汽轮机汽缸数控加工CAM系统开发及应用
出处：东方汽轮机厂作者：邓丽娟
【关键词】汽缸,特征造型,干涉检查,后置处理
【论文摘要】目前手工编程已无法满足工厂生产进度的要求，且手工编制的程序无法保证正确性和可靠性。详细介绍了汽轮机汽缸数控加工计算机辅助制造系统在Pro/engineer通用软件平台上开发过程中的主要技术难点及解决方法。
1引言
随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高，改型频繁。目前国外已大量使用数控机床。数控机床不仅具有较高的精度和生产效率，还具备“柔性”，能迅速适应加工零件的更新。东汽厂已购买了数台大型数控设备，但数控编程还局限在手工编程的基础上。采用手工编程效率低，费时费力，并且手工编制程序的正确性无法保证，只有上机床试加工后才能判断，一旦出现问题将造成巨大损失。
激烈的市场竞争，使用户提出的要求越来越高，既要质量好，又要周期短。要缩短周期，必须利用计算机代替手工编制程序，并保证程序的准确性。由于汽轮机的零件复杂，目前在国内同行业中，均仍采用手工编制程序，还没有一套适合加工汽缸这类复杂零件的自动编程系统。购买专用自动编程系统不但费用高，而且专用软件的局限性很大，只能针对某类产品，在固定的某台机床上使用。因此，必须针对东汽厂的产品及使用的机床开发出自己的编程系统。
2系统的调查及选型
针对东汽厂产品形状复杂、数据运算量大、附件多等特点，应选用成熟的通用CAD/CAM软件进行汽缸的计算机辅助设计与制造的开发和应用工作。依据下面几点进行系统的选择：
(1)软件的开发背景，即该软件是为何种应用而开发的，是否有良好的发展空间；
(2)软件的功能是否满足用户要求；
(3)国内是否有一定的用户量，以便互相交流；
(4)使用界面是否友好，是否支持国际界面标准；
(5)软件数据资料库的一致化程度，造型方法的准确性和方便性；
(6)软件的二次开发及工程数据库开发工具是否与其它高级语言相通；本地化工具及软件数据交换是否采用国际标准交换规范，如DXF、IGES、PDEX的情况。
东汽厂对几种著名CAD/CAM软件进行了对比，并针对它们的用户进行了考察。通过多方调研，针对汽轮机静止部件的设计、制造的特点和工厂的实际情况，最后确定选用美国参数公司(PTC)的Pro/Engineer软件。
3自动编程系统的工作原理
Pro/E是图形交互编程系统，其工作原理见图1。
4模型的建立
自动编程系统，必须首先准确建立被加工模型的三维实体图，才能进行模拟加工、
干涉检查及数控工艺卡的生成等工作。
汽轮机高中压外缸结构要素复杂，模型的建立困难。以东汽厂D300H高中压外缸(见图2)为例，模型的特征量多达600多个，而特征建立的顺序直接影响着后面NC加工的进行，该厂的产品图纸的尺寸标注方法不适合于数控加工的要求。其中法兰、汽缸壁及猫爪处的光滑过渡要求，由于图纸给的信息不足，多张曲面之间光滑过渡难以得到满足。特别是汽轮机窝壳部分的建模更为复杂，采用通用的建模方法，就必须设计二十几个截面，并缝合利用曲面的技术形成实体、难度较大。模型的建立是实际加工尺寸，对于具有形位公差要求的加工面，如何确定实际尺寸、建模中基准的确定等问题是模型建立中的难点。
针对上述问题，主要采取以下技术措施。
(1)分析产品的结构，确定建立特征的顺序，尽量减少特征数量；
(2)转化图纸的尺寸，符合数控加工的要求；
(3)采用用户自定义特征UDF (User Define Feature)的方法建立用户的自定义特征；
(4)中分面孔的建立按尺寸、类型分类，建立孔坐标文件。
通过采取上述措施，使建模的速度大大提高，模型的特征数减少到400多个，提高了运算速度。5NC加工
5.1Pro/E生成NC程序存在的主要技术难点
Pro/E加工模块提供了常规的加工方法，其加工方式缺乏很大的自由度。由于汽缸结构复杂、加工工艺要求特殊，使用的机床配置了多种类型的附件，使用Pro/E加工模块主要存在着下列问题：
(1)传统的孔加工是采用扩孔钻、镗刀、铰刀、丝锥等定尺寸刀具进行加工，一把刀只能加工一个尺寸的孔，刀具费用高。数控龙门铣床上具有钻、镗、铣等多种孔的加工方式及参数调用子程序的功能，同一把铣刀可以加工不同尺寸的孔，而且刀具磨损引起的误差可以通过调整刀补来补偿。Pro/E软件的加工方式不支持数控龙门铣床上参数调用子程序格式，如果按轨迹方式加工，程序段很长，必然导致程序难懂，并且不易选取孔集合采用阵列加工方式，效率低。
(2)加工汽封槽时，使用槽铣刀加工以铣削加工代替镗加工(见图3)。为保证汽封槽两侧面的轴向尺寸精度，加工右侧时NC执行代码需用刀具前控制点计算刀具补偿，加工左侧时NC执行代码用刀具后控制点计算刀具补偿，同一个工序，铣刀存在两个控制点。Pro/E软件中不具备这种功能。
(3)系统固有的加工路径产生方式在特定的工艺条件下很难满足要求。比如在汽缸中分面加工中，由于中分面的平面度要求很高，为了保证技术要求，工艺要求在进退刀过程中主轴的Z轴方向不能移动，铣削方向必须一致。Pro/E软件中不支持这种加工方式。
5.2措施
(1)针对汽封槽的加工实际，可以理解为一个工步中使用了两把刀具，通过建立自定义轨迹加工特征，使用户根据提示交互在一次工步的设置中完成两个加工工步的设置。
(2)结合孔加工与轨迹加工两种方式的优点，开发基于铣削方式的孔加工固定循环输出自定义的后置代码词，在专用后置处理器宏编写针对这种后置词编写自定义宏，其系统构成见图4。
(3)通过分析系统软件的产生路径的方法，可知系统对零件切削的运动部分可以通过参数调整来满足技术要求。而对刀具的快速移动尤其是进刀退刀，由于系统固有的加工路径产生方式在特定的工艺条件下很难满足要求，系统又属于通用软件，在加工工艺方面很难面面具到，所以必须开发快速移动工具以帮助产生NC代码。
结合软件提供的接口，针对产品特点，开发完善了刀具移动子程序，提供了3种工具，利于用户定制走刀路线。
(1)点移动(Go to Point)：连接系统产生的切削轨迹，利用交互输入点坐标移动刀具。
(2)绘图(Sketch)：调用Pro/Sketch子模块直接绘出刀具轨迹，利用接口读取数据，但必须连接及对齐系统产生的切削路径。
(3)相切(Tangent)：用于圆弧轨迹加工中(如汽封槽加工)的进出刀具移动运动。
5.3建立刀具三维模型库
刀具三维模型库包括刀具元件/组件库、整刀模型库、能生成刀具组装图、刀具配套明细表及加工仿真用的三维模型。
用于加工仿真的装配式刀具应进行简化设计，只建立外形尺寸特征，可省略与干涉检查无关的孔、槽、倒角等特征细节。
5.4提出附件—刀具联体概念
建立附件—刀具联体三维模型即将主轴箱前端部及一些附件作为刀具的组成部分，参加切削过程干涉检查。见图5实例。
Pro/E装配模块中利用族表技术实现单附件与多种刀具和刀柄装配，以附件名加刀具名命名附件—刀具联体，然后存入附件—刀具联体数据库。
6自动编程的后置处理
6.1后置处理中的主要技术难点
Pro/E软件配置了通用后置处理器。东汽厂17m龙门铣床是五坐标机床(X、Y、Z、W、A轴5个坐标轴)，机床配有6个不同功能的附件，属于非标准机床，采用Pro/E提供的后置处理器无法达到要求，存在着下列技术难题。
6.1.1Z、W轴之间关系的处理
Z、W轴为平行轴，可同时参与插补。由于汽缸的高度较高，加上附件、刀具的长度，则必须考虑机床的行程问题。W轴的零点设置还要考虑安全距离，若工件坐标设置得不合理就会造成Z轴和W轴的行程出现超程的现象。
6.1.2绕Z轴旋转的转动坐标与附件的位置关系的处理
加工坐轴的方向随附件和主轴的转角C变化后，Pro/E软件提供的后置处理器中，不能识别附件的角度。
6.1.3子程序调用的后置处理
Pro/E软件中不具备子程序调用功能。
6.1.4多个不同附件的识别困难
数控龙门铣机床配有6个不同附件，各附件的功能差别大，用同一后置处理器无法找到共同点，如何在同一后置处理程序中处理不同附件的程序是本课题的难点之一。
6.2措施
(1)采用宏编写的方法，针对不同的附件用不同的后置处理方法；
(2)合理设置Z/W轴两平行轴之间的关系。
机床在换刀、换附件到达加工部位时，后置处理程序优先考虑Z、W轴的运动，通过计算一旦超程，应在程序段前增加工件坐标转换指令。
7仿真加工的碰撞干涉检验
7.1附件—刀具联体实体参与仿真的实现
要实现刀具干涉和碰撞的检查，首先必须解决对附件和刀具的实体再现。现在有很多商品化软件CAM的重点主要放在自由曲面的数控程序编制上，不能实现带附件加工的仿真，忽略了现在加工中有许多二坐标半加工方式，通过使用附件扩大加工范围。在这种情况下，附件在加工中的仿真、干涉检查尤为重要。汽轮机设备加工就属于后一种方式。
在利用Pro/Engineer进行CAM仿真加工中，开发了调用用户实体刀具的子模块，其构成见图6。
在零件设计模块(Pro/Part)中进行刀具和附件的特征造型，为提高求交检验计算速度，对用于加工仿真的装配式刀具进行了简化设计。在刀具的特征树中增加坐标系特征及附件，刀具零件增加系统识别的字符和特性；在装配模块(Pro/Assembly)中以附件为基体装配各种刀具，实现对单附件对多种刀具的实例检索。
7.2发生刀具干涉后的处理
发生刀具干涉、碰撞后的处理方式有参数调整和环境调整两种。一般先采用参数调整。切削过程干涉及碰撞的预防方法如下：
(1)使用连体结构装配式刀具进行切削干涉和碰撞检查；
(2)根据情况使用适当的干涉检查方式，在间隙较小处使用数学计算检查方法；
(3)合理设定开始点和结束点，以约束刀具的进刀点和退刀点；
(4)用加工几何特征中铣削面mill surface和铣削体积volume限制刀具活动范围。
(5)控制铸件毛坯误差；
(6)当铸件或夹具发生改变时，必须及时通知程序设计人员，以便更改程序。
8结束语
汽轮机汽缸数控加工CAM系统已成功用于高中压外缸数控加工程序的编制。由于加工程序在系统中进行了机床、附件、刀具及工件间的干涉检查计算，从而减少了在机床上的调试程序的时间，提高了加工程序的准确性及可靠性，缩短了辅助加工时间。
该系统解决了后置处理中的机床平行轴、附件转角的驱动及汽缸开挡槽加工的前后点补偿问题，从而为开发完成了数控龙门铣后置处理程扫清了道路。本项目是东汽厂科研、设计、生产三结合的成功范例，标志着该厂的CAD/CAM一体化水平又上了一个大台阶，同时也为该厂的CIMS工程国家级示范企业的完成创造了良好的条件。
参考资料
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6Pro/NCPOST Uses Guide.Release19.0 PTC Printed in U.S.A 1997
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