CN103317171B - 基于铸造毛坯的大型水轮机叶片多轴联动数控加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于铸造毛坯的大型水轮机叶片多轴联动数控加工方法，所述方法步骤包括：1）采用大型三坐标检测机对水轮机叶片毛坯进行三维坐标检测，运用扫描仪对叶片毛坯进行点云采集；2）根据步骤1）中得到的叶片毛坯三维坐标数据和点云数据，计算机对叶片毛坯的三维坐标数据和点云数据处理后生成叶片实体毛坯的计算机模型；3）基于步骤2）得到的叶片实体毛坯的计算机模型对巨型水轮机叶片的毛坯实体通过数控编程进行加工，规划刀位轨迹，并进行机床模拟切削仿真。本发明方法可得到准确的叶片毛坯实体计算机模型，对毛坯实体可进行灵活的预处理；刀位轨迹空刀较少，加工效率高；刀位可靠，减少质量事故；机床切削状况好，有效利用率高。

Description

基于铸造毛坯的大型水轮机叶片多轴联动数控加工方法

技术领域

本发明涉及一种大型水轮机叶片数控加工方法，特别涉及一种基于铸造毛坯的大型水轮机叶片多轴联动数控加工方法。

背景技术

水轮机是水力发电的原动机，水轮机转轮叶片的优劣对水电站机组的安全、可靠性、经济性运行有着巨大的影响。水轮机转轮叶片是非常复杂的雕塑面体。在大中型机组制造工艺上，长期以来采用的“砂型铸造—砂轮铲磨—立体样板检测”的制造工艺，不能有效地保证叶片型面的准确性和制造质量。目前采用的多轴联动数控加工技术是当今机械加工中的尖端高技术，大型复杂曲面零件的数控加工编程则是实现其数字化制造的最重要的技术基础，其数控编程技术是一个数字化仿真评价及优化过程，其关键技术包括：复杂形状零件的三维造型及定位，五轴联动刀位轨迹规划和计算，加工雕塑曲面体的刀轴控制技术，切削仿真及干涉检验，以及后处理技术等。大型复杂曲面的多轴联动数控编程技术使雕塑曲面体转轮叶片的多轴数控加工成为可能,这将大大推动我国水轮机行业的发展和进步，为我国水电设备制造业向着先进制造技术发展奠定基础。但是目前在大型水轮机叶片的多轴联动数控加工技术中主要存在以下问题：

1）巨型水轮机的铸造毛坯余量极不均匀，且曲率变化很大，现有技术是在叶片的正、背面按照10×10网格布点测量，将测量点与叶片理论模型进行适配，确定最佳的加工位置。采用此方法存在的主要缺点：曲率较大区域和叶片表面的凸凹区域的毛坯状况不能准确掌握；毛坯的实体状况受人为因素和技术条件影响很大，没有办法得到毛坯实体。

2）现有技术是基于理论模型进行刀位轨迹规划，对巨型叶片的各制造特征进行分区域加工。在巨型叶片的多轴联动加工中，所生成刀位只能以理论模型作为参考生成刀位，刀位的可操作性较差，并且空刀位较多，影响了加工效率。

3）现有技术中机床操作者按照数控技术文件进行分区域加工，由于叶片余量极不均匀，对部分余量较大区域的加工还需进行多次抬刀处理，即对毛坯测量数据进行余量估算，确定整个加工区域的抬刀量，造成局部区域存在多次空走刀现象；粗加工过程中，部分切削工艺参数只能按理论值设定，而实际切削条件受毛坯状况影响很大，造成刀片使用寿命低和机床有效利用率低等现象。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种基于铸造毛坯的大型水轮机叶片多轴联动数控加工方法。本发明方法可得到准确的数控加工用毛坯实体计算机模型，对毛坯实体可进行灵活的预处理；刀位轨迹空刀较少，加工效率高；刀位可靠，减少了质量事故；机床切削状况好，有效利用率高。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种基于铸造毛坯的大型水轮机叶片多轴联动数控加工方法，所述方法步骤包括：

A、采用大型三坐标检测机对水轮机叶片毛坯进行三维坐标检测，运用扫描仪对叶片毛坯进行点云采集；

Ｂ、根据步骤A中得到的叶片毛坯三维坐标数据和点云数据，计算机对叶片毛坯的三维坐标数据和点云数据处理后生成叶片实体毛坯的计算机模型；

Ｃ、基于步骤B中得到的叶片实体毛坯的计算机模型对巨型水轮机叶片的毛坯实体通过数控编程进行粗加工，规划刀位轨迹，并进行机床模拟切削仿真；再基于粗加工过程的残留毛坯实体对叶片进行精加工，规划刀位轨迹，并进行机床模拟切削仿真。

其中，所述步骤B中，计算机依次通过点云处理技术、曲线曲面生成技术和毛坯实体生成技术对叶片毛坯的三维坐标数据和点云数据进行计算处理后生成叶片实体毛坯的计算机模型。

所述步骤C中，粗加工采用型腔铣，运用截平面法定义切削层，采用环切法生成每一截平面的刀位轨迹，粗加工工艺参数主要包括切削深度、切削边界条件、刀具参数设置、加工精度、步距。

所述步骤C中，精加工以粗加工留下的残留材料为毛坯，设置最小材料去除量、切削深度、加工余量参数，设置叶片中部平坦区域的刀位处理方法按残留高度法进行，叶片其余区域采用等高轮廓铣生成刀位轨迹。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明利用三维实体造型技术，采用大型三坐标检测机对水轮机叶片毛坯进行三维坐标检测，运用扫描仪对叶片毛坯进行点云采集，根据得到的叶片毛坯三维坐标数据和点云数据计算生成叶片实体毛坯的计算机模型，可得到准确的毛坯实体数控加工用毛坯计算机模型，对毛坯实体（如曲面的突变区域）可进行灵活的预处理。

2、本发明基于计算机生成的叶片实体毛坯的计算机模型对巨型水轮机叶片的毛坯实体进行数控编程粗加工，规划刀位轨迹，解决余量不均匀曲面的刀位轨迹规划问题，并进行机床模拟切削仿真，由计算机自动控制，刀位轨迹空刀较少，效率高；可预设合理的切削工艺参数，操作者不需要进行临时调整；减少刀具切入、切出材料时的冲击，延长了刀具寿命；并获得较为均匀的加工余量，为高速铣精加工创造条件；刀位可靠，减少了质量事故；机床切削状况好，有效利用率高。

3、本发明基于粗加工过程中的残留毛坯实体，即过程毛坯，对叶片进行精加工，规划刀位轨迹，并进行机床模拟切削仿真，能实时知道当前的毛坯状况，分析实际的加工区域，只在有毛坯的地方产生刀路轨迹，去除空走刀，并且自动寻找安全的下刀点位置，生成合理的加工程序；得到合理的、连续的基于残留材料的刀位轨迹，任何一道工序的完成，***都清楚地知道当前加工结果的毛坯残留状况；通过计算机可视化分析，用户也可根据需要自定特定形状的毛坯，利用毛坯信息可以优化随后产生的刀路轨迹，以便作出下一步加工的合理策略；根据叶型曲率、残留余量和加工受力情况，适时调整刀轴方向。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

本发明的一种基于铸造毛坯的大型水轮机叶片多轴联动数控加工方法，所述方法步骤包括：

A、采用大型三坐标检测机对水轮机叶片毛坯进行三维坐标检测，运用扫描仪对叶片毛坯进行点云采集。所述点云采集的步骤包括：1. 运用辅助工具将巨型叶片平放于工作台上，使叶片的对应角点在同一高度上；2.对叶片表面喷涂处理，以减少反光面积；3.选用接触式测头测量定位销中心点数据；4.选用激光扫描头，校正测头；5.根据叶片曲率变化情况和扫描头的使用范围，调整扫描头角度，采用仿形沿叶片曲面参数线方向规划扫描路径，确定扫描参数，包括移动速度、位移量、扫描行距、起始点等；6.确定翻面扫描基准；7.翻面扫描，输出点云数据。

Ｂ、根据步骤A中得到的叶片毛坯三维坐标数据和点云数据，计算机对叶片毛坯的三维坐标数据和点云数据处理后生成叶片实体毛坯的计算机模型。本发明利用三维实体造型技术，采用大型三坐标检测机对水轮机叶片毛坯进行三维坐标检测，运用扫描仪对叶片毛坯进行点云采集，根据得到的叶片毛坯三维坐标数据和点云数据计算生成叶片实体毛坯的计算机模型，可得到准确的毛坯实体数控加工用毛坯计算机模型，对毛坯实体（如曲面的突变区域）可进行灵活的预处理。

C、基于步骤B中得到的叶片实体毛坯的计算机模型对巨型水轮机叶片的毛坯实体通过数控编程进行粗加工，规划刀位轨迹，解决余量不均匀曲面的刀位轨迹规划问题，并进行机床模拟切削仿真，所述粗加工采用型腔铣，运用截平面法定义切削层，以深度优先的原则，采用环切法生成每一截平面的刀位轨迹，粗加工工艺参数主要包括切削深度、切削边界条件、刀具参数设置、加工精度、步距等，由计算机自动控制，刀位轨迹空刀较少，效率高；可预设合理的切削工艺参数，操作者不需要进行临时调整；减少刀具切入、切出材料时的冲击，延长了刀具寿命；并获得较为均匀的加工余量，为高速铣精加工创造条件；刀位可靠，减少了质量事故；机床切削状况好，有效利用率高。

所述粗加工完成后再基于粗加工过程的残留毛坯实体对叶片进行精加工，规划刀位轨迹，并进行机床模拟切削仿真。所述精加工以粗加工留下的残留材料为毛坯，设置最小材料去除量、切削深度、加工余量参数，设置叶片中部平坦区域的刀位处理方法按残留高度法进行，叶片其余区域采用等高轮廓铣生成刀位轨迹，基于残留毛坯实体对叶片进行精加工，规划刀位轨迹，能实时知道当前的毛坯状况，分析实际的加工区域，只在有毛坯的地方产生刀路轨迹，去除空走刀，并且自动寻找安全的下刀点位置，生成合理的加工程序；得到合理的、连续的基于残留材料的刀位轨迹，任何一道工序的完成，***都清楚地知道当前加工结果的毛坯残留状况；通过计算机可视化分析，用户也可根据需要自定特定形状的毛坯，利用毛坯信息可以优化随后产生的刀路轨迹，以便做出下一步加工的合理策略；根据叶型曲率、残留余量和加工受力情况，适时调整刀轴方向。

本发明方法所述步骤B中，计算机依次通过点云处理技术、曲线曲面生成技术和毛坯实体生成技术对叶片毛坯的三维坐标数据和点云数据进行计算处理后生成叶片实体毛坯的计算机模型。具体的，所述点云处理技术为：先对扫描点云进行预处理，采用中值滤波算法对数据进行平滑；采用等分布密度法和最小包围区域法对数据进行精简；采用双向非均匀化网格方法得到叶片的自由曲面数据点云。所述曲面生成技术为：采用基于边的数据分割方法将叶片分为多个子区域，对每个子区域的测量数据拟合，生成曲面，对曲面片进行编辑操作，包括正面、背面、上冠面、下环面间的过渡、拼接和裁剪等特征操作。所述毛坯实体生成技术为：按照数控加工工艺技术要求对各曲面片进行缝合，得到可直接运用于数控编程的叶片毛坯实体模型。

本发明利用三维实体造型技术，采用大型三坐标检测机对水轮机叶片毛坯进行三维坐标检测，运用扫描仪对叶片毛坯进行点云数据采集，根据得到的叶片毛坯三维坐标数据和点云数据计算生成叶片实体毛坯的计算机模型，可得到准确的毛坯实体数控加工用毛坯计算机模型，对毛坯实体（如曲面的突变区域）可进行灵活的预处理。

本发明基于计算机生成的叶片实体毛坯的计算机模型对巨型水轮机叶片的毛坯实体进行数控编程粗加工，规划刀位轨迹，解决余量不均匀曲面的刀位轨迹规划问题，并进行机床模拟切削仿真，由计算机自动控制，刀位轨迹空刀较少，效率高；可预设合理的切削工艺参数，操作者不需要进行临时调整；减少刀具切入、切出材料时的冲击，延长了刀具寿命；并获得较为均匀的加工余量，为高速铣精加工创造条件；刀位可靠，减少了质量事故；机床切削状况好，有效利用率高。

本发明基于粗加工过程中的残留毛坯实体，即过程毛坯，对叶片进行精加工，规划刀位轨迹，并进行机床模拟切削仿真，能实时知道当前的毛坯状况，分析实际的加工区域，只在有毛坯的地方产生刀路轨迹，去除空走刀，并且自动寻找安全的下刀点位置，生成合理的加工程序；得到合理的、连续的基于残留材料的刀位轨迹，任何一道工序的完成，***都清楚地知道当前加工结果的毛坯残留状况；通过计算机可视化分析，用户也可根据需要自定特定形状的毛坯，利用毛坯信息可以优化随后产生的刀路轨迹，以便做出下一步加工的合理策略；根据叶型曲率、残留余量和加工受力情况，适时调整刀轴方向。本发明中所用到的设备均为现有技术，不再详述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于铸造毛坯的大型水轮机叶片多轴联动数控加工方法，其特征在于，所述方法步骤包括：

A、采用大型三坐标检测机对水轮机叶片毛坯进行三维坐标检测，运用扫描仪对叶片毛坯进行点云采集；

Ｂ、根据步骤A中得到的叶片毛坯三维坐标数据和点云数据，计算机对叶片毛坯的三维坐标数据和点云数据处理后生成叶片实体毛坯的计算机模型；

Ｃ、基于步骤B中得到的叶片实体毛坯的计算机模型对大型水轮机叶片的毛坯实体通过数控编程进行粗加工，规划刀位轨迹，并进行机床模拟切削仿真；再基于粗加工过程的残留毛坯实体对叶片进行精加工，规划刀位轨迹，并进行机床模拟切削仿真；

其中，所述步骤B中，计算机依次通过点云处理技术、曲线曲面生成技术和毛坯实体生成技术对叶片毛坯的三维坐标数据和点云数据进行计算处理后生成叶片实体毛坯的计算机模型；

所述步骤C中，粗加工采用型腔铣，运用截平面法定义切削层，采用环切法生成每一截平面的刀位轨迹，粗加工工艺参数主要包括切削深度、切削边界条件、刀具参数设置、加工精度、步距。

2.根据权利要求1所述的基于铸造毛坯的大型水轮机叶片多轴联动数控加工方法，其特征在于，所述步骤C中，精加工以粗加工留下的残留材料为毛坯，设置最小材料去除量、切削深度、加工余量参数，设置叶片中部平坦区域的刀位处理方法按残留高度法进行，叶片其余区域采用等高轮廓铣生成刀位轨迹。