; ;c c cP ;c a MIK RNO
� �ACM 软 件 来 设计加 工 出螺 桨叶 旋 对 于 轮似 零 引类言 �件 的实 际生 产加 有着工非 常重 的意 义 五轴要 控 数工加� 是 实现 型大与 异型复 杂 零件高效 叶轮 五的 轴高 数速控 加工 技中术
[ ]1
在螺
旋桨 干涉的
叶的 轮确 精型
模高
质 量 加 的工重 手 段要 �而数
控
高速加工能提 更 建和立加 工 数 的参选择 及 具刀路径 的划规高 工效 加率 � 达和到镜面 铣 削的效 果尤其 对超 薄零 查检是其 加工成 败的关 键件 的加工是 其 方它 法所不 替 能代的 [2] 一 是典 型种 的由自曲 面零 件 法既 费方时 又 保难证 精 度 螺桨旋叶 轮
其
传统的 设计 和加工 而 专 用的 螺 旋 桨 CAD / 因 本此文 实 际从 工
加
1
螺桨叶轮的旋自曲面建由模
CAM 软 价 格又 极件其 贵
昂工角 艺出度
发1 .1螺 桨旋叶 轮 件 坐工标 系中坐标的 算计由
于螺 旋 桨的计设 数据是 在 旋螺 叶 切面 展开桨
通 过 研
究 利用 现 有通用 的 C AD /
* 安
省徽高 等 学 校 级省 然自科 学 研究 金资 基 目 KJ20 B0278
� 空航精 制密技术 � � 造 �� �9 年第 5 第卷 4
期图
上给 出, 的而螺旋 桨造 和 加工 时型,所 的用坐 标 为 叶将背 在 切 面展 开 图 上的 纵坐 标 值 代入 式� �空 间标坐 因, 首 此要先把 设数据计转换 成 件工坐标
3
(1 , )可 将即所给 叶 面 计设数 据的 切 面 标坐 转为 化
坐螺旋 叶 桨的 轮自由 面曲 模建过 程根 测 量据 得所 旋桨螺 叶轮此时
系的坐 标� 图 1 为一左旋螺 旋桨 叶 切面 展开 图, 在 系 O 中标的直 角 坐 标 叶桨 面切上 建立正 交 坐标 系 为A 一为 , 坐原标
A点 基为�准 线在 面 切 开 图展上 的 对 应 点, 轴 半为径 ①轮廓数据 的 入
输
圆 的 柱旋 桨螺线 切 在 面开展 �图 螺距上 三角 的形 轮 数 廓据 点利,用 点构器 输造 轮廓 数入据
点边 ,并 斜定 指规向 随�边为 图 正2为 螺桨旋 工的 件要 意 修改注 量测数 据的 式 , 格使 能满 足 其 的G � 数标坐,系 将件坐工 系标0 固联 螺旋桨上在 据 输入 ,格 式轴 桨 的交线点 尾 船 正 为以 旋 桨螺 轴线 轴为 , 规定 指 并向 轴由 输在入过 程 ,不 同特 征中的 点放 不 坐标 在 原点 O 为桨 辐 叶射参考线 � (基 准 )线O 与 螺 旋同 层里, 样 便于 后这 续工 作的 中操 作, 图如3 轴是 辐射 考 线参 过在O 点 的垂 于直图 中为 旋螺桨 半径 图3
轮点廓的入输 4图参 方数的程建立
轴的 平
上面的投 ,并 规定 影远 轴线 为正 ,离按 右手 规 确定则
螺 旋 桨 ②线参 数 方 程 的 建 立 及B 样 条 轮叶曲
� 线 生 成的 从图
1
G中 调参 出方 程编 数 辑器,根 据公 式其
螺
桨桨旋切叶展面图 � (开 1定) 义输并 入 个参各数 的 关系 ,式 如 图 所示4
中� 量 变数参 的 取 值为0 1 ,以0 . 1为 变量 增数 , 共 �
� �� � � ��� � � � ��� � 1 取0次 G在 /C A 模 D 块选 择 下 ,为
� � ��� � �� � � � �
� �� � 了保证精 采度用的 方 样 条为 式段多
阶 为次 ,3选 择已编 好 的辑 数参方 程 按,照 B 样B条, � 样 条 式计公 算 出数的 据件 文构造出 螺旋 桨
图2 螺线桨旋的件坐标系
根据
值工的变化 ,照按轮 廓的点边 界条 ,件 制 出绘1 0 条 B 为了曲 拟合 面需的要, 绘 制每 出根据 事 输入先
�
将所 叶给面设 计 数的切 面坐据 标 转化为坐 标 系样 螺条旋 桨线组
O
!# ### " ## # $#
的坐 标中� 条 螺旋 桨 线基在准 中 面的投影曲 线
= = = + 面切 半径
的轮廓 以点及 绘出的制投影 曲线 边的缘 点 选 择多 ,�( )1 段 次 B3 样 曲条线 绘制 出轮 的 轮廓叶曲 线 于测由 量差误 测 或量 的位不置 合理 等因 素 生, 的样 条成
曲式中
=
-� 为 切面 线曲上 一 点 线在 一 般会不 光 太顺 ,因此 须必进行 光顺 处理
在曲
面切 开展 图 上的横 坐 标切 展面 开图 导边 至 切上面 曲 线 上一 点沿 轴的 离
距线 光的顺过 程 ,中调 次数整越 , 多 积累误差 越 , 大 所 以要 据根实 际 况进行情 误 控差 ,减制少超 误出 的差 情 最况后通过 剪修得 到叶 的 3轮 次 样 条曲 B线
几
� D基 线准到导 边的 距 离 模型何 ,图 5 所 示如 面叶上 一点 在面 展切 开中图的 纵标
坐
=螺
距
1-
( H 2
)/螺 角距) / 面切 曲 线 上 一 点 轴在的
夹5 图片曲叶线何几型 造6 图旋螺桨面的成形
=
O
(
角+
面
上 投影的与 坐标 原点O 的 线 与
连
五轴联动高速
加螺工桨旋轮的关键叶术技研究
�
� 旋桨 面 生的 及 成叶 轮整体 建 模 在 装夹上 叶 毛 胚轮 的件专用 夹 具 为 免 避 A 当轴 摆动 ③ 样B条螺 G/CAD 模块 下 � 选择 到 90 时 主 轴与�工 作台 产 生 干 将 涉夹具 计设了一 依 �选次 择构造 的 顶 曲 面叶 和叶根 曲 线 计定的高 度 出算 等 点 用距三次 B样条 生 成 纹面直形 式的叶 曲面 如片图 6 在这 步一 需 要注意中 的 是使 条曲 线每的 向方 箭 保头持一 致 选 中择 旋要转 的 片曲叶 面 行的操 作
定为 义旋转轴 为
选
轴弹在 的对 出话框中 选择 要进
因为 此叶 轮
片叶 为 数4旋 角 转为 9�0 选 择3次 以 叶 片的 小旋 转最 径半 为径绘 直出制 毂 否浆符 毂合 径 /比D 的 要 并求判 断
是 7图叶轮加工工 流艺 程 图 8轮叶专夹用具毛与模型
胚浆毂
与 片 叶之间 次 再运完 成螺 叶轮旋的 工 加 工参数 的 合理 择选 对螺旋于叶 桨这类轮薄零件的五超高速轴 加 加参工 的 正数确选 择是其加 工 成与 败好 的关坏
用B 条曲 样面 拟合 通 过 光 顺处理 节 调 值权点 绘制出 符合轮 点位廓 的置过 曲 渡
面C
DA模 型 的
建
�立键 由 叶于 的片 悬伸 长太 刀吃量 过 容 易造大 叶 成旋螺桨叶轮数控工工艺规划 加�� 片 变的 形与 裂断 太 慢严 又影重响加 工 率 效而切削 叶轮的加 一 工� 般 需经粗过半 精 精加和工 过程 速 度 慢太容易造 成表 面 压挤 变 形点是加工 率效 � 要大 的求进 量和 给可尽 能大 的切 削太慢 则不达 高 速到加工 的目的 度深 以� 便在 较短 时的 间内切除尽 可能 多 加工 余 的理 在 还进一步 的 探讨 中过快 容又易造 由成 于速高加 工的机 � 加 工粗是 快 以速 切除毛坯 量 余为 目 �的其考 虑 的 表 重的面 纹颤进 速给度太快 容易 造成 面 应表过力 大
前的目理 论还 不能合 理 的
� 量� 精加 最工主 要 考 虑是的 工件 面质表量 通常 采 解 释 上述现 象因 此 实 手 验成 段了 为理 选合 择加 用工 �小 切的削深 度目其的是 准确得 到需 要 零的 件形 参 数 最的 好法 方与 尺寸状 本 用际加 工在实 第一次的 试切 过程精 和 度表面质 �量是 考虑 的 重 点文 本利中 由于刀 具直径 刀和 具 角选倾 不 合理择在加 流工� 软件 中 的C 模 A 通块过 对 叶轮 结构 时 道 刀与 具叶轮产 了干生 涉在第 二次的试切 程过� 刀 具的 择选 夹与具的 设计 产生了 明 显 颤的 纹 在接 来的 几次下 切试 过 中程 都成造加 达 工不 理想到 的目 最后加 工 出 并且 工时 间加也 得到 大了
的分析制 定 出 加工 工步其工 � 艺 流如 程 7 图所示 由于中主轴 转速太 大成造切削 度速 过快叶 片前 刀端具� 性刚 几 和何形状 叶 轮是加 工 刀具选择 的 由主于参 选 择的数 合不理径的 刀 具 在�满 足 叶 长度片的 情况下 刀具 伸出部 分 了 符合 要求 的叶 轮产
品因要� 素 流 在道 寸尺允 � 的 情况许 下尽可能 用大采 或直 加是 工 效太率低 过经数 的 实次 �验应尽 可 能短 粗 的加 � 选择 工直径较大的 刀 具 以可 的大 缩短加 工参 的数设 置如 1表所 示 提 加高工 效 率面粗 糙 度加 精工 时选择 锥带度 的球头 刀一 在 加 工 叶片 时为 获 得好较的 表 工 工加步的 确及 定刀位 的算计般 在 �3 5 � 合较 适
一
般 用采让刀 具曲面与 成一 角 度的 定侧
据根叶 曲 面片关是 于 叶轮 心轴 中非 可展 的旋
螺 铣法 进�行加 工 所刀以具的 �刃 长 一要定 于 叶片大 的 面这 特一点 满为足 叶 表片面 糙粗 的度要 叶求片 表 长度 4 � 面用 侧刃 采铣顺成 形法 虑 统系 刚性和定位 精 度还要 考 工件虑与刀 具之 间具刀顺着叶 片 表面 进行铣在整 体叶 � 的轮 轴五加工中 工件安 不 装要 仅考削 采
用 变可 轮 轴铣 廓的方 法
①
轮 整叶体 粗加 时选工择将 相 连 俩叶片的 叶
的面相� 位对 避 免置刀 具 主或轴 与�工 产 生件干 图 8涉 与 背叶定 义 为零 件 片叶 表面 为作 驱动 素元刀 矢 轴实为 际 加工 四 叶螺 旋 叶轮�所用 �在 G设中 出 的 量 选计用与 直纹 面法 方线向 成150 � 采用大 切 深慢
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�航空精密制 造技 � 术 �� � 9 � 第 年5 第 4卷 期
进 给生 成刀 � 的如轨图 9 所示 �这 能样增 刀具大 切的削 速线 采度用小切 深 � ② 半 加 工精和 精 加工 时选 择 单个 叶 片的 叶面给 的切削方 法 叶 背 为零件 面刀轴 矢 量 � 与叶 面 线法 量矢 成 8 0 0 ③流 加工道 是体整 叶轮 工 加一 的大 难
点表1加 工参数表
快
进流
道
削切参数使用刀具 加 工序 工球刀 /头� � � � � �� � � ��� 切 深� /� 差/ 公进给速度 /主轴 速度/ 面余量单/ � 加粗工 �� 16 3 .05 10 1 8 500 00010 0 半�精工 加 �� 01 02.0 .1 5 20 110000 12000� 加工精� � 1 0.1 00.501 20 15005 018000
流道 加精工� � � 010 .1 0 0. 15 2051 500 018 000
10.5 0
0在
连俩 相叶面与叶 背之 间的 �空间非 常小 既 要 保证 好 床 的 坐 标 机参 数与旋 转 轴 刀具 顺能 利通过这 区 域一完 整加 工 出流道 要又防
根据
H
C
5 30 数 控 系 的统 各命 功令 设能置 编
过经 数 转据 和换对
止刀
具 �与相连 面 叶叶 的干背涉 为 保了 证不干 辑 后 涉置 处理 器
刀 轴量 应矢在 间空 不断 变化的 刀 轴� 用插 值方选 式 C5 3H0 数控系统 令 的命 译翻 可把加 工这样 刀 矢轴量 �� 可以 � �� 在叶 精片加 �工 矢量 中 取提或通 得 过到的 刀 轨 文 件 转 换 符 成合 IK CM 080C �纹 直� � 面的 直 方纹 向来 义定 生 的刀 轨成 径 路 图 如1 机0床 的C代 略 码示所
.
数控 工 加真仿
�� � ��� � 文本运 用 软了件 E IC 来实 M 现I K� �C 8 0 机0床 螺对 叶旋轮的加 工 仿真运用 G 按 M照 I CK 800 机床 明说 书 机中 床各结 构 参数 设 �� 计出 机 的床各个 部件 再 换 成 I转GE格 式 导入到 � � � �� E �IC 中打开 EIC 中 应相 话对功 框 能
填 � 或修写 相 改参关数 在 定 义机好床各 参数 和 控制
图系 9 轮开粗刀轨叶 图10 道流精加刀工 轨�� � 后 统 中 从 入调 过后经 置 处理过 的叶 轮C
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6
�代 码 再 从G 导中 叶入 的 轮整 体 A DC模 此型时 �� 需 注意数 格据 的式转 最 换后 始叶开 的轮 工 加仿真 位刀文件后的置理处数和控工仿加 真 以 �验检加 工 序程的 确正性 处后理 主要 通是 过对
象的 坐 标换 把 变工 件
标坐 下的系 位刀 数 通过 绕据机 坐床标系 中 的 平轴动 和转 旋轴进行 平和移 转 后旋平动 坐 将标刀 心变点 成 机换 的
床加
实例
工最薄
并
且根据刀 轴 �矢量变 关系 求换出 机床的 本 际实加工 叶 轮材料 为 2 A1 1型铝 合
� 金动 转标 这 坐在 任�何 五 � 轴 数机控 床后 的理处 中是不 处 0仅.3 而 且 叶悬升 桨长 较因此合 模 型的理 可缺少 的环 5 节也 说可后 处理 就是 根据机 床运 动 建 立以 刀及具路 径的规 划 和 加工 数参 选 的是 其择 �加 构 和结 制 指令 格式控 将 置 前计 算的 �刀 位 据数( 心 工 成刀 败的 关键 过通文中 所 述方法进 C A D 行 造 � 坐型标 刀和轴矢量 )换 变成 床 �机 轴各的运 动 据 数并 按工 艺 规划 加工 仿 真确认 加工程 序无 后 采误用本文
� 其控 �� 制指�� 格 令进式 转 行 成换 为数机控床 加的工程 中 1表 加 参数 工 在 IM CK8 0 0五 轴 联动高 速
序� �� 工中 心加上 加 耗工时 9 5 成. 品轮 的叶表 质 量和面
. 1
在
0� 0代码的 生 成加 工精 完度 全符合 户 要客求
G置 后处 构理 器造 中根据机 床 的特 设性定 ��
�轴五动联速加高螺工桨叶旋的关键技术轮究
�研参 考文献结束 语 孙卫 青 ,姜虹 .叶轮 数控工加中 干的涉检查J .国中� � � � 1 蔡 林永, � 械机工程 , 0 02 7(1 9) 2 87 2-2 92 .0 从 旋螺 桨参 数的化 方出程 发 ,据根已 的叶有轮 � � 2 �艾兴, 刘 强战等.速高切削综合术技 .J空制造技航术, 2 02 轮廓 数0据 , 用螺运 桨 设旋� 计面切 坐转 标成换 工 件坐 � 3() 20 - 23 标系 .中 空的间坐标 的 计 算式公得到 面 数据 ,截根 �据 � �� �3 王文学. 船 螺旋桨用五坐数控 标C DA/ CA 系 统D 大.连理得到 的叶 数 片据的 点特 采, 用于 截基 面数 据点 B的
样 条合 拟法 反算 方制控 ,点 通 过调整拟 的合 顺光 权
工学 , 大 20 5.0技 术用 研应
究
� � 郝小忠 , 4筱胜程, 磊 .整何 叶轮 C体 A D/ C A 偏和 离 权 得 ,到 理 的 叶 想 曲 片�面 , 完 精 成确 的ACD
�与 实 J现. 中国 制造信业息 化, � 2� 007 ( )1 48- 5 0 .型造 过 对加通工 参数 合的理选择 进 行切试实 验, �并 �� �� 5 任秉银 ,唐勇.余数 加工 控中几何的模理建论其及用应 .一进 步切对削 条件 进 行 化优通 在过E I 软
C中件 机对床几 何结 的构建 及 立具 和刀 制系控 统的设
尔哈滨:哈 滨尔业工大学版社 , 出0 02 0
.� � �� �� � � � 6云龙 李 ,岩曹 数. 机床加工控真系 统 仿E IC 西安.: 定进 加 工行 仿真,验 后证 处 理的 置确 正性, 保
证了
机床加
工 的安全性
实际
加工 明证 方此法 能 保既证 叶
西
安通交大出版学社, 2 050 .收稿(日 期 20 0 9 - 03 0- 3
轮的 加工
精 度又能 证 高保效率的实
现
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接页
电源�的制 指动示灯 , 断指时 灯灭示制 电 路
动
E 管 导F 时指 通示 亮 灯,关
结
论
本文分 析 了传 的统 几种电机 制 动案方 ,论 证了提出 的 螺 马达 陀准 确动方制 采案用简 单 ,优 化的硬件电 路 不 仅 现实了 电机的 确制准 ,动 服 了克 传能 统耗制动 动制时间 不 能确控准 制 容, 烧易 坏定子 组绕的 点 而缺且制动 过程 对中 子转的 振动和 扰干 矩响影较 小 参考文
�献
陀 螺 达马为异 步三 相 电 机 � , 中其 A 输相出 压电能 制 耗动 方较 案易现实陀 螺 马达平稳 的制 动为作 检信 测,号 B相接入 直流 电 的 源极 正, 相C 接图五电 路中 的C 端 , 改 电 变中 的路 功率电 阻可改 制变动电流 , 其当 小减 时可使 电机 动时 间制 变,短但 并非越小 好, 越电流 过 会 大引 起电机 部内 构 结变的 ,
� �化5
电流 一
般制控 在 作时 的 2工 3倍
当 流电直 流通入 定子包 线 , 产一 个恒生 定 磁,场而 转 的 转动子切割 此磁 的场磁 力线 , 产 生 动转制 矩 ,端相 压电 形波 可 ,以看出 电机 制 的过动 是 比较程平 �
� � 1 邓星�钟编等 著.机 电传控制 动武.汉 华:中技科大出学 使转 子版迅 速停 止 旋 �转图 6( , ())为制 动 过 中程 A社 2 ,00 1
�. �� � 2 顽秋 伍 电机.制动技术的择创新选比与 J较 电工.术, 稳的技 没, 有高 频波 及谐 大震 荡的情 况,完 全能 够满
了陀足 螺 马制达 动 要求的
020 5 ,: 85 9 �3 2.
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3� 煤炭科学究研院唐山院陀螺分经纬仪组编等著. 陀经螺 � ��纬仪 本原理 基,结 构与定向.北京 : 煤炭业工版社.出 �� 4中理华工学大电学教研子编.电室技术基础子模拟分 .部� �� .北京:高 等育出版教社 �� 开始制时 动制动段时一后 间 �� 刘杰5 ,张 .豫磁同永电步调机速系能统制耗分动析J . 小中图6 制动程过 中A相 端压波形 电电型机,2 00 3,03( 1 ):2 9 � 3 2收(日稿 2 0 期0 9-0 2- 5 2
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