CN108829037A - 一种基于ug的螺旋桨的整体数控加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于UG的螺旋桨的整体数控加工方法，包括针对各种类型的螺旋桨在UG NX建模、通过UG CAM加工模块编辑生成加工刀路轨迹、通过VC++编程后处理程序将UG CAM加工模块生成的刀路轨迹翻译为CNC机床可以识别并直接使用的NC代码，并且通过VERICUT软件进行机床建模然后将生成的NC代码输入该软件进行加工仿真验证，检验有无欠切、过切和干涉等现象。最后通过VERICUT的OptiPath模块进行切削速度优化，在不改变NC加工代码的前提下在原来代码基础上添加速度代码，以此来优化加工速度。
Description
技术领域
本发明属于多轴加工技术领域，应用重型七轴五联动龙门铣加工机床对船用螺旋桨进行加工制造，具体涉及一套对螺旋桨整体的数控加工方法。
背景技术
大型舰船用螺旋桨是舰船等重型动力机械的核心部件，其加工质量的好坏直接影响了推进器的使用性能和舰船服役水平。螺旋桨的工作环境恶劣并且长时间告诉工作，加工质量低下的螺旋桨会造成噪声过大、磨损过早等问题。长期以来，国内的大型舰船用螺旋桨一直采用传统的加工方法：砂型毛坯铸造、砂轮打磨(半机械化初磨、人工精磨)、样板检查。这用传统的加工方法在很大程度上取决于生产工人的操作水平，无法准确地对螺旋桨进行造型，不能保证螺旋桨的高精度、高强度等较高的要求。
五轴数控加工技术是实现大型复杂自由曲面零件高精、高效加工的重要手段，是提高大型舰船用螺旋桨加工质量和生产效率的有效手段。由此可以显著提高舰船螺旋桨的推进效率和提高潜艇航行的隐蔽性。因此，通过研究利用现有的CAD/CAM软件来设计、加工出螺旋桨，并利用现有机床仿真技术进行加工仿真来模拟真实的加工情况，对类似零件的实际生产加工具有非常重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的是针对加工螺旋桨的现有技术和设备提出一整套的螺旋桨的数控加工方法。包括针对各种类型的螺旋桨在UG NX建模、通过UG CAM加工模块编辑生成加工刀路轨迹、通过VC++编程后处理程序将UG CAM加工模块生成的刀路轨迹翻译为CNC机床可以识别并直接使用的NC代码，并且通过VERICUT软件进行机床建模然后将生成的NC代码输入该软件进行加工仿真验证，检验有无欠切、过切和干涉等现象。最后通过VERICUT的OptiPath模块进行切削速度优化，在不改变NC加工代码的前提下在原来代码基础上添加速度代码，以此来优化加工速度。
为实现上述目的，本发明所述的一种基于UG的螺旋桨的整体数控加工方法，具体包括以下多个步骤：
步骤一 基于UG NX建模模块构建AU型螺旋桨模型；
步骤二 对构建的模型进行光顺度检测；
对步骤一构建AU型螺旋桨模型在UG中对其光顺度进行检测，若光顺度不合格，则转回步骤一通过改变控制点坐标对AU型螺旋桨模型进行调整，若合格进行步骤三；
步骤三 根据建好的AU型螺旋桨模型进行加工的编程；
根据加工工艺划分，将整个工件加工分为三轴开粗加工、流道半精精加工、叶片精加工，最后生成加工的刀路轨迹；
步骤四 刀轨确认；
根据生成加工的刀路轨迹在UG CAM加工模块内进行刀路确认，以此来检验加工仿真是否存在干涉或者过切现象。若存在，则转回步骤三进行调整，若不存在，则进行步骤五；
步骤五 基于VC++编制后置处理程序；
根据具体的加工机床各轴之间存在的运动链关系，通过VC++编制后置处理程序。凭借后处理程序可以将步骤五中生成的刀具运动的刀轨数据坐标转变为机床的运动并且生成机床能够识别的加工程序；
步骤六 基于后置处理程序生成NC代码
根据生成的刀路路径，生成刀位源文件CLSF，其记录了加工类型、刀具参数、加工坐标系、加工坐标值等信息。对CLSF文件进行后置处理操作，生成能够直接输入机床的NC代码，即G代码；
步骤七 在软件VERICUT中建立机床运动仿真模型；
在UG建模模块中建立机床各运动轴的三维模型，然后在软件VERICUT中根据实际加工使用的机床的运动链和相互位置关系组合起来，并配置好相关操作***，完成机床运动仿真的创建；
步骤八 在软件VERICUT中进行加工运动仿真；
将步骤六中生成的NC代码文件输入步骤七中建立好的机床运动仿真模型，进行机床加工仿真，以及检验是否存在干涉、过切以及机床碰撞和临界碰撞等问题，通过步骤八可以有效提高加工效率并提高加工安全性。若存在问题，则返回步骤三进行加工编程的修改，若不存在，则进行步骤九；
步骤九 应用VERIVUT进行进给速度优化；
应用VERICUT软件的OptiPath模块，根据当前的切削条件和材料去除量，为各个切削条件指定最佳的进给率，然后输出一个新的数控NC代码程序。新的数控NC代码程序除了改进进给率，其余均与原来的相同，并不会改变原有的刀具轨迹。
步骤十 将利用生成的NC程序代码，输入机床进行螺旋桨的加工。
作为本发明的进一步改进，所述的方法为七轴五联动数控加工方法。
作为本发明的进一步改进，所述的建模软件为UG NX 8.0及以上版本。
作为本发明的进一步改进，所述的加工CAM软件为UG NX的加工模块。
作为本发明的进一步改进，在所述的步骤一中，首先根据正向设计建模的思路分析螺旋桨桨叶形成的原理，通过UG从逆向的角度进行螺旋桨的建模。根据螺旋桨设计图谱的不同主要分为AU型、B型、SSPA型、Ma型等，本发明采用AU型螺旋桨为例进行建模。通过图谱获得AU型螺旋桨叶切面尺寸表和起重船AU型螺旋桨桨叶轮廓尺寸表，将17个叶切面的轮廓数据以bat格式文件输入到UG中，再通过样条曲线进行拟合获得17个叶切面的轮廓，再通过计算得到各个叶切面的螺旋角进行旋转，然后将每个叶切面分别缠绕到各自所在的圆柱面上。最后通过UG的曲面功能将各个轮廓线行程曲面，再延长、面倒圆最后行程可用于下一步骤的螺旋桨模型。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤三中，基于UG NX的CAM加工模块，将螺旋桨模型划分为几个不同的区域，对各个区域采用不同的刀具路径轨迹，确定刀具尺寸，步长和行距。分别应用了UG的型腔铣模块对螺旋桨进行整体三轴粗加工，其次应用UG特有的叶轮加工模块，对叶片进行半精、精加工，通过设置刀轴矢量自动，驱动选择叶片侧面精加工的驱动方式，实现小切深、快进给。最后采用叶轮加工模块的流道精加工方式，驱动方式选择流道精加工驱动，刀轴通过UG软件自动计算出既不会发生干涉又能使刀轴平缓过渡的刀轴矢量，以此方法生成刀具加工轨迹路径。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤五中，对本发明所使用机床建立运动学模型表达式，将机床运动方式划分为两种运动形式：
a)标准运动形式：X轴、Z轴、Y轴、C1轴和C2轴(3个线性轴+2个旋转轴)；
b)特殊运动方式：X轴、Z轴、B1轴、C1轴和C2轴(2个线性轴+3个旋转轴)；
根据建立的运动模型表达式，对上述两种运动形式分别进行机床运动求解，根据刀位文件中的刀位数据反求机床各平动轴和转动轴的运动量。再利用C++开发计算程序，将刀位文件计算转换为标准NC代码。
作为本发明的进一步改进，在所述的步骤八中，将后处理完成的NC代码输入到建立好的VERICUT机床运动模型中，使其可以仿照机床的真实运动进行模拟。该步骤可以更加直观地了解到加工过程中机床的真实运动情况，可以检测出有无机床碰撞、过切等其他仿真软件无法实现的功能。
作为本发明的进一步改进，在所述的步骤九中，利用VERICUT软件中的OptiPath模块，进行加工进给速度的优化。传统的加工方式在加工过程中的进给速度是不会根据加工厚度的变化而发生改变的，而使用OptiPath模块进行速度优化可以根据不同的加工厚度实时进行加工进给速度的调整，在原有NC代码的基础上只添加速度控制代码，使得加工效率更高。
总体来说，本发明所述的数控加工方法相对于传统技术，具有以下技术效果：
1)不需要实际的加工操作，只需要进行仿真就可以把螺旋桨数控加工的全过程实现，并且可以根据仿真过程中出现的种种问题进行实时改进；
2)在VERICUT进行NC代码的仿真，使得加工过程不需要实际试加工就可以发现机床加工中出现的问题，另外实现了机床的不同加工厚度的进给加工速度的实时调整，提高了加工效率，节约了加工时间；
3)本发明在螺旋桨叶片表面采用侧刃顺铣成形法，刀具顺着叶片表面进行铣削，采用可变轴轮廓铣的方法，生成的刀具路径具有小切深、平缓过渡的优点；
4)本发明针对叶片较多的螺旋桨的加工，将叶片划分为重叠区和非重叠区，对于不同的加工区域，采用不同的加工驱动方式，有效地避免了过切现象，也使得加工出的零件质量更高，可以有效提高螺旋桨的工作效率和使用性能。
附图说明
图1.为按照本发明实施例的基于UG的螺旋桨的整体数控加工方法流程图；
图2.为按照本发明实施例的螺旋桨结构简图；
图3.为按照本发明实施例的螺旋桨三维模型图；
图4.为本发明实施例的螺旋桨加工工艺流程图；
图5.为本发明实施例的三轴一次开粗后材料图；
图6.为本发明实施例的三轴一次正面开粗刀具轨迹；
图7.为本发明实施例的三轴二次背面开粗刀具轨迹；
图8.为本发明实施例的流道半精加工刀具轨迹；
图9.为本发明实施例的叶片精加工刀具轨迹；
图10.为本发明实施例所使用的七轴五联动机床模型；
图11.为本发明实施例的VERICUT机床仿真模型的运动树；
图12.为本发明实施例的VERICUT机床仿真模型；
图13.为本发明实施例的叶片叶切面轮廓线；
图14.为本发明实施例的叶片所进行的曲面光顺度检测；
具体实施方式
为了使本发明的目的、具体实施程序、技术方案和有点表达地更为明了，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步地解释说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
以七轴五联动重型数控加工机床为例(图10)
如图例所示，本发明实施例的加工方法具体包括以下多个步骤：
步骤一 依据螺旋桨图谱建立螺旋桨三维模型
如图2、图3所示，螺旋桨的基本构造主要包括桨叶和桨毂。桨叶固定于桨毂上，是产生推理的主要承载部件，数目通常为2～6叶。主要包括叶背、叶面、导边、随边、叶根、叶梢等。由于桨叶叶片是根据螺旋面获得的，其叶背、叶面分别产生吸力和推力，叶片适宜的厚度和光滑、连续的切面形状是螺旋桨性能的保证。本发明所使用的建模方法为根据螺旋桨图谱的尺寸进行的相关工作。即根据AU型螺旋桨的二维叶切面型值表，将一系列不同半径处(0.2r,0.3r……,0.95r)处的叶切面轮廓点以坐标的形式编辑成.dat格式的文件输入到UG中，并通过样条拟合(NURBS型线)的形式形成17个不同半径处的叶切面轮廓线和叶型外轮廓线，对各个叶切面所在半径的螺距角进行计算并对相应的叶切面进行旋转，然后再讲轮廓线缠绕到相应半径处的圆柱上，最后得到实际的桨叶轮廓线，如图13所示。然后利用蒙皮技术，通过叶切面轮廓线得到相应的曲面，再将曲面封闭得到相应的光顺的叶片实体。最后在进行面倒圆得到叶根角，而后通过复制旋转得到多个叶片，得到如图3所示的三维模型。
步骤二 对构建的模型进行光顺度检测
在进行完步骤一得到螺旋桨三维模型后，对叶片进行光顺度检测，获得如图14所示效果，如果不合格则再返回步骤一中，再对其中的型值点进行调整。通过光顺度检测和调整可以有效地提高叶片表面自由曲面的质量，具有较高的可靠度和准确性，为后面进行的加工编程的相关操作提供了有力的技术支持。
步骤三 根据建好的AU型螺旋桨模型进行加工的编程
根据建好的螺旋桨三维模型，在UG CAM中进行加工刀路编程。由于本发明所使用的机床为七轴五联动机床，所以有效加工自由曲面的模型。因此将加工过程划分为图4所示过程。首先进行开粗加工，本发明使用了三轴加工的型腔铣进行轮廓开粗加工，在进行刀具轨迹确认时，选择获得IPW，最后得到正面开粗加工后的毛坯材料，如图5所示，然后再将此毛坯材料进行翻面，再对背面进行三轴开粗加工，获得图6、图7所示的正反两面的刀路加工轨迹(图中浅蓝色线即为刀具路径)。其次应用UG特有的叶轮加工模块，对叶片进行半精、精加工，通过设置刀轴矢量自动，驱动选择叶片侧面精加工的驱动方式，实现小切深、快进给。最后采用叶轮加工模块的流道精加工方式，驱动方式选择流道精加工驱动，刀轴通过UG软件自动计算出既不会发生干涉又能使刀轴平缓过渡的刀轴矢量，通过该方法获得刀具加工轨迹路径：图8为流道半精加工刀具轨迹，图9为叶片精加工刀具轨迹。
步骤四 刀轨确认
在该步骤中需对步骤三的加工轨迹进行确认，检测是否发生过切等现象，若没有问题则进行步骤五，否则需返回步骤三对编程操作进行重新操作。
步骤五 基于VC++编制后置处理程序
在所述步骤四中，对本发明所使用机床建立运动学模型表达式，将机床运动方式划分为两种运动形式：
标准运动形式：X轴、Z轴、Y轴、C1轴和C2轴(3个线性轴+2个旋转轴)；
特殊运动方式：X轴、Z轴、B1轴、C1轴和C2轴(2个线性轴+3个旋转轴)；
根据建立的运动模型表达式，对上述两种运动形式分别进行机床运动求解，根据刀位文件中的刀位数据反求机床各平动轴和转动轴的运动量。在多轴数控加工中，由于旋转、摆动轴的影响，各坐标轴的运动速度及其变化率可能会超出其允许的最大速度和伺服驱动能力，需要根据机床各轴的速度、加速度与平稳性要求对合成进给速度进行校核。然后基于上述的计算关系利用C++开发计算程序，由此可以得到可以进行计算的后置处理程序，使得生成的程序在大型舰船用螺旋桨的实际加工中，机床动作正确，无干涉碰撞现象，切削过程平稳。然后进行步骤六。
步骤六 基于后置处理程序生成NC代码
根据步骤四生成的刀路路径，生成刀位源文件CLSF，其记录了加工类型、刀具参数、加工坐标系、加工坐标值等信息。通过步骤五编辑的后处理程序对CLSF文件进行后置处理操作，生成可以直接输入机床的NC代码，即G代码，然后进行步骤七。
步骤七 在软件VERICUT中建立机床运动仿真模型
在UG建模中根据机床的实际尺寸建立三维模型，如图10所示，并且根据运动链情况即两条主要的传动关系链：机床床身到毛坯、机床床身到刀具。由此建立机床运动树，如图11.再将机床的各个部分分别以STL格式的文件输出到VERICUT软件的各个运动轴位置中，再以实际的位置关系进行装配和旋转轴的选择。通过不断的调试获得和实际运动情况相同的机床仿真模型，如图12所示。
步骤八 在软件VERICUT中进行加工运动仿真
将步骤六中生成的NC代码文件输入步骤七中建立好的机床运动仿真模型，进行机床加工仿真，以及检验是否存在干涉、过切以及机床碰撞和临界碰撞等问题，通过此步骤可以有效提高加工效率并提高加工安全性。若存在问题，则返回步骤(3)进行加工编程的修改，若不存在，则进行步骤九；
步骤九 应用VERIVUT进行进给速度优化
应用VERICUT软件的OptiPath模块，根据当前的切削条件和材料去除量，为各个切削条件指定最佳的进给率，然后输出一个新的数控NC代码程序。该程序除了改进进给率，其余均与原来的相同，并不会改变原有的刀具轨迹。
步骤十 将利用该方法生成的NC程序代码，输入机床进行螺旋桨的加工
将利用该方法生成的NC程序代码，输入机床进行螺旋桨的加工。
针对舰船用螺旋桨复杂的工作自由曲面和加工要求，本发明通过分析螺旋桨曲面生成原理，研究了螺旋桨的几何构造，结合螺旋桨图谱，形成了便于修改检查且建模直观的建模方法。根据五轴加工的特点和实际使用机床的种类，详细研究了舰船用螺旋桨加工工艺流程和基于UG CAM的加工编程技术，形成了避免干涉、过切等问题的刀路规划路径。通过对实际使用机床的运动学建模，研究了刀路路径向机床运动的转化原理，然后利用VC++编制了后置处理程序，实现了NC代码的生成。通过在VERICUT中建立起的机床运行仿真模型，将NC代码输入进行仿真，验证了UG编程操作中可能不会发现的机床碰撞等问题，并且通过加工进给速率的优化，进一步提高加工质量和效率。从而可以加工出符合实际加工要求、可以在仿真过程中实时修正改进、工作表面质量更高的螺旋桨。
以上对本发明的实施例进行了具体的说明，但本发明并不局限与实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造思维的前提下还可以作出各种等同的变形或替换，这些等同的变形或者替换均包含在本发明所限定的范围内。
Claims (9)
1.一种基于UG的螺旋桨的整体数控加工方法，其特征在于：具体包括以下多个步骤：
步骤一基于UG NX建模模块构建AU型螺旋桨模型；
步骤二对构建的模型进行光顺度检测；
对步骤一构建AU型螺旋桨模型在UG中对其光顺度进行检测，若光顺度不合格，则转回步骤一通过改变控制点坐标对AU型螺旋桨模型进行调整，若合格进行步骤三；
步骤三根据建好的AU型螺旋桨模型进行加工的编程；
根据加工工艺划分，将整个工件加工分为三轴开粗加工、流道半精精加工、叶片精加工，最后生成加工的刀路轨迹；
步骤四刀轨确认；
根据生成加工的刀路轨迹在UG CAM加工模块内进行刀路确认，以此来检验加工仿真是否存在干涉或者过切现象；若存在，则转回步骤三进行调整，若不存在，则进行步骤五；
步骤五基于VC++编制后置处理程序；
根据具体的加工机床各轴之间存在的运动链关系，通过VC++编制后置处理程序；凭借后处理程序可以将步骤五中生成的刀具运动的刀轨数据坐标转变为机床的运动并且生成机床能够识别的加工程序；
步骤六基于后置处理程序生成NC代码
根据生成的刀路路径，生成刀位源文件CLSF，其记录了加工类型、刀具参数、加工坐标系、加工坐标值等信息；对CLSF文件进行后置处理操作，生成能够直接输入机床的NC代码，即G代码；
步骤七在软件VERICUT中建立机床运动仿真模型；
在UG建模模块中建立机床各运动轴的三维模型，然后在软件VERICUT中根据实际加工使用的机床的运动链和相互位置关系组合起来，并配置好相关操作***，完成机床运动仿真的创建；
步骤八在软件VERICUT中进行加工运动仿真；
将步骤六中生成的NC代码文件输入步骤七中建立好的机床运动仿真模型，进行机床加工仿真，以及检验是否存在干涉、过切以及机床碰撞和临界碰撞等问题，通过步骤八可以有效提高加工效率并提高加工安全性；若存在问题，则返回步骤三进行加工编程的修改，若不存在，则进行步骤九；
步骤九应用VERIVUT进行进给速度优化；
应用VERICUT软件的OptiPath模块，根据当前的切削条件和材料去除量，为各个切削条件指定最佳的进给率，然后输出一个新的数控NC代码程序；新的数控NC代码程序除了改进进给率，其余均与原来的相同，并不会改变原有的刀具轨迹；
步骤十将利用生成的NC程序代码，输入机床进行螺旋桨的加工。
2.根据权利要求1所述的一种基于UG的螺旋桨的整体数控加工方法，其特征在于：所述的方法为七轴五联动数控加工方法。
3.根据权利要求1所述的一种基于UG的螺旋桨的整体数控加工方法，其特征在于：所述的建模软件为UG NX 8.0及以上版本。
4.根据权利要求1所述的一种基于UG的螺旋桨的整体数控加工方法，其特征在于：所述的加工CAM软件为UG NX的加工模块。
5.根据权利要求1所述的一种基于UG的螺旋桨的整体数控加工方法，其特征在于：在所述的步骤一中，首先根据正向设计建模的思路分析螺旋桨桨叶形成的原理，通过UG从逆向的角度进行螺旋桨的建模；根据螺旋桨设计图谱的不同主要分为AU型、B型、SSPA型、Ma型等，本发明采用AU型螺旋桨为例进行建模；通过图谱获得AU型螺旋桨叶切面尺寸表和起重船AU型螺旋桨桨叶轮廓尺寸表，将17个叶切面的轮廓数据以bat格式文件输入到UG中，再通过样条曲线进行拟合获得17个叶切面的轮廓，再通过计算得到各个叶切面的螺旋角进行旋转，然后将每个叶切面分别缠绕到各自所在的圆柱面上；最后通过UG的曲面功能将各个轮廓线行程曲面，再延长、面倒圆最后行程可用于下一步骤的螺旋桨模型。
6.根据权利要求1所述的一种基于UG的螺旋桨的整体数控加工方法，其特征在于：在所述步骤三中，基于UG NX的CAM加工模块，将螺旋桨模型划分为几个不同的区域，对各个区域采用不同的刀具路径轨迹，确定刀具尺寸，步长和行距；分别应用了UG的型腔铣模块对螺旋桨进行整体三轴粗加工，其次应用UG特有的叶轮加工模块，对叶片进行半精、精加工，通过设置刀轴矢量自动，驱动选择叶片侧面精加工的驱动方式，实现小切深、快进给；最后采用叶轮加工模块的流道精加工方式，驱动方式选择流道精加工驱动，刀轴通过UG软件自动计算出既不会发生干涉又能使刀轴平缓过渡的刀轴矢量，以此方法生成刀具加工轨迹路径。
7.根据权利要求1所述的一种基于UG的螺旋桨的整体数控加工方法，其特征在于：在所述步骤五中，对本发明所使用机床建立运动学模型表达式，将机床运动方式划分为两种运动形式：
a)标准运动形式：X轴、Z轴、Y轴、C1轴和C2轴(3个线性轴+2个旋转轴)；
b)特殊运动方式：X轴、Z轴、B1轴、C1轴和C2轴(2个线性轴+3个旋转轴)；
根据建立的运动模型表达式，对上述两种运动形式分别进行机床运动求解，根据刀位文件中的刀位数据反求机床各平动轴和转动轴的运动量；再利用C++开发计算程序，将刀位文件计算转换为标准NC代码。
8.根据权利要求1所述的一种基于UG的螺旋桨的整体数控加工方法，其特征在于：在所述的步骤八中，将后处理完成的NC代码输入到建立好的VERICUT机床运动模型中，使其可以仿照机床的真实运动进行模拟；该步骤可以更加直观地了解到加工过程中机床的真实运动情况，可以检测出有无机床碰撞、过切等其他仿真软件无法实现的功能。
9.根据权利要求1所述的一种基于UG的螺旋桨的整体数控加工方法，其特征在于：在所述的步骤九中，利用VERICUT软件中的OptiPath模块，进行加工进给速度的优化；传统的加工方式在加工过程中的进给速度是不会根据加工厚度的变化而发生改变的，而使用OptiPath模块进行速度优化可以根据不同的加工厚度实时进行加工进给速度的调整，在原有NC代码的基础上只添加速度控制代码，使得加工效率更高。
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