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面向叶片加工的数控砂带抛磨系统的研究

石璟  
【摘要】: 叶轮机械在航空航天,电力能源等行业应用广泛。其核心部件叶片因其特殊的自由曲面外形,属于典型的难加工零件。在国内在叶片加工领域,与铣削加工高精度与高效率形成鲜明对比的是,对叶片自由形面的抛磨加工仍然停留在以人工抛磨为主的阶段。随着叶片尺寸的不断增大,产量需求的不断上升,叶片自动化机械抛磨已经成为限制高质量叶片生产的瓶颈。因此,研制一套经济,高效,具有自主知识产权的叶片形面抛磨系统,解决叶片加工中铣削与抛磨自动化程度不对称的局面,具有切实意义。 本文抓住切削加工中刀具与工件的相对位姿这个关键因素,借鉴砂带磨削的加工特点,分析并提出了机床的运动轴数和机构的空间分布。通过分析机床的运动学模型,提出了机床运动机构的配置原则。通过将机床视为特殊结构的机器人,反解了机床的各个关节运动参量,解决了本模型无封闭解的问题。提出适合多轴数控砂带磨削的接触轮控制策略——法向接触法。此法可有效利用机床的结构刚度,简化机床运动学模型的反解计算工作,并且方便实现磨削过程中磨削压力的控制。为了兼顾加工过程中的无干涉磨削与高效磨削,提出了接触轮外形应采用鼓形接触轮,并给出了接触轮回转轴方向与进给方向的控制策略。 基于UG二次开发功能,以叶片的CAD模型为基础,通过对叶片自由曲面上任意的分析,获得叶片上每一点的精确位置坐标和相应的法向矢量及曲面的各向法曲率分布等信息,以此为依据来进行刀具轨迹规划,刀触点的拾取,并获得刀位点信息。同时还可以在自由形面上划分加工区域来规避诸如叶根、叶冠和筋板等难于编程加工的区域。 利用UG提供的虚拟装配和运动仿真模块,建立数控抛磨系统的虚拟机床模型,实现叶片在机床上的虚拟装夹。对抛磨过程中材料的去除情况及磨削后的残余高度进行了仿真,从而对最终的加工精度进行定量分析,以验证刀具轨迹分布的合理性与正确性。利用反解得到的运动参量来驱动虚拟机床的各个运动关节,可以观察整台机床在运动过程中运动部件之间是否会发生干涉,并利用刀位文件的交互模式对错误的刀具轨迹及时做出调整与修改,保证刀位信息的可靠。


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