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叶片式流体机械数字化制造技术及其发展趋势综述
张华培 学号：212012080401002
（西华大学机械工程与自动化学院 成都 610039）

【摘要】本论文就叶片式流体机械数字化技术这一机密机械设备做了主要论述。论文首先简述了叶片式流体机械数字化制造技术的发展概况，对其工作原理进行简要介绍，对国内外叶片式流体机械数字化制造技术的应用和发展状况进行了分析，并指出了目前叶片式流体机械数字化技术在使用过程中存在的问题及一些相应的解决方案，最后对叶轮类流体机械数字化技术以后的发展前景进行了概述。
【关键词】：叶片式 流体机械 数字化设计 制造技术

0 前言
叶片式流体机械是通过叶轮实现能量转换的一类特殊机械，与其他机械相比，在制造工艺技术方面也有明显的不同。在过流部分的制造方面，不仅要考虑一般机械零部件制造所涉及的问题，而且必须考虑流体动力性能方面的要求。在产品数字化开发中，必须考虑数字化设计与制造的并行工程的要求。叶轮类等复杂零件时流体机械数字化制造技术开发的重点和难点，而数控加工是数字化制造的主要实现手段。本论文主要根据叶轮类等复杂零件，对其如何实现数字化进行了详细的研究。
近20年来,计算机辅助技术在流体机械中的应用取得了巨大的进步，大大的减少了设计中的几何建模与工程图纸所需要的时间。在叶片式流体机械设计技术方面已经历了数字化图纸、数字化模型阶段，现正在经历数字化过程、预测工程阶段，并朝着基于知识驱动的设计自动化方向发展。总之，数字化技术已成为叶片式流体机械技术创新的主要手段。数字化设计与制造技术作为流体机械产品数字化开发技术的主题，已成为行业中重点的研究开发领域。随着对数字化技术研究开发的不断深入，叶片式流体机械的数字化设计与制造技术也逐步成熟和系统化，并将彻底改变传统的流体机械产品开发方式[1]。为了加强叶片式流体机械的数字化设计和制造技术的研究开发，并促进其在行业中的推广应用，我们必须对其进行更加系统的分析。

1 叶片式流体机械数字化制造技术的发展概况
1.1叶片式流体机械数字化制造技术在国外的发展历程
在人类社会进入知识经济和信息时代的21世纪，知识化是创新的资源，数字化是创新的手段。1946年，世界上第一台计算机ENIAC在美国宾夕法尼亚大学研制成功，它对人们的生产、生活带来了深远的影响。20世纪50年代以后，以美国为代表的工业发达国家出于航空和汽车等工业发展的需求，开始将计算机用于机械产品的开发。数字化设计技术起于计算机图形学，经历了计算机辅助设计、计算机辅助工程分析阶段，最终形成涵盖产品设计大部分的数字化设计技术；数字化制造技术从数控车床及编程的研究起步，逐步扩展出计算机辅助制造、计算机辅助工艺规划、计算机集成制造系统[2]。数字化设计与制造技术已成为产品数字化开发技术的核心，也成为提高企业综合实力的有效工具。最初的数字化设计与制造技术是以CAD/CAM技术为基础的，经历20世纪70年代的开始应用阶段、80年代的CAD/CAM技术迅速发展阶段、90年代的标准化和集成化发展时期。到20世纪90年代，以CAD技术为基础的数字化设计技术和以CAM技术为基础的数字化制造技术开始普遍为人们接受[3]。
特别是在近20年，随着先进设计与制造理论与技术的发展，流体机械的数字化技术的研究、开发与应用取得了巨大的进展，在产品开发方面发挥了巨大的作用。数字化设计技术已经大大的减少了几何建模与工程图纸所需要的时间，流体机械的数字化技术已经历了数字化图纸、数字化模型阶段[4]。从发展趋势来看，现正在经历数字化过程、预测工程阶段，并朝着基于知识驱动的自动化方向发展。产品的开发过程从串行工程逐步转变到企业范围的并行协作工程，从基于二维图纸的开发过程转变到以三维实体模型为中心的开发过程，从传统的机械加工逐步转变到数控加工。总之，数字化技术已成为流体机械的产品技术创新的主要手段。数字化设计与制造作为流体机械产品数字化开发技术的主题，已成为行业中重点的研究开发领域，叶片式流体机械的数字化设计与制造技术也逐步成熟和系统化。随着数字化技术研究开发的不断深入，流体机械产品开发过程将从部分数字化逐步发展到全部数字化。数字化技术不仅成为流体机械产品创新的主要手段，而且是缩短产品开发周期的有效手段[5]。
1.2叶片式流体机械数字化制造技术在国内的发展状况
叶片式流体机械在国民经济中起着极为重要的作用。在现代电力工业中，绝大部分发电量石油叶片式流体机械承担的。我国还有极为丰富的水力资源可以开发，水力发电所占的比例也将会不断增加。叶片式泵、风力和压缩机作为通用机械，在水利工程、化学工业、石油工业、电力工业、采矿工业、冶金工业、航天工业、市政工程、生物医药工程、环境工程等领域都得到了广泛的应用[6]。随着技术的不断发展，各个领域对叶片式流体机械的性能参数和可靠性等的要求也越来越高，要求通过研究开发、不断创新来满足各个应用领域的技术进步的需求。

2 叶片式流体机械数字化制造在发展过程中存在的问题和解决方案
2.1叶片式流体机械数字化制造技术在国内外发展过程中面临的问题
在流体机械产品开发过程中包括了很多环节。在流体动力学设计方面，在计算机还不发达的20世纪60年代，流体机械转轮的设计主要是靠半经验的计算方法，即依靠手工计算和绘图来设计。70年代以后，国内外流体机械叶轮的设计方法绝大部分是以吴仲华提出的S1和S2流面理论为基础发展起来的，并开始逐步通过计算机编程来解决设计中的计算问题。在80年代末，国外如瑞士的Sulzer公司，美国的AC公司等研究开发出了水轮机转轮的流体动力学设计专用CAD软件。90年代初，国内外相继研究开发出了一系列基于简化的一元理论、二元理论、准三元理论设计方法的叶片式流体动力学设计专用CAD软件[7]。近年来，在流体机械设计计算中逐渐考虑粘性的作用，提出了一些考虑粘性作用的全三维设计方法。随着计算机硬件技术的飞速发展和计算机流体动力学及流体动力性能预测和优化技术的成熟，采用了“设计-试算-校正”的叶片式流体机械数字化设计技术得到了广泛的应用，并出现了一些通用叶轮的设计软件，如比利时NUMECA流体工程公司开发的FineTM/2D商业软件可以进行多种叶轮反问题优化设计[8]。
随着世界经济一体化和制造业全球化的形成，流体机械制造行业，如发电设备、泵、压缩机等制造企业都面临着全球范围内的竞争。这种竞争反映在不同的层面上，如产品之间，企业之间、国家之间、不同地域之间等。激烈的市场竞争对制造企业提出了诸多新的挑战，主要表现在： 对产品性能的要求及产品的复杂性不断增加；‚ 激烈竞争导致产品生命周期不断的缩短，对产品开发时间踢出更高的要求；ƒ 设计风险等各种不确定因素增加；制造业的全球化使产品设计要更多地考虑社会和环境等因素[9]。
2.2叶片式流体机械数字化制造技术在发展过程中遇到问题的解决方案
为了迎接这些新的挑战，现代叶片式流体机械行业也必须加强技术创新。三十多年来，上述的计算机辅助技术在流体机械的设计和制造过程中得到了不同程度的应用，正在逐步改变传统的研究开发方式。由于其专业较为特殊等原因，在数字化设计与制造技术方面的发展成熟度与汽车、飞机、机床、家用消费品、模具等行业等在其它制造行业相比存在较大的差距 [10]。作为一类把流体作为工作介质转换能量的特殊机械产品，既要采用一般机械产品的数字化设计与制造技术，又要研究开发其专业领域的数字化设计与制造技术。
总之，为了迎接这些挑战，必须将数字化技术在流体机械产品开发过程从流体动力学设计到真正运行、维护的各个环节都逐步得到应用。产品数字化技术已逐步应用到流体机械产品的开发中，成为提高企业综合竞争力的有效工具。以适应专业开发软件和通用软件相结合的计算机辅助设计、计算机流体动力学及流体动力性能预测和优化技术、计算机辅助运动学和动力学仿真分析的计算机辅助工程分析、计算机辅助产品数据管理等为基础的数字化设计技术和以计算机辅助工艺规划、计算机辅助制造、加工过程仿真、数控加工、逆向工程、计算机辅助检测技术等为基础的数字化制造技术，已逐步成为流体机械产品开发技术的核心[11]。在数字化管理方面，如原材料的需求、设备需求、设备监控、生产控制及调度、工时管理、人员管理等环节也在流体机械制造企业逐步开始应用。国内外一些先进的流体机械制造企业以不同程度采用数字化设计与制造技术，通过网络技术，一些产品实现了全球化制造[12]。

3 叶片式流体机械的数字化设计与制造技术未来的发展趋势
在不久的将来，叶片式流体机械的数字化设计与制造技术将朝着以下几个方面发展：
3.1 数字化加工
未来的叶片式流体机械的加工将朝着数字化加工方向发展。数字化加工具有高效、高质、柔性、低耗的实现产品零件特别是复杂形状零件数控加工的有关理论、方法与实现技术，他是CIMS、敏捷制造、智能制造等先进制造技术的基础与关键技术。其中，数字化加工的核心设备是数字化控制设备，它是实现数字化加工制造的主要设备。数控设备是一种能根据输入的数字化程序信息进行自动加工的设备。它是集现代制造技术、计算机技术、控制技术、传感技术、人工智能技术等为一体的机电一体化典型产品[13]。将数字化加工应用到叶片式流体机械的加工中，将会是整个加工过程具有高效率、高精度、高柔性和高自动化程度等特点。数控设备的特点是采用数字化控制，数字化控制的实质是通过特定处理方式的数字化信息自动控制机械装置动作，与连续变化的模拟量进行的程序控制有截然不同的性质。
其中，在数字化加工设备中，柔性制造单元将具有更大的发展潜力和更广阔的开发市场。因为柔性制造单元是具有更高自动化程度的数控加工车床，它可以由一台镗铣类加工中心加上多工位交换工作台，也可以有车削加工中心或其他数控加工设备加上搬运机器人等自动物料存储运输系统组成，有的还具有包括加工精度、切削状态和加工过程的自动监控功能。柔性制造单元能自动完成产品制造过程中所需的部分或全部加工操作[14]。
数控系统是数控设备的核心部分，其基本功能是完成数字化程序信息的输入、译码、运算、机床运动控制和状态监控；伺服驱动系统是驱动机床运动的动力装置，数控系统的运动控制指令尤其付诸实施。在数控系统和伺服驱动系统的控制下，数控设备的各运动轴位移与速度均可在一定的范围内进行任意的调节，各运动轴之间也可在任意时刻按数控系统具备的插补功能进行联动。不同时刻这种联动的叠加在原理上可使数控机床按任意的轨迹运动，使数控设备不仅具有加工的柔性，而且为复杂形状零件的加工提供了可能[15]。数控设备是实现数控加工的硬件基础，其性能对加工能力、效率、质量和可靠性均具有决定性的影响。不断追求更高的精度、效率、柔性和自动化程度是数字化加工自动化的主要目标。
3.2 数字化自动编程
在今后的发展过程中，数字化自动编程将会在叶片式流体机械数字化加工过程中得到广泛的应用。因为复杂零件数控加工编程因涉及复杂的计算处理，必须采用自动编程的方法，即借助数控自动编程系统由计算机来辅助生成零件加工程序。计算机自动编程的整个过程是通过自动编程系统在计算机上自动完成的。自动编程系统经历了APT、图形编程、面向专业领域的CAM系统编程及以CAD/CAM集成系统的特征编程。自动化编程系统具有可视化、自动化的优点，现在正朝着智能化和集成仿真技术方面发展[16]。随着数控系统功能的不断加强，自动编程可以在线和离线编程。一些高档的数控系统具有二维轮廓的蓝图编程，还有一些系统具有三维曲面的直接编程的在线自动编程功能。在复杂工件加工中，目前使用最广泛的是以CAD/CAM集成系统的离线编程方式[17]。
3.3 数字化加工仿真
在叶片式流体机械中有很多形状复杂的零部件，其加工工艺也非常复杂。所以在加工仿真会得到广泛的应用。如过流部件的过流表面都是曲面，一般要采用多轴联动数控加工。特别是叶轮类零部件的数控加工设计非常复杂的加工过程，所以要通过加工仿真来验证刀具轨迹、优化刀具轨迹和加工方案。
在数控加工中，传统的加工程序验证方法是“试切法”。而对于叶片式流体机械中复杂零部件数控加工，采用“试切”的检验方法不论在技术上，还是在经济上都不太可行。采用数控加工仿真技术对数控加工刀具轨迹或程序的正确性进行验证是目前可行和有效的方法。数控加工仿真技术可以对数控加工刀具轨迹或NC程序的正确性进行比较准确可靠的估计，并根据仿真结果迅速对刀具轨迹或NC程序进行必要的修改，最终免除反复试切的过程，降低材料消耗和生产成本，提高工作效率[18]。因此，采用对加工过程进行计算机仿真成为一种柔性好、速度快、且成本低的安全的检验方法。通过数控加工的几何仿真，能够在计算机仿真加工环境及加工过程中的零件、刀具轨迹、刀具外形、和校验NC程序加工的加工精度，同时检测各运动部件是否发生碰撞干涉[19]。总之，随着数字化制造技术的开发应用，数控加工过程的仿真已逐步融入CAD/CAM技术中，并且成为不可缺少的重要组成部分。
3.4 逆向工程技术
基于实物数字化测量的逆向工程技术将会在以后的实际工程中得到广泛应用。对于叶片式流体机械的数字化设计与制造中复杂的零部件的逆向工程中的数据处理和产品检验等，需要通过逆向工程软件来处理实现。目前，在市场上已经出现了多种产品化的逆向工程软件[20]。此外，一些主流数字化开发软件中也集成了逆向工程模块。国内的浙江大学、华中科技大学、南京航空航天大学、西安交通大学等也开展了逆向工程研究与开发，并取得一定的成果，如浙江大学推出的RE-Soft逆向软件系统[21]。
4 结束语
叶片式流体机械数字化制造工艺过程中，叶片数控加工是转轮的数字化制造技术中关键的技术。合理的制定加工工艺规划对实现优质、高效、经济的叶片数控加工具有极为重要的作用。对于合理制定大型转轮叶片的加工工艺是一个较为复杂的问题，数控加工工艺规划必须在其叶片的数字化造型的基础上进行，根据加工的数控车床、夹具和刀具等工艺装备情况，通过计算模拟和仿真加工，反复修改完善可寻求到合理的加工工艺规划。大型叶片的加工除了要考虑工艺规划问题外，还必须针对水轮机制造行业规范的要求和具体的叶片情况来进行规划。数字化技术在流体机械产品的开发过程中从流体动力学设计到真机的应用、维护都得到了广泛的应用。产品数字化开发技术已逐步运用到流体机械产品开发中，成为提高企业综合竞争力的有效手段。

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