基于UGNX的整體葉輪逆向建模與五軸編程

張　瑜， 董保香， 藍艷華

(1.日照廣播電視大學 考試中心， 山東 日照 276826;

2. 淄博職業學院 電子電氣工程學院， 山東 淄博 255000;

3.日照市科學技術協會， 山東 日照 276826)

基于UGNX的整體葉輪逆向建模與五軸編程

張瑜1， 董保香2， 藍艷華3

(1.日照廣播電視大學 考試中心， 山東 日照 276826;

2. 淄博職業學院 電子電氣工程學院， 山東 淄博 255000;

3.日照市科學技術協會， 山東 日照 276826)

摘要：復雜的葉片曲面導致整體葉輪的測量、逆向再設計及數控編程非常困難.通過測量整體葉輪樣品關鍵特征點，基于UGNX對點云進行逆向并用曲面模塊生成了三維模型，應用UG/CAM中葉輪加工專用模塊，實現了葉輪五軸數控編程.在利用IS&V消除干涉、過切等現象的前提下，用五軸加工中心加工出了葉輪.本方法也適合其他同類型的整體葉輪逆向、設計及五軸數控編程.

關鍵詞：整體葉輪; UGNX; 五軸編程

葉輪類零件作為透平機械的核心部件，是一種造型比較規范、具有典型性的通道類復雜零件，其工作型面通常為空間曲面，所以如何設計及加工制造一直是國內外公認的技術難題[1].葉輪設計涉及空氣動力學、流體力學等多個學科，隨著設計理論和方法的不斷進步，工作型面越來越復雜，這對加工制造提出了更高的要求[2].本文基于UGNX8.0對整體葉輪的逆向、三維建模、五軸數控編程、機床加工仿真進行較為全面的研究.

1整體葉輪逆向及三維建模

逆向工程(Reverse Engineering)是指用一定的測量手段對實物或模型進行測量，根據測量數據通過三維幾何建模方法重構實物[3].本文中的葉輪是某進口風機上的零部件，轉速較高，動平衡要求高、精度高.利用三維掃描測量儀，準確地測量如圖1樣件表面數據及輪廓外形，得到如圖2所示的點云.

圖1　測量用的樣件

圖2　葉輪關鍵點云

為方便逆向建模，可根據產品外形，對點云劃分，分別用不同的顏色及圖層區分不同功能的點云.因為葉片曲面復雜，點云在測量過程中有誤差，所以不能直接用直線或者樣條曲線逼近點云，而是首先做一系列平行的基準平面，每個基準平面通過各自對應的點云所在平面，并在該基準平面上做線，最后對曲線組通過掃掠等方法，獲得如圖3的葉片片體.采用片體加厚或者縫合片體的方法，并根據邊界條件修剪可得到關鍵葉片，對葉片做陣列可得到三維實體模型，如圖4所示.

圖3　葉片片體圖

圖4　 葉輪三維實體模型圖

2整體葉輪五軸數控編程

在UG/CAM中的mill_multi_blade加工中，使用多葉片工序來加工如葉輪、葉盤等含多個葉片的部件.多葉片銑加工工序專用于加工葉片類型的部件，而且對于這些類型部件，此工序的加工效率最高，可以創建用于執行粗加工、剩余銑、葉轂精加工、圓角精加工以及葉片和分流葉片精加工的工序.多葉片銑加工工序可實現：刀軸光順、刀軌光順、IPW(In Process Workpiece)、刀柄碰撞檢查和避讓、預期結果預覽，可以指定以下幾何體：多個分流葉片、帶底切的彎葉片、含一個或多個曲面的葉片、UV柵格未整齊排列的曲面、自動修復縫隙和重疊.

2.1定義工件幾何體及刀具

加工整體葉輪時，首先把毛坯加工成回轉圓柱體，然后再把該回轉體加工為整體葉輪.在MULTI_BLADE_GEOM幾何體中定義葉轂、一個主葉片、一組分流葉片，然后指定主葉片數.默認旋轉軸為+ZM.注意選擇主葉片的時候，只需要選擇一組葉片就可.選擇分流道葉片的時候要注意選擇該主葉片右邊的分流道葉片，如圖5所示.指定分流葉片時要分別指定壁面和圓角.刀具分別定義為直徑10、直徑8、直徑6的球頭銑刀.

圖5　幾何體類型

2.2毛坯粗加工

毛坯粗加工的目的是把圓柱形坯料加工成回轉體形狀以便葉輪加工，可采用車削或者銑削加工方式.采用銑削方式時，粗加工可用型腔銑的CAVITY_MILL快速去除大部分材料，然后用ZLEVEL_PROFILE進一步加工.生成的刀路軌跡如圖6所示.

(a)粗加工

(b)精加工 圖6　毛坯加工刀路軌跡

2.3流道粗加工

多葉片粗加工工序是部件類型特定的粗加工工序.這種工序允許對多葉片類型的部件進行多層、多軸粗加工.粗加工是自上而下進行的，可定義多層切削、切削模式、深度、起點和切削方向、刀軸前傾角/后傾角和側傾角、刀軌和刀軸光順、毛坯幾何體或IPW.所生成的刀路軌跡如圖7所示.

圖7　主流道粗加工刀路軌跡

2.4流道精加工

使用流道精加工工序可為多個流道創建精加工刀軌，通過選擇合適的切削模式、起點和切削方向、刀軸前傾角/后傾角和側傾角、刀軌和刀軸光順得到如圖8所示精加工刀路軌跡.在流道精加工工序中不需要包覆幾何體，不加工圓角(圓角加工屬于葉片精加工工序的范疇，流道精加工不切削相鄰葉片的圓角).

圖8　主流道精加工刀路軌跡

2.5葉片精加工

使用葉片精加工工序可自葉片和葉片圓角向下精加工到葉轂.葉片精加工是特定于部件類型的精加工工序，這些工序允許對多葉片類型部件的葉片或分流葉片進行多軸精加工.可以定義切削側、切削模式、切削層、起點和切削方向、刀軸前傾角/后傾角和側傾角.生成的刀路軌跡如圖9所示.

圖9 　葉片精加工刀路軌跡

2.6主葉片圓角精加工

使用多葉片圓角精加工工序精加工多葉片葉輪和葉盤的圓角區域.加工時可以先使用較大的刀具精加工葉片，然后使用較小的刀具精加工葉片和輪轂之間的區域.操作選用BLEND_FINISH，圓角精加工中，要加工的幾何體選擇葉根圓角，選擇合適的驅動模式、刀轂編號、葉片編號、步距、切削模式、順序、切削方向、起點等.生成的刀路軌跡如圖10所示.

圖10 　葉片圓角精加工刀路軌跡

3整體葉輪IS&V仿真及加工

UGNX/IS&V(Integrated Simulation and Verification)模塊是一個功能強大的集成仿真驗證專用模塊，用于模擬刀具路徑以及整個數控機床的切削過程.它可以建立與實際生產加工中的數控機床完全一致的精確運動模型，以使模擬仿真結果完全符合實際情況[4].在此過程中可以捕捉在加工過程中產生的任何問題，然后把這些問題反饋給設計人員以修改零件；可以檢測任何機床部件之間的干涉碰撞，例如工裝、刀具、工件等；可以預覽所有的加工操作，例如宏、子程序、循環、M、G、H等命令，提高了加工質量，消除了昂貴并且耗時的試加工驗證和干切削驗證，減小了機床、工件、夾具損壞的可能性.圖11是采用系統提供的機床進行的IS&V仿真.

圖11　UG/IS&V仿真過程

針對逆向模型，采用如上方法編制的程序，用五軸聯動加工中心加工的整體葉輪如圖12所示.

圖12　加工完成的整體葉輪

4結束語

針對整體葉輪樣品，應用三坐標測量機測量出關鍵點云，基于UGNX對點云做逆向建立了三維模型.對帶分流道的典型復雜葉輪，進行了五軸數控編程，實現了流道、主葉片及流道圓角的五軸編程與加工.通過UG/IS&V機床加工仿真，分析機床加工過程，排除錯誤，最終加工出了合格的整體葉輪.

參考文獻:

[1] 修春松，安魯陵，戚家亮. 整體葉輪鼓形刀五坐標數控加工刀位軌跡生成[J]. 機械制造與自動化，2011(4)：165-168.

[2] 張世民，郭銳鋒，彭健鈞. 五軸數控加工仿真中刀具掃掠體的計算[J]. 組合機床與自動化加工技術， 2010(6):10-13.

[3] 姬俊鋒. 復雜整體葉輪數控加工關鍵技術研究[D]. 南京：南京航空航天大學，2009.

[4] 陳文濤，夏芳臣，涂海寧. 基于UG&VERICUT整體式葉輪五軸數控加工與仿真[J]. 組合機床與自動化加工技術，2012(2)：102-105.

(編輯：郝秀清)

收稿日期：2014-04-23

作者簡介：張瑜，女， rzddzhangyu@163.com

文章編號：1672-6197(2015)01-0075-04

中圖分類號：TG659

文獻標志碼：A

The muti-blade RE/CAD/CAM based on UGNX

ZHANG Yu1, DONG Bao-xiang2， LAN Yan-hua3

(1. The Test Center, Digital Rizhao Radio and TV University, Rizhao 276826, China;

2.School of Electric and Electronic Engineering, Zibo Vocational Institute, Zibo 255314, China;

3. Rizhao Association for Science and Technology, Rizhao 276826， Chian)

Abstract:The RE/CAD/CAM of multi-blade impeller is very difficult because of complex surface. The 3D impeller was modeled based on the key points of impeller samples, and the 5-axis tool path were given based on mill-multi-blade operation in UNGX/CAM. The correct impeller were machined by 5-axis MC after the interference and cutting simulation by UG/IS&V. This method is suitable for RE/CAD/CAM of other types.

Key words:multi-blade； UGNX； five-axis programming