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叶片双面磨抛系统及路径规划研究

李大奇  
【摘要】:叶片是航空发动机、汽轮机、水轮机、风力发电机等动力装置的重要组成部件,长期在高压、高温、高腐蚀等恶劣条件下工作,通常选用合金材料作为叶片的基材,叶片质量的好坏对动力装置的性能有着重要影响。国外开发了很多数控设备来进行叶片磨抛加工,但在国内叶片磨抛设备还不普及,本文开发了一种新型叶片双面磨抛机床。根据叶片型面特点,从机床的结构设计、运动控制、加工轨迹规划和运动学分析等方面开展了较为深入的研究工作。 机床本体由床身、双X向工作台、双Z向工作台、Y向工作台、旋转工作台C和翻转夹具B共同组成。磨抛工具系统作为一个独立的单元与Z向工作台固联在一起。对于叶片双面同步加工区域,双X向工作台、双Z向工作台带动磨抛工具系统运动,沿各自轨迹线对叶片背弧面和内弧面同步进行加工 结合机床的构型特点,基于模块化的思想,开发了PC机+PMAC方式的开放式数控系统。该数控系统由上位机、下位机和执行器模块组成。上位机为PC机,包括路径规划模块、运动求解模块、加工仿真模块、运动调试模块、信息显示模块和压力控制模块。下位机PMAC通过数据通信接收上位机信息,对机床的七个运动轴进行控制,将运动指令发送到执行器模块实现最终的运动控制。 采用三坐标测量机对叶片数据进行采集,获取叶片不同区域的散乱数据,采用逆向工程软件对散乱数据点重新进行筛选、拼合、修补后得到了叶片三维实体模型。在研究分层原理的基础上,提出了先判断与截平面相交的三角面片,再对三角面片建立拓扑关系,最后求取交点轮廓线的求取算法,该算法能很好地满足叶片轮廓线求取的需要。 以求取的轮廓线交点作为控制顶点,采用三次非均匀B样条曲线,对数据点进行拟合。根据加工分析,将叶片加工过程分为双面同步加工和联动加工。根据磨抛工具的结构特点,求取接触轮包角,并将包角临界点处的法向量与基准轴的夹角作为加工轨迹线的分段依据,计算拟合曲线上点的法向量与基准轴的夹角,当两者一致时,将拟合曲线上该点作为加工轨迹的分段点。经过分段处理的拟合曲线分为两个区域,可直接双面同步加工区域和干涉区域,对于干涉区域采用联动的方式进行加工。 在双面加工过程中,为保证两侧磨抛工具系统的接触轮与叶片型面接触,需要调整转台C的旋转角度。本文根据截平面内交点的法向量平均值与截平面的夹角关系,研究了加工过程中转台转角γ的取值。在加工宽度的选取上,根据两轨迹线的转台转角差值、加工余量等因素,提出了加工宽度优化方法,并给出了加工宽度的求解算法。 针对机床在叶片磨削加工中的两种运动模式,分别建立了双面同步磨抛和五轴联动磨抛加工的运动学模型,并给出了运动学逆解算法。以其中一条加工轨迹线为例进行了逆运动学求解运算,将计算得出的运动结果映射到机床的各运动轴,分析各轴的运动规律。建立了机床仿真模型,将运动学逆解得出的结果作为输入条件,对加工运动进行仿真。结果表明,仿真过程中得到的加工轨迹线与预先给定的加工轨迹线相一致,从而验证了运动学模型和逆解算法的正确性。 进行了磨抛实验研究,结果表明,在磨抛进给速度、砂带粒度和砂带转速三个影响因素中,砂带粒度对叶片磨抛后的表面质量影响最大,其次为磨抛进给速度和砂带转速。优化加工参数组合,磨抛后叶片的表面粗糙度可以达到0.735μm。


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