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整体叶轮数控电解加工仿真与自动编程平台

摘 要：针对航空发动机整体叶轮数控电解加工编程问题，首先建立了数控电解加工机床的虚拟装配模型，在装配模型中采用切片法、数控展成、部件约束、位置矩阵变换、WAVE等技术实现了工艺数据的提取、加工轨迹计算、机床坐标轴的尺寸驱动，阴极与工件的连续切割运算等功能；开发了加工仿真与数控自动编程应用平台；借助于平台实现了数控电解加工仿真与数控自动编程,并在仿真过程中进行加工过切、干涉检验。该平台在大直径整体叶轮的电解加工试验中进行了实际应用。应用结果表明，采用该平台有效地解决了整体叶轮的加工编程难题，缩短了加工编程时间，提高了编程的准确性。

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关键词：整体叶轮；电解加工;加工仿真；自动编程
中图分类号：TG662； 文献标识码：A

Machining Simulation and Automatic Programming Platform for NC Electrochemical Machining of Integral Impeller
Wang Fuyuan Xu Jiawen Zhao Jianshe
(Jiangsu Key Laboratory of Precision and Micro-Manufacturing Technology, Nanjing University of Aeronautics
and Astronautics, Nanjing 210016, Jiangsu, China)
Abstract: The programming in the NC electrochemical machining (ECM) of integral impeller is difficult problem. To solve it the assembly model of a NC electrochemical machining machine is firstly building. In the assembly model the technologies such as model slicing, NC Contour Evolution, component constrain, Matrix transform, WAVE are used to perform the functions of process data extraction, motion path calculation, shaft moving, intersection operation between tool and part. On the base of these functions a set of simulation and programming software used for ECM is developed, which can implement machining simulation, automatically generate NC programs. The over-cut and motion interference in machining can be checked out by the simulation. The simulation system has been applied in the NC electrochemical machining of the large diameter integral impeller. The results show that the software effectively solves programming problem, cuts the programming time, and increases the program’s accuracy.
Key words: integral impeller; electrochemical machining; machining simulation; automatic programming

数控切削、数控电解加工、精密铸造成为整体叶轮等零件复杂表面或型腔的主要加工方法，它们各有所长，分别适用于不同的加工对象。过去，整体叶轮的电解加工编程工作量大，当遇到加工余量调整，阴极修正，加工方案修改时都需要重新计算、编程，并且编写的加工程序不能通过有效的方法检验正确性，影响了整体叶轮工艺试验水平与试制成功率[1]。随着计算机技术的发展，计算机仿真技术渗透到加工领域，国际上一流的UG、PROE、CATIA等CAD软件都集成了加工模块，Master CAM、Surf CAM、Edge CAM、Power MILL等CAM软件都具有了加工仿真与自动编程功能[2-3]，但这此软件的加工仿真功能适用于数控切削加工[4]。Hyper MILL、NREC MAX-PA虽具有叶轮模块，但也是针对叶轮的数控加工。对于电解加工而言，由于在加工原理、成形规律等方面与数控加工不同。基于技术与经济的原因，不能直接采用上述软件作为数控电解加工仿真与编程平台。本课题旨在研究整体叶轮仿真与加工编程的关键技术，开发出数控电解加工仿真与自动编程软件平台，用于电解加工的仿真、编程，程序验证，为数控电解加工CAD/CAE/CAM集成加工平台提供单元技术。
1 电解加工仿真与编程平台组成
1.1加工平台组成与功能
电解加工仿真与自动编程平台包括电解加工机床模型、装配模型初始化、数据处理、运动轨迹计算、加工仿真、数控编程等模块，如图1所示。

图1 电解加工仿真与自动编程平台组成
电解加工仿真与数控自动编程平台应用的基本步骤如下：
（1）建立机床模型。建立电解加工机床的装配模型，建立部件之间的约束关系。
（2）模型初始化与设置。进行模型初始化，在内存中建立与CAD装配模型数据相一致的数据结构，然后根据具体要求设定机床的运动轴，进行机床的运动调试。
（3）数据处理。借助于零件的几何模型，从几何模型中获取与加工工艺数据。
（4）加工轨迹计算。利用从零件表面中获取工艺数据，通过计算生成加工运动轨迹，形成各坐标轴的运动位移值。
（5）电解加工仿真。根据各坐标轴运动位移值，通过组件矩阵变换运算，重新生成各坐标轴的位置，驱动各坐标轴运动，在运动中在阴极与工件之间进行连续的切割运算，形成加工表面。
（6）数控加工编程。在仿真过程中检验加工过切、干涉，当检验正确后，根据运动轨迹，针对数控系统类型，通过系统的后处理生成机床的数控加工程序，对加工程序进行验证。
1.2加平台开发
数控电解加工仿真与编程平台在UG软件平台上二次开发完成的，系统开发采用UG/Open API与Visual C++开发工具，利用menu script 编写应用菜单，运用UG用户界面样式编辑器编写用户接口与界面，开发的平台界面如图2所示。

图2 加工仿真与自动编程平台
2 机床模型的建立
2.1 机床配置形式
建立电解加工机床模型是电解加工仿真的基本条件。一般来说，整体叶轮的电解加工要求机床的配置至少为4轴以上联动。本仿真平台的机床坐标配置为5轴联动，如图3所示。其中X、Y、Z坐标为直线移动轴，Cw为旋转轴、Ct为摆动轴。建立的机床装配模型如图2所示。

图3 五坐标数控电解加工机床配置形式
2.2 装配模型拓扑结构与约束
机床模型中运动关系的建立以各坐标轴为中心，首先设置机床的各坐标轴，然后在各坐标轴与之相关联的部件之间建立约束关系[5-6]。
机床装配模型的拓扑结构如图4所示，它由工作台部件和主轴部件两部分构成。为了简化模型，装配模型中省略了次要部件。工作台由X、Y、Z轴及底座等组成；主轴部件由立柱、主轴等组成。

图4装配模型的拓扑结构
在图4中，实例用来表示部件在装配模型中的位置相互关系，标识是模型在数据库中存储的一个对象，包括对象标识、事例标识、实例标识、部件标识等，它们的作用不同，相互之间可以相互查询。有了标识之后，就可以实现对装配模型遍历，获取所要求控制的对象标识，根据要求对其进行控制。
除了要获取标识之外，组件之间要建立一定的约束关系。在工作台中，Y滑台装配在X滑台上，所以要跟随X工作台一起移动，Cw工作台要跟随Y工作台一起运动，同样，Ct轴要跟随Z轴一起运动，在有运动联系的部件之间建立约束关系。约束关系建立之后，在装配模型中只要控制X、Y、Z、Cw、Ct轴运动即可，其余与之有运动关系的部件通过约束关系自动完成相应的运动。
2.3 装配模型数据结构
为了操纵装配模型的部件运动，需建立一个与装配几何模型相一致的虚拟装配数据模型，用该数据模型把装配模型的相关数据加载到建立的数据模型中，实现位置矩阵的变换运算，数据存储。建立的虚拟装配数据模型的数据结构为
Typedef struct ECM_Assembly
{
ECM_Component * head_comp;//部件节点
ECM_Movements * moves;//运动节点
}
其中，ECM_Component为装配模型组件节点，用来存储与装配中部件的相关数据。它采用树形拓扑结构，成员包括：实例标识、事例标识、部件名称、实例名称、参考集名称、组件的位姿矩阵、组件的原点、组件坐标矩阵、指向第一个子部件指针、指向同级的下一个部件指针、指向父部件指针、节点类型、单位。ECM_Movements为移动节点，用来存储与运动相关的数据。它采用线性结构，成员包括：指向前一个结点指针，指向后一个结点的指针，节点位置。
3 加工仿真与编程平台的关键技术
3.1 加工数据提取与加工轨迹计算
整体叶轮的加工表面通常由规则曲面和非规则曲面组成。对电解加工技术人员来说，设计方给出的加工表面表达方式一般有两种，一种是直接出零件的几何模型（或图纸），另一种间接给出加工表面的型值点[7]，再通过拟合方法把数据拟合成曲线、曲面，再进一步建成实体模型，实际应用中，若为复杂构件，后一种情况出现较多。无论采用那一种方法，加工人员都需要对加工表面的数据进行二次加工处理，以获取工艺数据，计算加工运动轨迹。叶片加工表面的一般数据处理流程如图5所示。

图5 加工表面的数据处理流程
在电解加工中对复杂曲面通常采用切片或特征识别法获取加工表面的几何数据，再进行必要的计算生成工艺数据，用它去控制机床的运动。
3.2 运动坐标轴驱动
各加工坐标轴运动采用尺寸驱动[8]。加工仿真中机床各运动轴按各自的分配值运动，运动的实现过程如图6所示。在装配模型要实现运动，先要获取移动组件的标识与它的位姿矩阵。位姿矩阵是装配部件本身坐标系统在模型空间的定位，包括X、Y、Z轴的i、j、k分量以及部件的本身坐标系在装配空间中X、Y、Z分量。

图6 坐标轴驱动的实现流程
变换矩阵是实现各轴直线移动和旋转的基础，根据计算的直线位移量或旋转角度进行组合，利用变换矩阵对原位姿矩阵进行变换，方法如下

其中，为部件的位姿矩阵；为变换矩阵。
编程时需要编写的矩阵的转置、相乘、组合等矩阵运算的基本函数。其中部件的旋转有两种情况，一种为绕装配空间坐标轴旋转，另一种为绕部件本身坐标系旋转，根据旋转的方式选择。新的位置矩阵得到后，更新部件的位置矩阵，使部件在装配模型空间中移动到新的位置。
3.3 加工表面成形
电解加工仿真不仅是模拟工件、阴极的运动，还要模拟加工后的工件表面形状。为了实时地模拟出加工后的表面，采用的方法是：在运动过程中使工件与阴极之间连续做切割运算，移除工件与刀具相交部分，形成工件的加工表面。在UG装配模型空间中，两个几何实体之间的逻辑运算只能进行一次，而加工仿真需要做若干次相交运算才能形成加工的轮廓，为解决此问题，采用WAVE技术实现，其步骤为：首先通过装配树遍历获取工件与阴极的标识，然后把工件设置工作部件，查询它的原型标识、对原型标识进行遍历查找到进行相交运算的阴极实体标识，同样的方法可得到工件的实体标识；在获取阴极与工件的实体标识后，再经过建立变换矩阵，建立链接实体，查询链接实体特征，隐藏链接实体，断开链接实体等步骤，最后作两个实体的相交运算。在以上实现的过程中，必须正确运用二次开发函数，对函数的功能、参数、返回值做出正确判断，相交运算才能够实现。
3.4 数控自动编程
数控加工编程是在加工仿真的基础上进行的。在加工仿真中利用计算的加工轨迹数据驱动各坐标轴及其相关部件运动、完成切割运算。在加工仿真的正确后，编写数控运加工程序，编写数控程序所需的数据在加工仿真前已经通过计算产生。
加工自动编程利用仿真正确的加工轨迹数据通过后处理程序把各坐标轴、阴极的运动轨迹数据生成数控加工程序。数控加工程序的生成与选择的数控系统类型有关，不同数控系统的后处理程序可根据需要自行编写。本平台中后处理程序是针对作者所在实验室电解加工机床的数控系统类型编写的。
4 整体叶轮电解加工实例
4.1 整体叶轮电解加工
航空发动机整体叶轮属于复杂的整体构件，因其叶片型面复杂、加工通道窄、材料加工难，成为世界性的加工难题，目前国内整体叶轮的电解加工处于加工工艺试验改进与提高阶段[9-10]。在过去的加工试验中，其加工编程缺少先进的技术手段，一直是手工实现、计算工作量大、编程烦琐、时间长、程序缺少验证，加工后工艺试验的成功低。
整体叶轮电解加工仿真与自动编程平台在某型号航空发动机的大直径整体叶轮数控展成电解加工进行了应用。该大直径整体叶轮的外圆直径600mm，叶根圆直径为270mm，叶片数为79片。采用分片式新工艺方法加工，叶片加工分为叶背加工、叶盆加工、叶根加工三道工序。利用本平台完成了该整体叶轮叶片电解加工建模、数据处理、数控加工仿真、运动干涉与过切检查、自动编程等工作。
4.2叶片数据处理与加工轨迹计算
在平台中利用叶片的型值点数据建立叶片的几何模型，如图7a所示，再通过对叶片的切片处理，得到叶片的构造曲线，如图7b所示。为了采用数控展成法加工叶片，本例中采用直纹面对原曲面进行了拟合，拟合曲面与原曲面存在一定的型面误差，但在本道工序设定的允许误差范围内。

a 叶片 b 数据处理
图7 叶片加工轨迹的计算
通过切片处理获取了叶片编程所需的基本数据之后，接着以基本数据为基础计算各坐标轴的运动分量，本叶轮加工采用四轴联动，即X、Y、Z、Cw。如图7b 所示，设阴极在加工过程中只做Z轴向运动，加工初始状态时阴极刀刃与叶片轮廓线保持相切，各轴移动分量的计算方法如下：
1）Z轴移动分量。若阴极由初始位置移动到叶片的轮廓线时，则阴极需沿Z轴运动到所在的平面中，这就是Z轴的移动分量；
2）Cw轴移动分量。为了计算其它分量，则把叶片的轮廓线向X-Y轴平面做投影，阴极刀刃初始位置为，由于阴极只沿Z轴运动，因此阴极加工刀刃的投影线保持不变。为了使阴极要移动到，让在平行于X-Y的平面内旋转一定角度，即与的夹角，使与阴极加工边缘平行，这个旋转角度即为Cw轴的旋转分量；
3）X、Y轴移动分量。为了使上的与上重合，则需要使在X、Y平面内移动一定的分量、，即为X、Y轴的移动分量。
以上是叶片加工四轴联动移动分量X、Y、Z、Cw的计算方法，具体计算步骤由软件完成。上述计算的分量是绝对值，在加工仿真时需要使用相对值，即用各轴的计算绝对值分别减去各轴前一步的实际移动量。
4.3加工仿真与编程
利用数控电解加工平台对整体叶轮的电解加进行加工仿真，阴极以及机床的各个坐标轴按计算的各坐标运动分配值进行运动。在本例中根据阴极沿Z轴的总移动量设定模拟步长，本例设为0.5mm，即Z轴每进给0.5mm阴极与工件做一次切割运算，加工模拟的过程如图8所示。

图8 叶盆电解加工仿真过程
本实验室的数控电解加工机床数控系统为自行开发的五坐标联动系统，它采用五个两坐标数控系统组合而成，把每个两坐标系统的一个坐标作为机床五个轴的脉冲基准信号，从而保证五轴运动的同步性，从而实现联动。 针对本实验室的五坐标数控电解加工机床的数控系统类型，由系统自动生成数控加工程序,其程序的格式为
N0030　G01 F2.000
N0040 X -1.049 Y -0.309 Z 1.000 CW -0.211
CT0.000 W2.000
………………………
在上述程序中，X、Y、Z、CW、CT为五个坐标轴的符号，其中W轴表为基准轴或称虚拟轴。
4.4加工试验与结果
运用本应用平台生对整体叶轮的叶盆、叶背、叶根加工进行仿真，自动生成加工程序，利用生成的数控加工程序进行加工工艺试验，图9所示为叶片叶盆的电解加工试验过程。

图9 叶盆电解加工试验过程
整体叶轮叶片的仿真结果如图10a所示。仿真结果直观地反应了加工后的工件表面形状，加工运动轨迹。对叶盆、叶背、叶根加工过程产生的过切，干涉进行了检查，通过修正阴极形状等措施，使加工结果得到了明显的改善，最终得到了符合要求的加工表面。

a 叶片加工仿真结果 b 叶片实验加工结果
图10 叶片仿真与加工结果
通过加工试验，加工后的整体叶轮试件如图10b 所示。对仿真结果和加工试验结果进行对比，结果表明用加工仿真与自动编程平台生成的加工程序加工叶片，试件与仿真平台生成加工表面理论值误差值在0.1mm之内，满足了本道加工工序的要求。通过本仿真平台的利用，提高了加工程序的编 写的准确性，工艺试验次数从原来的十几次减为3次，编程时间从过去的几个月缩短为一周。
5 结论
1）解决了加工仿真与编程平台中的数据处理、轨迹计算、坐标轴驱动、加工表面成形等关建技术。
2）开发了加工仿真与编程软件，软件操作方便、仿真过程直观，实用性好。
3）仿真与编程平台应用于大直径叶轮电解加工试验中，解决了叶轮加工的编程问题，提高了编程的效率与准确性。
4）该平台还可以用于叶片电解加工的工艺分析、阴极设计等方面，所采用的技术对其它行业的数控运动仿真系统的开发具有一定的借鉴意义。
参考文献
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Foundation item: Project supported by National Natural Science Foundation, China（No.50675103）, and the Bureau of Science, Technology and Industry for National Defence, China

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