小型整体涡轮盘电火花加工运动轨迹计算程序设计优化

丁勇；林晓亚；耿小强；晋美娟

（山西平阳重工机械有限责任公司，临汾043000）

0 引言

小型整体涡轮盘是某产品的核心部件，该部件的可加工以及加工精度和效率，决定了某产品的综合性能与成本。根据文献[1]目前国内普遍采用电火花加工方式。但是由于其多数采用理论算法，计算过程实现复杂，没有形成该类零件加工的通用计算软件。国外很少能够查到相关的加工论文，在西门子NX CAM 系统中也没有提供该类加工的通用计算。

对于整体式小型涡轮盘的结构，本文视叶片与叶片、轮毂与外部包覆轮冠为需要在整体圆柱毛坯上加工的“通道”，该通道即为采用“去除”加工法需要去除的部分。由于通道形状弯扭最小尺寸在1.5～3mm，采用传统机加工方法无法实现该加工。本文采用电火花加工方法，其成型电极实体是使用“通道”整体实体经过缩小而成，使用该成型电极在五轴电火花设备上加工完成小型整体涡轮盘。成型电极作为“刀具”，其缩小比例是有限的，其与最终成型“通道壁”间的窄间隙，使得在五轴电火花设备上的加工程序（NC）获得非常难。基于此本文开发了相应的NC 程序自动生成软件。

1 加工程序（NC）自动生成软件设计及开发

1.1 软件技术架构设计

为了提高通用性，软件系统采用基于通用三维CAD软件二次开发来实现。涡轮盘和电极的实体描述采用三维的形式来实现，减少了在软件开发中描述模型的类的开发，且提高了本软件的适用性。

为了对生成NC 程序的正确性、合理性进行验证，需要开发针对涡轮盘和电极运动后是否干涉进行检查的工具，本软件称之为干涉检查功能。

主程序及生成NC 程序的软件部分，则采用C++语言开发，实现电极和涡轮盘相对位姿的输出，并使用程序最终转化为五轴机床可以使用的NC 程序。

1.2 软件开发条件

选用UG NX 三维软件为基础，并采用VC++开发来实现。基于NX 平台进行软件二次开发，研究小间距叶片通道加工用成型电极无干涉进给路径规划，完成相应电极在带冠涡轮盘叶片叶间通道中进行加工运动时，机床各个坐标轴移动的轨迹计算，提出运动轨迹的计算模型，最后生成编制加工程序所需的轨迹点。

1.3 软件开发实现

采用成型电极电火花加工方法，实现小型闭式整体涡轮盘中小微弯扭通道的电火花加工轨迹计算。通过对成型电极在XYZAC 各轴运动调整来搜索加工轨迹点位，并将对应点位的两个极限值；取其中值作为可取的该姿态轨迹点；所有姿态轨迹点串联获得连续的加工轨迹点列表；后处理形成五轴电火花加工NC 程序。

结合电火花加工预留间隙，适当向小调整成型电极，当调高成型电极饱满度，可以针对同一NC 程序进行调整后的成型电极的运动模拟，经过多次循环实现同一轨迹下电极饱满度的优化。实现了与电极形状的无关性，任意凸形形状的成型电极都可以使用本程序进行计算小微弯扭通道加工轨迹。

1.3.1 电极位置及姿态类

//电极及叶盘姿态,状态表述

struct COrigin{

double x;//电极装夹孔中心位置

double y;

double z;

double c;//电极相对旋转角度

double a;//叶轮相对旋转位置

};

1.3.2 计算类

//求解点位跟踪的类,求解运动轨迹

class CElePoint

{

public:

CElePoint();

virtual ～CElePoint();public:

void SetEBFeature (double e,double r,double c,double a,double pz);

COrigin RotaA(double a,COrigin pnow);

bool SetRotA (double xform [4][4],COrigin pnow,COrigin plast);

COrigin GetAndMove(double xform[4][4],double pnt[3],double pntl[3],COrigin plast);

//外部测试接口

void CountNC();//计算

COrigin CountCRotate (double xform [4][4],COrigin oe,double c,COrigin hzzx);

COrigin MoveDJbA (double xform [4][4],COrigin ce,COrigin cl_p,COrigin zzx);//20140121

void MoNiDj(double xform[4][4],COrigin dj,COrigin djl);;//A 轴旋转回位

public:

CFeature e_b;//被加工对象特征及初始位置角度信息

};

通过开发基本实现了路径的计算，但是通过实际加工，仍存在部分加工后型面不顺畅的情况，基于此进行了以下优化开发工作。

1.4 仿真软件开发

为了核对成型电极每次“移动旋转”之后或整体生成的加工程序是否与加工工件发生干涉，首先需要开发“加工过程仿真”软件。该软件可以使用电火花加工程序驱动电极运动，核对是否与涡轮盘发生干涉，验证加工程序的可行性。因为本软件是检查加工轨迹的重要手段，所以作为首先需要完成的开发工作。

其主要过程在包含有初始位置的涡轮盘和成型电极的三维环境下，通过本程序调用已经生成的加工程序，使之驱动成型电极发生平移和转动，并使用本程序检查新位置的成型电极是否与涡轮盘发生干涉。同时输出是否发生干涉，以及哪一个点发生干涉。

2 轨迹计算优化

2.1 优化计算

电火花电极的运动，从几何角度看是点的坐标变换：在三维系统中，把电极实体变换到固定的涡轮实体的通道中。电极在坐标系统中由移动（x，y，z）和旋转（a，c）给定（a是坐标系x 轴的转动、c 是绕z 轴的转动）。电极的连续运动寻找到电极与涡轮不干涉的点位，但多数情况下这个不干涉的点是无穷多的，即使按照某一固定值0.05 来移动和旋转电极，也会出现多解的情况，为了获得最优解并保证与下一步求解的连贯性，采取计算出每一步的两个极值点，取中值点作为最终运动值。

2.2 通道中线优化计算起始点

在计算中，为了控制好计算两极值的确定性，本算法进行了改进：事先增加涡轮盘通道中心线点数据的输入，用这些中心点数据作为控制每一步计算的起始点，可以保证起始点处于两个极值点之间，提高计算的可靠性。

2.3 电极缩减试错

给出电极最小缩减量，就可对电极进行坐标变换，与涡轮进行干涉检查，计算是否存在可行的加工路径解。如果不存在可行的加工路径，程序提供出在多长距离上存在不可解的情况，从而预测电极再次缩减量的大小。由于采用自动计算的情况，甚至可以在设计电极时，可以直接提供一系列有小到大不同缩减量的电极模型，采用本软件逐个选取不同缩减量的电极，分别进行计算，直到计算出可行的加工路径为止。

由此得到的电极进给路径经过后置处理，转化为数控代码后，就可控制五轴电火花设备进行涡轮盘零件的加工。

2.4 经过优化后的软件实现逻辑

经过优化后的加工轨迹计算流程如下：

①参与计算的异型电极选择和加工工件选择；

②新增外部建议通道特征中心轨迹数据读取功能；

③通道特征中电极运动变换矩阵功能及模型变换计算；

④优化点位搜索计算及其输出；

⑤运动干涉检查及报告；

⑥加工轨迹模拟；

⑦依据五轴电火花机床结构，计算其空间运动；

⑧外部加工刀位数据读取功能；

⑨参与模拟的异型电极选择和加工工件选择功能；

⑩异型电极运动变换矩阵功能开发及图形变换计算；

3 结论

本文将优化后的算法具体应用于带冠弯扭叶片涡轮叶盘的电火花中，搜索了电极进给轨迹，同时对电极本身进行了必要的厚度调整。实际计算表明，在进给终了位置，电极型面与叶片型面的贴合误差小，整个进给过程无干涉。