汽轮机叶片虚拟制造仿真研究

胥家良，邱兴林，李启元，熊小聪

(东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000)

汽轮机叶片虚拟制造仿真研究

胥家良，邱兴林，李启元，熊小聪

(东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000)

文章通过VERICUT平台，定制开发汽轮机叶片虚拟仿真控制系统，实现汽轮机叶片虚拟制造仿真。该仿真控制系统可提高汽轮机叶片数控加工程序的安全性、产品质量、制造系统的工作效率和数字化车间基础数据的准确性。

虚拟仿真，机床，控制系统，刀具，VERICUT，碰撞，超程

0 引言

在国内外汽轮机叶片制造同行业中，虚拟仿真应用比较广泛，公司生产汽轮机叶片的设备种类多，机床系统都和其他同行企业不相同，因此公司针对自己的设备在VERICUT仿真平台进行定制开发，创建属于自己的虚拟仿真系统。推动数字化车间相关技术在汽轮机制造行业应用示范，针对现有的先进数控加工装备和加工中心，结合CAM技术，实现虚拟仿真加工，虚拟叶片制造过程，降低质量和安全风险。

1 叶片车间高端五坐标数控加工虚拟仿真制造系统总体设计

1.1 机床运动分析

机床运动分析，根据机床的运动方式可将机床的结构分为两条运动链，分别为 “工件-机架运动链”和 “刀具-机架链” （见图1）。用C表示刀具，W表示工件，B表示机架 （床身），P表示移动轴，R表示转动轴，则数控机床的型可以表示为C-B-W的形式，其中C和B、B和W之间依次插入各坐标轴 （运动副）的代号P或R。在机床处于初始状态时，机床的结构尺寸用上述各坐标系的坐标原点的位置矢量表示。对于BC链，结构尺寸为：

rci： 原点 0ci在坐标系 0c（i-1）中的坐标 （i=2，3…m，）

方向矢量nwi表示为：

图1 机床运动结构及坐标系

数控机床的运动方式是刀具相对于工件的加工运动。机床运动链各个运动副的合成运动是刀具相对于工件的运动。刀具与工件的相对运动和各运动副运动相互关系的模型是机床结构的运动模型。在机床运动结构中分别将刀具坐标系、工件坐标系及机床坐标系连在一起，机床中的运动关系可用这些坐标系之间的坐标转换矩阵来表达。相邻坐标系坐标的矩阵转换，机床运动链中任意两相邻坐标系之间的坐标矩阵转换由机床的结构模型和机床各坐标轴的运动量决定。用BW链为例进行说明。BW链上任意两相邻坐标系0wi与0w（i-1）（i=1，2， …，n，n+1），其中，当 i=n+1 时， 0wi代表工件坐标系0w，当 i=1时，0w（i-1）代表机床坐标系DB，从坐标系0wi到坐标系 0w（i-1）的坐标变换矩阵为0wi，则：

坐标之间初始位置关系决定的平移变换矩阵，见式 （5）。

在0w（i－1）坐标系中的位置矢量是rwi坐标系0wi的原点，由式（2）确定。

M （nwi，swi）坐标系0wi随其运动副动构件绕nwi或沿nwi相对初始位置转动或移动。

运动量Swi的矩阵变换，nwi由式（3）确定。

Swi为直线运动位移，机床坐标轴是平动轴，M（nwi，Swi）为平动矩阵变换。

Swi旋转角位移，机床坐标轴是转动轴，M（nwi，Swi）为旋转矩阵变换。

在式（8）、（9）中， 当 i=n＋1 时， 由于工件坐标系Ow和相邻的机床坐标系Owm连在同一构件上，两者无相对运动，此时：

对于BC链，任意相邻坐标系之间的坐标矩阵变换同样可以得到：

式中 rci， nci分别为式（1）、 （3）确定。

P（rci）和 M（nci，sci）依照式（5）～（9）相似， 不再赘述。

1.2 在VERICUT平台定制开发总体设计

在VERICUT平台中分别创建机床环境、控制系统、刀具库，最终构成虚拟制造仿真系统。汽轮机叶片虚拟制造仿真系统总体设计方案见图2。

图2 仿真系统设计方案

2 叶片分厂高端五坐标数控机床虚拟仿真环境开发

2.1 创建仿真机床环境

VERICUT仿真机床环境是指将实际机床按一定形状抽象尺寸进行描绘，并按照各部件间运动依附关系和逻辑结构关系组合而成的机床抽象模型。该模型应该能真实反映机床各个坐标轴的运动关系和逻辑关系，按1.1节所示算法求解即可再现机床运动轨迹。机床组件拓扑结构，建立机床组件模型，设定机床相关参数见图3。设置完机床的各种功能后保存.mch机床文件,以后仿真时直接调用该机床文件就可以了。

图3 LIECHTI机床拓扑结构和机床行程极限设定

2.2 仿真系统控制文件设计

机床创建好后，机床是不能运动的。需要配置控制系统解读数控代码、插补运算等功能。在VERICUT中配置控制系统是通过设置文字格式、文字/地址、控制设定、高级选项来建立的。配置完控制系统后，保存.ctl控制系统文件，以后仿真时直接调用该控制系统文件就可以了。

2.3 创建刀具库

在VERICUT中通过建立刀具、刀柄、刀具命名、夹持点设定建立一把完整的刀具，建好常用的刀具保存成.tls刀具文件，刀具库就建好了。图4是LIECHTI机床的刀具库。

图4 LIECHTI刀具库

3 汽轮机叶片虚拟制造仿真实例

仿真准备：机床：LIECHTI 2000；控制系统：SINUMERIK 840D；刀具:叶片分厂LIECHTI 2000常用刀具库；加工产品:D350BD-203005A001。仿真流程见图5。

图5 仿真流程

假设误差分析，辅助分析设备误差和质量问题产生的原因。首先在机床没有问题的情况下，将加工程序仿真一遍，然后假设机床B轴中心距有误差（误差2 mm），将仿真机床文件中B轴的Z坐标值改小2 mm，最后在正常仿真的基础上再仿真一次，就可以发现机床的误差会导致叶片过切，见图6。

图6 修改机床结构树中B轴Z值 （-100改成-102）导致叶片过切

叶片虚拟制造仿真系统的研究和开发，实现了以下功能：（1）叶片数控加工程序语法是否正确可以进行判断；（2）叶片数控加工完整过程仿真，可以在虚拟环境中看到数控机床执行程序进行加工的每一个细微的动作；（3）在虚拟环境中测量仿真完的叶片各尺寸是否满足工艺要求；（4）分析和比较叶片的残留区域和过切区域；（5）检测叶片数控加工程序在加工过程中是否有碰撞和超程；（6）可以在虚拟仿真环境中对数控加工程序进行优化，提升加工效率；（7）可以在LIECHTI2000机床虚拟仿真环境中仿真在线测量程序，提高在线测量的安全性；（8）输出加工报告，报告中有完整的程序、刀具、加工时间和加工参数信息。（9）可以输出过程模型；（10）为工厂提供数控加工基础数据。

4 结论

汽轮机叶片虚拟制造仿真系统实现对汽轮机叶片加工程序正确性的验证，实现模拟叶片加工程序在数控机床的实际运动，检查潜在的碰撞错误和超程错误，避免加工过程中碰撞的风险和超程错误，实现了对叶片加工程序优化，提高汽轮机叶片加工效率，延长刀具寿命。通过VERICUT平台对叶片分厂高端五坐标数控机床虚拟制造环境的搭建，实现了汽轮机叶片虚拟制造仿真，有效提高了叶片数控程序的安全性和产品质量，提高了叶片制造的工作效率，提高了数字化车间基础数据的准确性。

[1]杨胜群.VERICUT7.0中文版数控加工仿真技术[M].北京:清华大学出版社,2010.

[2]何耀雄,徐起贺,周艳红.任意结构数控机床机构运动学建模与求解[J].机械工程学校,2002,38（10）：31-36.

Research on Virtual Manufacturing Simulation of Steam Turbine Blade

Xu Jialiang， Qiu Xinglin，Li Qiyuan， Xiong Xiaocong

（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Through the VERICUT platform,the virtual simulation control system for steam turbine blades was customized and the virtual manufacturing simulation of steam turbine blades was realized.The simulation control system could improve the safety of turbine blade CNC machining programs,product quality,manufacturing system efficiency and the accuracy of basic data in digital workshop.

virtual simulation,machine tool,control system,tool,VERICUT,collision,super

TK266

B

1674-9987（2017）04-0053-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.04.012

项目说明：国家科技支撑计划，项目名称——面向大型汽轮机及发动机等关键零部件制造的数字化车间

项目编号：2015BAF02B00

胥家良 （1985-），男，助理工程师，毕业于西南科技大学机械设计制造及自动化控制专业，现主要从事于叶片工艺工作。