基于FANUC數控加工仿真的轉輪室設計

楊 敏

轉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部的流態均勻，以保證機組運行的水力效率、穩定性。而轉輪室流面的尺寸通常由模型實驗確定，故設計的基本參數都是滿足要求的。所以，保證其性能良好的關鍵，主要就在于加工生產環節。要求產品的實際精度要與理論參數一致，誤差要在合理的范圍內。而由于流道自身結構是屬于弧形，并非規則形狀，且精度要求比較高，傳統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控機床來操作，是一種保證質量的行之有效的方法。鑒于此，本文提出了基于FANUC數控加工系統的仿真設計，擬在實際操作前，先在計算機上實現仿真操作流程，提前預判加工的工序和找到容易出錯的地方，在實際生產中加以糾正，以順利完成產品的加工。

1 轉輪室模型基本尺寸概況

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

圖1轉輪室流道尺寸

圖2筒體剖面形狀

由圖1所示轉輪室的流道型線，而轉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一圈的筒體。根據筒體的剖面形狀，大體可以將其定義為三個部分:（1）直線環（上環）；（2）弧度環（中環）；（3）斜線環（下環）。因此，在設計中可以采用較為簡單的錐型結構，即外壁采用線段型的鋼板型線（如圖2所示）。

2 有限元分析

轉輪室結構確定之后，需要選定鋼板厚度，繼而才能根據厚度尺寸進行數控工藝安排。本實例中，根據經驗設計，擬取加工后的厚度為12 mm的鋼板。因此，該規格的板材能否滿足要求，需要對其進行強度數值模擬計算來進行判斷。結合轉輪室結構特點（即形狀為環形），沿圓周方向均勻對稱。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構化網格劃分[2]。沿內表面加載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為函數的解析解。

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

數控機床的加工,主要由刀具的運動、工件的動作兩部分構成。因此，在具體的操作流程中，需確定機床坐標系的方位。一般的原則是：假設工件始終處于靜止狀態，而刀具則是處于持續運動狀態。這樣的結果，有利于操作人員不考慮機床上二者的詳細運動條件，便能夠根據零部件的具體設計圖紙，安排出合理的工藝流程。

3.1 數控加工工藝的安排

轉輪室的基本結構確定后，便可以展開數控加工的過程，在該過程中，先需要進行數控加工仿真，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，再整體進行數控加工。根據轉輪室的具體結構可知，主要的加工難點在中環上。因此，本文擬選擇方法（2）進行數控加工。

3）導入模型，選擇定位，數控編程加工。

3.2 導入零件模型

在FANUC數控加工系統中，首先需要將轉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，以便為后續加工步驟建立一個呈幾何相似的仿真模型，繼而實現精確的數控系統仿真。該步驟的具體操作是在“導入零件模型”模塊中實現，即先繪制好轉輪室的三維實體焊接模型，再將其導入置于機床臺面上，然后再通過小鍵盤調整模型位置。

3.3 車床選刀

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

3.4 車床對刀操作

車床對刀工序，即是建立轉輪室部件和機床坐標系之間的關系過程。在該轉輪室的對刀操作當中，可以采用試切法進行。具體的操作步驟是：（1）原點的選取。在數控車床上，參考點的定義原則是一般設在卡盤端面與主軸中心線的交點為原點；（2）用內容3.3中所選擇的刀具先試切轉輪室的內表面；（3）通過計算得到中環的喉部尺寸到中心點的坐標值。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的坐標值隨之變化。

3.5 伺服系統形式的確定

FANUC數控加工系統的仿真中，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，故系統需要反饋輸出參數，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，反饋環節必不可少，故本文采用的伺服系統控制形式為閉環控制系統。

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。本文的仿真結果和設計值的精度比較，如下表1所示。

表1仿真計算結果尺寸偏差對比

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

4 結語

在某電站軸流轉槳式水輪機轉輪室的設計中，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，以此結構為基礎提出了相應的數控加工工藝路線。然后，利用FANUC數控加工系統進行數值模擬仿真，結果的合理性表明，在該產品的數控加工工序是滿足精度要求的，可以投入實際操作。最后，按照既定工序生產處了性能良好的轉輪室。為今后同類產品的生產加工，提供了一個高效、可行的方法。