小型整體渦輪盤電火花加工運動軌跡計算程序設(shè)計優(yōu)化

丁勇；林曉亞；耿小強；晉美娟

（山西平陽重工機械有限責任公司，臨汾043000）

0 引言

小型整體渦輪盤是某產(chǎn)品的核心部件，該部件的可加工以及加工精度和效率，決定了某產(chǎn)品的綜合性能與成本。根據(jù)文獻[1]目前國內(nèi)普遍采用電火花加工方式。但是由于其多數(shù)采用理論算法，計算過程實現(xiàn)復雜，沒有形成該類零件加工的通用計算軟件。國外很少能夠查到相關(guān)的加工論文，在西門子NX CAM 系統(tǒng)中也沒有提供該類加工的通用計算。

對于整體式小型渦輪盤的結(jié)構(gòu)，本文視葉片與葉片、輪轂與外部包覆輪冠為需要在整體圓柱毛坯上加工的“通道”，該通道即為采用“去除”加工法需要去除的部分。由于通道形狀彎扭最小尺寸在1.5～3mm，采用傳統(tǒng)機加工方法無法實現(xiàn)該加工。本文采用電火花加工方法，其成型電極實體是使用“通道”整體實體經(jīng)過縮小而成，使用該成型電極在五軸電火花設(shè)備上加工完成小型整體渦輪盤。成型電極作為“刀具”，其縮小比例是有限的，其與最終成型“通道壁”間的窄間隙，使得在五軸電火花設(shè)備上的加工程序（NC）獲得非常難。基于此本文開發(fā)了相應的NC 程序自動生成軟件。

1 加工程序（NC）自動生成軟件設(shè)計及開發(fā)

1.1 軟件技術(shù)架構(gòu)設(shè)計

為了提高通用性，軟件系統(tǒng)采用基于通用三維CAD軟件二次開發(fā)來實現(xiàn)。渦輪盤和電極的實體描述采用三維的形式來實現(xiàn)，減少了在軟件開發(fā)中描述模型的類的開發(fā)，且提高了本軟件的適用性。

為了對生成NC 程序的正確性、合理性進行驗證，需要開發(fā)針對渦輪盤和電極運動后是否干涉進行檢查的工具，本軟件稱之為干涉檢查功能。

主程序及生成NC 程序的軟件部分，則采用C++語言開發(fā)，實現(xiàn)電極和渦輪盤相對位姿的輸出，并使用程序最終轉(zhuǎn)化為五軸機床可以使用的NC 程序。

1.2 軟件開發(fā)條件

選用UG NX 三維軟件為基礎(chǔ)，并采用VC++開發(fā)來實現(xiàn)。基于NX 平臺進行軟件二次開發(fā)，研究小間距葉片通道加工用成型電極無干涉進給路徑規(guī)劃，完成相應電極在帶冠渦輪盤葉片葉間通道中進行加工運動時，機床各個坐標軸移動的軌跡計算，提出運動軌跡的計算模型，最后生成編制加工程序所需的軌跡點。

1.3 軟件開發(fā)實現(xiàn)

采用成型電極電火花加工方法，實現(xiàn)小型閉式整體渦輪盤中小微彎扭通道的電火花加工軌跡計算。通過對成型電極在XYZAC 各軸運動調(diào)整來搜索加工軌跡點位，并將對應點位的兩個極限值；取其中值作為可取的該姿態(tài)軌跡點；所有姿態(tài)軌跡點串聯(lián)獲得連續(xù)的加工軌跡點列表；后處理形成五軸電火花加工NC 程序。

結(jié)合電火花加工預留間隙，適當向小調(diào)整成型電極，當調(diào)高成型電極飽滿度，可以針對同一NC 程序進行調(diào)整后的成型電極的運動模擬，經(jīng)過多次循環(huán)實現(xiàn)同一軌跡下電極飽滿度的優(yōu)化。實現(xiàn)了與電極形狀的無關(guān)性，任意凸形形狀的成型電極都可以使用本程序進行計算小微彎扭通道加工軌跡。

1.3.1 電極位置及姿態(tài)類

//電極及葉盤姿態(tài),狀態(tài)表述

struct COrigin{

double x;//電極裝夾孔中心位置

double y;

double z;

double c;//電極相對旋轉(zhuǎn)角度

double a;//葉輪相對旋轉(zhuǎn)位置

};

1.3.2 計算類

//求解點位跟蹤的類,求解運動軌跡

class CElePoint

{

public:

CElePoint();

virtual ～CElePoint();public:

void SetEBFeature (double e,double r,double c,double a,double pz);

COrigin RotaA(double a,COrigin pnow);

bool SetRotA (double xform [4][4],COrigin pnow,COrigin plast);

COrigin GetAndMove(double xform[4][4],double pnt[3],double pntl[3],COrigin plast);

//外部測試接口

void CountNC();//計算

COrigin CountCRotate (double xform [4][4],COrigin oe,double c,COrigin hzzx);

COrigin MoveDJbA (double xform [4][4],COrigin ce,COrigin cl_p,COrigin zzx);//20140121

void MoNiDj(double xform[4][4],COrigin dj,COrigin djl);;//A 軸旋轉(zhuǎn)回位

public:

CFeature e_b;//被加工對象特征及初始位置角度信息

};

通過開發(fā)基本實現(xiàn)了路徑的計算，但是通過實際加工，仍存在部分加工后型面不順暢的情況，基于此進行了以下優(yōu)化開發(fā)工作。

1.4 仿真軟件開發(fā)

為了核對成型電極每次“移動旋轉(zhuǎn)”之后或整體生成的加工程序是否與加工工件發(fā)生干涉，首先需要開發(fā)“加工過程仿真”軟件。該軟件可以使用電火花加工程序驅(qū)動電極運動，核對是否與渦輪盤發(fā)生干涉，驗證加工程序的可行性。因為本軟件是檢查加工軌跡的重要手段，所以作為首先需要完成的開發(fā)工作。

其主要過程在包含有初始位置的渦輪盤和成型電極的三維環(huán)境下，通過本程序調(diào)用已經(jīng)生成的加工程序，使之驅(qū)動成型電極發(fā)生平移和轉(zhuǎn)動，并使用本程序檢查新位置的成型電極是否與渦輪盤發(fā)生干涉。同時輸出是否發(fā)生干涉，以及哪一個點發(fā)生干涉。

2 軌跡計算優(yōu)化

2.1 優(yōu)化計算

電火花電極的運動，從幾何角度看是點的坐標變換：在三維系統(tǒng)中，把電極實體變換到固定的渦輪實體的通道中。電極在坐標系統(tǒng)中由移動（x，y，z）和旋轉(zhuǎn)（a，c）給定（a是坐標系x 軸的轉(zhuǎn)動、c 是繞z 軸的轉(zhuǎn)動）。電極的連續(xù)運動尋找到電極與渦輪不干涉的點位，但多數(shù)情況下這個不干涉的點是無窮多的，即使按照某一固定值0.05 來移動和旋轉(zhuǎn)電極，也會出現(xiàn)多解的情況，為了獲得最優(yōu)解并保證與下一步求解的連貫性，采取計算出每一步的兩個極值點，取中值點作為最終運動值。

2.2 通道中線優(yōu)化計算起始點

在計算中，為了控制好計算兩極值的確定性，本算法進行了改進：事先增加渦輪盤通道中心線點數(shù)據(jù)的輸入，用這些中心點數(shù)據(jù)作為控制每一步計算的起始點，可以保證起始點處于兩個極值點之間，提高計算的可靠性。

2.3 電極縮減試錯

給出電極最小縮減量，就可對電極進行坐標變換，與渦輪進行干涉檢查，計算是否存在可行的加工路徑解。如果不存在可行的加工路徑，程序提供出在多長距離上存在不可解的情況，從而預測電極再次縮減量的大小。由于采用自動計算的情況，甚至可以在設(shè)計電極時，可以直接提供一系列有小到大不同縮減量的電極模型，采用本軟件逐個選取不同縮減量的電極，分別進行計算，直到計算出可行的加工路徑為止。

由此得到的電極進給路徑經(jīng)過后置處理，轉(zhuǎn)化為數(shù)控代碼后，就可控制五軸電火花設(shè)備進行渦輪盤零件的加工。

2.4 經(jīng)過優(yōu)化后的軟件實現(xiàn)邏輯

經(jīng)過優(yōu)化后的加工軌跡計算流程如下：

①參與計算的異型電極選擇和加工工件選擇；

②新增外部建議通道特征中心軌跡數(shù)據(jù)讀取功能；

③通道特征中電極運動變換矩陣功能及模型變換計算；

④優(yōu)化點位搜索計算及其輸出；

⑤運動干涉檢查及報告；

⑥加工軌跡模擬；

⑦依據(jù)五軸電火花機床結(jié)構(gòu)，計算其空間運動；

⑧外部加工刀位數(shù)據(jù)讀取功能；

⑨參與模擬的異型電極選擇和加工工件選擇功能；

⑩異型電極運動變換矩陣功能開發(fā)及圖形變換計算；

3 結(jié)論

本文將優(yōu)化后的算法具體應用于帶冠彎扭葉片渦輪葉盤的電火花中，搜索了電極進給軌跡，同時對電極本身進行了必要的厚度調(diào)整。實際計算表明，在進給終了位置，電極型面與葉片型面的貼合誤差小，整個進給過程無干涉。