三元整體葉輪的五軸加工刀具軌跡規(guī)劃開題報告

1、畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告題目 三元整體葉輪的五軸加工刀具軌跡規(guī)劃 專 業(yè) 名 稱 機械設(shè)計制造及其自動化班 級 學(xué) 號 068105302學(xué) 生 姓 名 聶 群 指 導(dǎo) 教 師 于 斐填 表 日 期 2010 年 3 月 1 日一、 選題的依據(jù)及課題的意義 葉輪機械廣泛地用于能源動力、航空航天、石油化工、冶金等行業(yè)，在國民經(jīng)濟和國防事業(yè)中發(fā)揮著巨大作用。據(jù)原機械工業(yè)部統(tǒng)計資料表明，壓縮機、鼓風(fēng)機、通風(fēng)機和水泵在各行業(yè)的裝機容量占全國發(fā)電總量的三分之一葉輪機械是一個綜合性很強的學(xué)科，涉及到氣動、加工、強度、振動等方面，范圍廣，內(nèi)容多。近幾十年來，隨著計算機及數(shù)值計算理論的發(fā)展，葉輪的設(shè)計理論取得

2、了可喜的成績。采用三元葉輪設(shè)計理論使得內(nèi)部流動更加符合流體的實際流動過程，性能得到大幅度的提高。與之相適應(yīng)，三元葉輪由于空間形狀的復(fù)雜性以及對強度的高要求使其對加工制造提出了更高的要求。本設(shè)計利用UG軟件對三元整體葉輪進行仿真設(shè)計，得到葉輪主要部分的NC程序，并對其刀具軌跡進行規(guī)劃。利用UG軟件，實際上就是采用逆向工程的方法進行設(shè)計工作。逆向工程技術(shù)（RE），也稱逆向工程、反求工程，是在沒有產(chǎn)品原始圖樣、文檔的情況下，對產(chǎn)品實物進行測量和和工程分析，經(jīng)CAD/CAM/CAE軟件進行數(shù)據(jù)處理，重構(gòu)幾何模型，并生成數(shù)控程序，由數(shù)控機床重新加工復(fù)制產(chǎn)品的過程。根據(jù)葉片的幾何形狀，可將葉輪分為具有直紋

3、面葉片的葉輪和具有任意曲面葉片的葉輪。對于曲面加工，最早是采用放樣法，這種古老的方法速度慢，精度低，需要熟練的技工完成。采用毛坯鑄造，葉片的厚度不能太薄，且精度很難保證，葉輪動平衡性能差。電火花加工技術(shù)也可用于葉輪的加工，但是其成本高。利用CAD/CAM技術(shù)，在數(shù)控機床上加工被認為是加工葉輪的最好方法。整體葉輪的數(shù)控加工離不開自動編程，在自動編程方面，整體葉輪的刀具路徑的規(guī)劃是個關(guān)鍵，刀具軌跡的生成能力直接決定數(shù)控編程系統(tǒng)的功能及所生成的加工程序質(zhì)量。能否生成有效的刀具軌跡直接決定了加工的可能性、質(zhì)量與效率。因此選此課題進行設(shè)計與研究。二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻綜述）1. 國內(nèi)外葉輪

4、數(shù)控加工的研究現(xiàn)狀 早在七十年代初我國的幾家大型企業(yè)就開始將數(shù)控機床用于整體葉輪的加工上。目前，我國已有越來越多的廠家開始采用鍛造毛坯后多坐標NC加工成型的方法加工葉輪，尤其是國防工業(yè)中所用的關(guān)鍵葉輪，如火箭發(fā)動機的轉(zhuǎn)子、風(fēng)扇，飛機發(fā)動機的渦輪等。目前都已采用多坐標數(shù)控機床加工。國內(nèi)所用的機床大多是引進的具有國際先進水平的四、五軸聯(lián)動數(shù)控機床。 葉輪數(shù)控加工方法大致分為兩大類：點銑法和側(cè)銑法1。點銑法是指用球頭刀按葉片的流線方向逐行走刀，加工一個葉片需走刀50一200次，逐漸加工出葉片曲面，主要用于葉身是自由曲面的葉片。我國航天用的轉(zhuǎn)子、風(fēng)扇等葉片都采用點銑法。利用這種方法加工出的葉片能夠較精

5、確地符合葉片設(shè)計型面的要求，精度較高，而且加工走刀方向和設(shè)計流線方向相同，對葉輪運行時的動力性能有利。但是其最顯著的缺點為加工效率低下。而且，這種點銑的切削方式，只有刀具頭部一點或一圈切削刃參加切削，刀具磨損嚴重，需要經(jīng)常換刀及重磨刀具，生產(chǎn)成本進一步增加。 第二種是側(cè)銑法。現(xiàn)在國內(nèi)效率較高的葉輪葉片加工方法是分片側(cè)銑法2。分片側(cè)銑是指把葉片按加工特征和工藝要求把葉片分成若干片，用側(cè)銑的方法加工葉片。這種方法是利用加工誤差來控制分片數(shù)，理論上分片越多，葉片與刀具的接觸線越短，加工精度就越高。采用分段側(cè)銑的方法,生成的刀位軌跡刀軸矢量變化均勻,刀軸未發(fā)生干涉,且加工效率和加工質(zhì)量明顯得到提高。

6、著名機床公司意大利C.B，F(xiàn)rar公司采用端銑刀螺旋加工葉片獲得了用戶的好評。高速螺旋銑方法不僅加工效率高，而且很好的保證了葉片的表面質(zhì)量。不足之處是該系列機床價格昂貴，并且設(shè)置一些技術(shù)壁壘。在目前的CAM軟件如UGII、Pro/E等中還沒有可用于葉片實際加工的螺旋加工算法。我國西北工業(yè)大學(xué)的仵高升3對該高速螺旋銑方法進行了研究，提出了葉片四五軸螺旋加工刀位計算方法，并初步研究了螺旋銑在開式整體葉盤加工中的應(yīng)用。但該方法受到葉片螺旋銑的加工工裝設(shè)備的限制，目前的工裝無法實現(xiàn)螺旋加工。因此仍然沒有完成整個實體葉片的加工，還處以仿真階段。2. 國內(nèi)外刀位軌跡生成方法研究現(xiàn)狀 華東理工大學(xué)的湯進碩士

7、4提出了一種基于等參線裁剪的刀具軌跡規(guī)劃算法，此方法首先要再將兩條等參線按給定的覆蓋精度離散成一個覆蓋點序列，接著建立兩點列間各點的拓撲關(guān)系，然后沿參數(shù)線方向順次計算每一對拓撲關(guān)系所對應(yīng)的鄰接距離，得到一個鄰接距離序列。最后按照加工精度的要求對等參線上的覆蓋點進行篩選，從而優(yōu)化刀位軌跡。該算法在滿足指定精度的情況下優(yōu)化刀具軌跡，顯著提高效率。但該算法受到覆蓋精度、步長控制精度的約束，應(yīng)用起來不方便。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王知行教授5提出了一種新的數(shù)控加工刀具軌跡生成算法自適應(yīng)等參數(shù)曲線，通過提出了等參數(shù)曲線插入條件,使該算法的實施成為可能。該算法具有等參數(shù)線法生成刀具軌跡簡單的優(yōu)點,同時克服了用等參

8、數(shù)線法生成刀具軌跡可能產(chǎn)生的刀具軌跡冗余的缺點。這種方法適用于網(wǎng)格比較規(guī)整的曲面加工。劉雄偉教授6.7提出了兩種刀位計算方法，單點偏置法和雙點偏置法。單點偏置法就是使刀軸方向同直母線平行，沿著直母線中點法矢方向做距離為刀具半徑的等距點，得到刀軸上一點。雙點偏置法是把同一條直母線上1/4和3/4處的兩點都沿著各自的法矢方向做距離為刀具半徑的等距點，得到兩個點，連接這兩點就得到了刀軸方向矢量。南京航空航天大學(xué)的碩士王孜孜8在“截平面法加工刀軌算法的研究與實現(xiàn)”一文中對截平面法加工刀軌算法進行了研究，該方法雖然保證了刀具軌跡呈現(xiàn)在幾何空間內(nèi)的距離相等,但一般情況下在不同位置處的殘留高度并不相等,平行

9、平面的間距只能根據(jù)最大殘留高度來決定,因而有時加工效率較低。北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院的唐正清教授9以切削力波動小，表面質(zhì)量精度高為優(yōu)化目標對數(shù)控加工的幾種刀具運動軌跡進行了比較，指出了回轉(zhuǎn)截平面法是數(shù)控銑削刀具運動軌跡優(yōu)化最不可取的優(yōu)化方法。上海交通大學(xué)的博士后謝叻10于2000年在“自由曲面自適應(yīng)投影法精加工刀軌生成”一文中提出并實現(xiàn)了適合于組合自由曲面整體加工的一種刀軌生成算法自適應(yīng)投影法，該算法將加工曲面離散成三角化模型,在三角化模型中直接生成無干涉刀位軌跡，刀軌生成與刀軌干涉處理統(tǒng)一在一個算法中。根據(jù)曲面的形狀規(guī)劃刀軌,使刀軌的行距能夠隨曲面的傾斜程度而調(diào)整,有效地解決了組合曲面加工編程中

10、曲面之間存在斷開、裂縫、局部搭接現(xiàn)象,提高了加工效率和精度。但刀軌計算基于三角化模型，用三角片近似表示原曲面，因此該方法受到離散精度的限制，應(yīng)用不廣泛。根據(jù)五軸數(shù)控機床的特點，王小椿教授111992年提出了用于五軸加工的密切曲率法。該方法采用端面為內(nèi)錐面的端銑刀加工自由曲面，在加工的每一行程中讓刀具軸線相對于工件按特定的規(guī)律擺動，使得在垂直于進給方向的法截面中，刀尖軌跡形成的包絡(luò)面與理論曲面達到三階密切，從而在保持精度不變的前提下，使實際行程次數(shù)大幅度減少。1995年，西安交通大學(xué)博士張瑞乾在“用密切曲率法加工自由曲面及其刀位軌跡的排列”一文中12，證明了此方法大幅度減少了走刀次數(shù)，增加了切削

11、寬度，提高了加工效率。但該算法主要針對端銑刀提出的行距、步長計算，其算法在其它銑刀上的應(yīng)用還有待進一步的研究。 近年來，等殘留高度法廣泛應(yīng)用在刀位軌跡的生成中。等殘留高度法是通過控制相鄰軌跡間的距離使得軌跡間的殘留高度不變，從而在已知一條加工軌跡、刀具半徑和允許殘留高度的前提下，計算出下一條刀具軌跡。這種方法考慮了曲面形態(tài)的不同，使軌跡間的殘留高度達到最大，提高了加工效率，改善了加工質(zhì)量。華中科技大學(xué)國家數(shù)控系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心的楊德武13等人探討了基于主曲率匹配的五坐標刀位軌跡優(yōu)化算法，并且把該算法應(yīng)用在了水輪葉片加工上，實踐證明，這種方法能夠優(yōu)化刀位軌跡，提高加工效率。西北工業(yè)大學(xué)的霍穎和

12、楊茂奎教授14提出了一種判別曲面凹凸性的新算法，該方法利用微分幾何“法截線”的性質(zhì)進行判別。還指出了現(xiàn)有求取刀軸傾角方法存在的問題，提出了一種“逐步尋優(yōu)”求取刀軸傾角的新算法，通過實例驗證了“用改進的等殘留高度法生成五軸NC加工刀位軌跡基于主曲率匹配的等殘留高度法”的實用性。本文提出的“逐步尋優(yōu)”的求取刀軸傾角的方法克服了現(xiàn)有方法的缺陷，且計算簡單，效率高。 H.-T.Young15等人提出了粗加工葉片的算法，采用側(cè)銑加工方法，利用U-V參數(shù)計算刀觸點的位置，然后把所計算的刀觸點連接起來就形成了基本的刀具路徑，同時還要考慮刀軸矢量，并且提出葉片粗加工要考慮各種因素，如殘余高度、切削深度等。Ju

13、ng-Jae Lee 和Suk-Hwan Suh16對扭曲直紋面的側(cè)銑加工提出了一種無干涉刀具路徑規(guī)劃方法，給出了控制刀軸的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)角度及步長的計算，該方法提高了側(cè)銑加工的效率，并且通過加工葉輪實例驗證了該方法可以應(yīng)用到球頭銑刀側(cè)銑直紋面的刀具軌跡生成中。 三、研究內(nèi)容及實驗方案本論文以三元整體葉輪五軸數(shù)控加工的刀位規(guī)劃、刀位計算方法等為核心內(nèi)容，基于UG/CAM對整體葉輪的五軸數(shù)控加工刀具加工路徑進行研究，主要內(nèi)容包括:1. 三元整體葉輪的數(shù)控加工工藝分析2. 研究多坐標數(shù)控加工刀具軌跡規(guī)劃方法3. 在UG的VARIABLE-CONTOUR中，生成三元整體葉輪的刀具軌跡4. 三元整體葉

14、輪加工刀路的模擬四、目標、主要特色及工作進度目標：（1）完成整體葉輪刀具軌跡生成工藝分析（2）完成基于UGNX4.0整體葉輪葉片的刀具路徑生成（3）完成整體葉輪葉片加工的刀具干涉與刀位修正特色：利用UG軟件對三元整體葉輪進行仿真設(shè)計，得到葉輪主要部分的NC程序，并對其刀具軌跡進行規(guī)劃。工作進度：1. 開題報告、查閱資料、外文翻譯（6000字符） 3.13.19 3周2. 三元整體葉輪的數(shù)控加工工藝分析 3.224.9 3周3. 多坐標加工刀具軌跡規(guī)劃方法研究 4.125.7 4周4. 生成三元整體葉輪的刀具軌跡和刀路模擬 5.106.4 4周5. 撰寫畢業(yè)論文 6.76.25 3周6. 答辯準

15、備及畢業(yè)答辯 6.287.2 1周五、參考文獻1.陳晧暉,劉華明,孫春華.國內(nèi)外葉輪數(shù)控加工發(fā)展現(xiàn)狀.航天制造技術(shù).2002(2).4548.2.孫春華.分片側(cè)銑加工整體葉輪刀位軌跡的生成.河海大學(xué)學(xué)報.2004,32(4)459462. 3.仵高升.卜昆.葉片類零件多軸數(shù)控加工中的刀位計算及程序優(yōu)化研究.中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫.2004.4.湯進.羅宏志.周濟.一種基于等參線裁剪的刀具軌跡規(guī)劃算法.華中理工大學(xué)學(xué)報.2000,28(4)1416.5.王知行,王哲.一種新的數(shù)控加工刀具軌跡生成算法的研究.機械設(shè)計.2000,(11)2022.6.劉雄偉.數(shù)控加工理論與編程技術(shù).M.機械

16、工業(yè)出版社,2000.7.Xiong-Wei,Liu.Five-axis NC cylindrical milling of sculptured surfaces.Compute-adied Design,1992,24(12):667-676. 8.王孜孜.安魯陵.徐嘯峰.周來水.截平面法加工刀軌算法的研究與實現(xiàn).計算機輔助工程.2000,(3)3338.9.唐正清.數(shù)控銑削加工刀具運動軌跡研究.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報2005,7,4(3)1518.10.謝叻.周儒榮.阮雪榆.自由曲面自適應(yīng)投影法精加工刀軌生成.上海交通大學(xué)學(xué)報.2000,34(10):13831384.11.王小椿,吳

17、序堂,李艷斌.密切曲率法種自由曲面加工的新概念.西安交通大學(xué)學(xué)報,1992,26(5):5158.12.張瑞乾,王小椿,吳序堂.用密切曲率法加工自由曲面及其刀位軌跡的排列.西安交通大學(xué)學(xué)報,1997,31(12):5560.13.楊德武.彭芳瑜.周云飛.基于主曲率匹配的五坐標刀位軌跡優(yōu)化.華中科技大學(xué)學(xué)報.2001,29(12).811.14.霍穎,楊茂奎.用改進的等殘留高度法生成五軸NC加工刀位軌跡規(guī)劃.制造技術(shù)與機床.2005,(3)6769. 15.H.T.Young,L.C.Chuang,K.Gerschwiler,S.Kamps.Afive-axis roughmachining a

18、pproach for a centrifugal impeller. IntJAdv Manuf Technol.2004(23):233239. 附錄：外文翻譯In Wang Zuoliangs translation practices, he translated many poems, especially the poems written by Robert Burns. His translation of Burns “A Red, Red Rose” brought him fame as a verse translator. At the same time, he p

19、ublished about ten papers on the translation of poems. Some argue that poems cannot be translated. Frost stresses that poetry might get lost in translation. According to Wang, verse translation is possible and necessary, for “The poet-translator brings over some exciting work from another culture an

20、d in doing so is also writing his own best work, thereby adding something to his culture. In this transmission and exchange, a richer, more colorful world emerges. ”(Wang, 1991:112). Then how can we translate poems? According to Wangs understanding, the translation of poems is related to three aspec

21、ts: A poems meaning, poetic art and language. （1）A poems meaning “Socio-cultural differences are formidable enough, but the matter is made much more complex when one realizes that meaning does not consist in the meaning of words only, but also in syntactical structures, speech rhythms, levels of sty

22、le.” (Wang, 1991:93).（2）Poetic art According to Wang, “Blys point about the marvelous translation being made possible in the United States only after Whitman, Pound and Williams Carlos Williams composed poetry in speech rhythms shows what may be gained when there is a genuine revolution in poetic ar

23、t.” (Wang, 1991:93).（3）Language “Sometimes language stays static and sometimes language stays active. When language is active, it is beneficial to translation” “This would require this kind of intimate understanding, on the part of the translator, of its genius, its idiosyncrasies, its past and present, what it can do and what it choose not to do.” (Wang, 1991:94). Wang expresses the difficulties of verse translation. Frosts comment is sufficient to prove the difficulty a translator has to