汽輪機葉片虛擬制造仿真研究

胥家良，邱興林，李啟元，熊小聰

(東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000)

汽輪機葉片虛擬制造仿真研究

胥家良，邱興林，李啟元，熊小聰

(東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000)

文章通過VERICUT平臺，定制開發汽輪機葉片虛擬仿真控制系統，實現汽輪機葉片虛擬制造仿真。該仿真控制系統可提高汽輪機葉片數控加工程序的安全性、產品質量、制造系統的工作效率和數字化車間基礎數據的準確性。

虛擬仿真，機床，控制系統，刀具，VERICUT，碰撞，超程

0 引言

在國內外汽輪機葉片制造同行業中，虛擬仿真應用比較廣泛，公司生產汽輪機葉片的設備種類多，機床系統都和其他同行企業不相同，因此公司針對自己的設備在VERICUT仿真平臺進行定制開發，創建屬于自己的虛擬仿真系統。推動數字化車間相關技術在汽輪機制造行業應用示范，針對現有的先進數控加工裝備和加工中心，結合CAM技術，實現虛擬仿真加工，虛擬葉片制造過程，降低質量和安全風險。

1 葉片車間高端五坐標數控加工虛擬仿真制造系統總體設計

1.1 機床運動分析

機床運動分析，根據機床的運動方式可將機床的結構分為兩條運動鏈，分別為 “工件-機架運動鏈”和 “刀具-機架鏈” （見圖1）。用C表示刀具，W表示工件，B表示機架 （床身），P表示移動軸，R表示轉動軸，則數控機床的型可以表示為C-B-W的形式，其中C和B、B和W之間依次插入各坐標軸 （運動副）的代號P或R。在機床處于初始狀態時，機床的結構尺寸用上述各坐標系的坐標原點的位置矢量表示。對于BC鏈，結構尺寸為：

rci： 原點 0ci在坐標系 0c（i-1）中的坐標 （i=2，3…m，）

方向矢量nwi表示為：

圖1 機床運動結構及坐標系

數控機床的運動方式是刀具相對于工件的加工運動。機床運動鏈各個運動副的合成運動是刀具相對于工件的運動。刀具與工件的相對運動和各運動副運動相互關系的模型是機床結構的運動模型。在機床運動結構中分別將刀具坐標系、工件坐標系及機床坐標系連在一起，機床中的運動關系可用這些坐標系之間的坐標轉換矩陣來表達。相鄰坐標系坐標的矩陣轉換，機床運動鏈中任意兩相鄰坐標系之間的坐標矩陣轉換由機床的結構模型和機床各坐標軸的運動量決定。用BW鏈為例進行說明。BW鏈上任意兩相鄰坐標系0wi與0w（i-1）（i=1，2， …，n，n+1），其中，當 i=n+1 時， 0wi代表工件坐標系0w，當 i=1時，0w（i-1）代表機床坐標系DB，從坐標系0wi到坐標系 0w（i-1）的坐標變換矩陣為0wi，則：

坐標之間初始位置關系決定的平移變換矩陣，見式 （5）。

在0w（i－1）坐標系中的位置矢量是rwi坐標系0wi的原點，由式（2）確定。

M （nwi，swi）坐標系0wi隨其運動副動構件繞nwi或沿nwi相對初始位置轉動或移動。

運動量Swi的矩陣變換，nwi由式（3）確定。

Swi為直線運動位移，機床坐標軸是平動軸，M（nwi，Swi）為平動矩陣變換。

Swi旋轉角位移，機床坐標軸是轉動軸，M（nwi，Swi）為旋轉矩陣變換。

在式（8）、（9）中， 當 i=n＋1 時， 由于工件坐標系Ow和相鄰的機床坐標系Owm連在同一構件上，兩者無相對運動，此時：

對于BC鏈，任意相鄰坐標系之間的坐標矩陣變換同樣可以得到：

式中 rci， nci分別為式（1）、 （3）確定。

P（rci）和 M（nci，sci）依照式（5）～（9）相似， 不再贅述。

1.2 在VERICUT平臺定制開發總體設計

在VERICUT平臺中分別創建機床環境、控制系統、刀具庫，最終構成虛擬制造仿真系統。汽輪機葉片虛擬制造仿真系統總體設計方案見圖2。

圖2 仿真系統設計方案

2 葉片分廠高端五坐標數控機床虛擬仿真環境開發

2.1 創建仿真機床環境

VERICUT仿真機床環境是指將實際機床按一定形狀抽象尺寸進行描繪，并按照各部件間運動依附關系和邏輯結構關系組合而成的機床抽象模型。該模型應該能真實反映機床各個坐標軸的運動關系和邏輯關系，按1.1節所示算法求解即可再現機床運動軌跡。機床組件拓撲結構，建立機床組件模型，設定機床相關參數見圖3。設置完機床的各種功能后保存.mch機床文件,以后仿真時直接調用該機床文件就可以了。

圖3 LIECHTI機床拓撲結構和機床行程極限設定

2.2 仿真系統控制文件設計

機床創建好后，機床是不能運動的。需要配置控制系統解讀數控代碼、插補運算等功能。在VERICUT中配置控制系統是通過設置文字格式、文字/地址、控制設定、高級選項來建立的。配置完控制系統后，保存.ctl控制系統文件，以后仿真時直接調用該控制系統文件就可以了。

2.3 創建刀具庫

在VERICUT中通過建立刀具、刀柄、刀具命名、夾持點設定建立一把完整的刀具，建好常用的刀具保存成.tls刀具文件，刀具庫就建好了。圖4是LIECHTI機床的刀具庫。

圖4 LIECHTI刀具庫

3 汽輪機葉片虛擬制造仿真實例

仿真準備：機床：LIECHTI 2000；控制系統：SINUMERIK 840D；刀具:葉片分廠LIECHTI 2000常用刀具庫；加工產品:D350BD-203005A001。仿真流程見圖5。

圖5 仿真流程

假設誤差分析，輔助分析設備誤差和質量問題產生的原因。首先在機床沒有問題的情況下，將加工程序仿真一遍，然后假設機床B軸中心距有誤差（誤差2 mm），將仿真機床文件中B軸的Z坐標值改小2 mm，最后在正常仿真的基礎上再仿真一次，就可以發現機床的誤差會導致葉片過切，見圖6。

圖6 修改機床結構樹中B軸Z值 （-100改成-102）導致葉片過切

葉片虛擬制造仿真系統的研究和開發，實現了以下功能：（1）葉片數控加工程序語法是否正確可以進行判斷；（2）葉片數控加工完整過程仿真，可以在虛擬環境中看到數控機床執行程序進行加工的每一個細微的動作；（3）在虛擬環境中測量仿真完的葉片各尺寸是否滿足工藝要求；（4）分析和比較葉片的殘留區域和過切區域；（5）檢測葉片數控加工程序在加工過程中是否有碰撞和超程；（6）可以在虛擬仿真環境中對數控加工程序進行優化，提升加工效率；（7）可以在LIECHTI2000機床虛擬仿真環境中仿真在線測量程序，提高在線測量的安全性；（8）輸出加工報告，報告中有完整的程序、刀具、加工時間和加工參數信息。（9）可以輸出過程模型；（10）為工廠提供數控加工基礎數據。

4 結論

汽輪機葉片虛擬制造仿真系統實現對汽輪機葉片加工程序正確性的驗證，實現模擬葉片加工程序在數控機床的實際運動，檢查潛在的碰撞錯誤和超程錯誤，避免加工過程中碰撞的風險和超程錯誤，實現了對葉片加工程序優化，提高汽輪機葉片加工效率，延長刀具壽命。通過VERICUT平臺對葉片分廠高端五坐標數控機床虛擬制造環境的搭建，實現了汽輪機葉片虛擬制造仿真，有效提高了葉片數控程序的安全性和產品質量，提高了葉片制造的工作效率，提高了數字化車間基礎數據的準確性。

[1]楊勝群.VERICUT7.0中文版數控加工仿真技術[M].北京:清華大學出版社,2010.

[2]何耀雄,徐起賀,周艷紅.任意結構數控機床機構運動學建模與求解[J].機械工程學校,2002,38（10）：31-36.

Research on Virtual Manufacturing Simulation of Steam Turbine Blade

Xu Jialiang， Qiu Xinglin，Li Qiyuan， Xiong Xiaocong

（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Through the VERICUT platform,the virtual simulation control system for steam turbine blades was customized and the virtual manufacturing simulation of steam turbine blades was realized.The simulation control system could improve the safety of turbine blade CNC machining programs,product quality,manufacturing system efficiency and the accuracy of basic data in digital workshop.

virtual simulation,machine tool,control system,tool,VERICUT,collision,super

TK266

B

1674-9987（2017）04-0053-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.04.012

項目說明：國家科技支撐計劃，項目名稱——面向大型汽輪機及發動機等關鍵零部件制造的數字化車間

項目編號：2015BAF02B00

胥家良 （1985-），男，助理工程師，畢業于西南科技大學機械設計制造及自動化控制專業，現主要從事于葉片工藝工作。