诱导轮的逆向建模和数控加工研究*

苟建峰

(①西安理工大学机械与精密仪器工程学院，陕西 西安 710048; ②四川工程职业技术学院机电工程系，四川 德阳 618000)



诱导轮的逆向建模和数控加工研究*

苟建峰①②

(①西安理工大学机械与精密仪器工程学院，陕西 西安 710048; ②四川工程职业技术学院机电工程系，四川 德阳 618000)

针对某缺少原始数据及设计图纸的诱导轮加工，采用逆向反求技术实现其仿制加工的方法。首先采用三坐标测量仪对该诱导轮的基本外形设计参数进行数据点的采集，并对采集的数据进行修复和还原。然后根据采集的点云数据利用UG软件分别对其进行参数化建模，刀轨文件以及NC代码的生成。并通过MAZAK车铣复合加工机床IT100进行了实际加工验证。该方法加工的零件不仅完全满足实际要求、操作方便，而且提高了生产效率，降低了生产成本。同时也为其他类似零件的加工制造以及对已有零件进行技术消化、吸收和改进提供借鉴方法。

诱导轮;逆向工程;建模;数控加工

诱导轮是一类形状特征非常明显的复杂曲面零件。在机械装备行业中具有典型的代表性。它被广泛应用于航空航天，冶金，石化，能源和电力工业等。其传统的制造方法是先铸造成型然后抛光。但由于其通常使用的环境为高温高压，因此铸件的性能往往不能满足使用要求[5]。五轴联动刀具运动灵活，加工的零件不仅尺寸精度高而且机械性能非常优良，因此非常适合该类复杂零件的加工。

逆向反求工程是通过对实物模型的几何尺寸、特征、材料等属性进行分析，利用激光扫描仪、三坐标测量机等设备对实物进行测量以获取零件的三维几何点数据，利用实物测量和曲面造型技术以及CAD 软件实现零件的 CAD 模型重构，最终利用CAD/CAM 等先进技术实现对零件的再制造及改进[7-8]。

本文针对某缺少原始数据及设计图纸的诱导轮加工，采用逆向反求技术实现其仿制加工的方法。实现了该诱导轮的逆向建模、刀路规划、NC代码生成以及实际数控加工全过程。最终验证了该方法切实可行、实用，在实际生产中有很好的推广应用价值。

1　诱导轮点云数据的获取

1.1诱导轮的几何结构

诱导轮一般由两部分组成：轮毂曲面及叶片曲面，而叶片曲面通常由三部分组成：吸力曲面、压力曲面及包覆曲面。轮毂面通常是一圆锥外表面。本文所研究的诱导轮是一个相比一般叶轮加工难度更大的变螺距诱导轮，其几何特点为：叶片非常薄，其前端最薄处仅0.2 mm；流道深，流道开口最深处达17.18 mm：间距小，相邻叶片的最小间距仅11.87 mm。三维模型如图1所示。

1.2诱导轮数据点的测量

由于该企业所维修的诱导轮没有原始的设计图纸及数据。所以首先必须采用三坐标测量仪对该诱导轮的基本外形设计参数进行数据点的采集，同时对采集的数据进行修复和还原。本文采用海克斯康9128 活动桥式三坐标测量仪，通过接触式测头对该诱导轮每隔30°旋转逐点扫描诱导轮零件轮毂及其中一个叶片表面获得其表面的点云信息，通过对所测的数据进行分析发现轮缘轴向尺寸满足以下关系式：

根据上式通过计算以确定出截面型值点数据。以绘制出该诱导轮的零件图，如图2所示。

2　诱导轮的参数化建模

依据诱导轮的零件图分析其模型主要包括两部分：轮毂曲面和叶片曲面，而叶片又包括包覆曲面、压力曲面和吸力曲面3部分。通过对三坐标测量仪测量的各点数据进行分析，决定分4步完成对诱导轮建模。

(1)首先完成叶轮轮缘曲面的造型。即进入UG/Modeling环境，在坐标系中逐点输入三坐标测量仪所测量轮缘上点的坐标值。并将输入的轮缘上点的坐标值抽象出样条曲线，最后通过Extrude(拉伸)”命令，完成轮缘曲面部分的创建。如图3所示。

(2)同样在坐标系中逐点输入三坐标测量仪所测量轮毂上点的坐标值并抽象出样条曲线，最后通过“回转”命令，完成轮毂曲面部分的创建。如图4所示：

(3)为了能够准确无误地表达出叶轮曲面的几何特征，确定选用“Swept(扫掠)”方式在刚刚绘制的轮缘内、外侧样条曲线的起始点和终点处根据叶片的厚度分别绘制引导线、母线，然后通过“Swept”扫掠命令，完成叶片曲面部分的创建。如图5所示：

(4)将刚刚生成的单个的叶片曲面通过缝合指令将其与轮毂曲面缝合成一个整体。然后根据对称性，关于Z轴采用阵列特性，对称产生出其他两叶片。然后对三片叶片进行修剪,同时完成叶片和轮毂接触面的倒角以及底部等其他特征，最终完成诱导轮的建模。如图6所示。

3　诱导轮刀路规划和NC代码的生成

3.1加工方案

根据对该诱导轮的结构、成型特点、加工的技术要求和难点分析，并综合考虑MAZAK车铣复合加工机床IT100的加工特点，设计该诱导轮的加工工艺方案。制定的该诱导轮的加工工艺方案如表1所示。

表1诱导轮加工工艺方案

工序加工内容刀具刃长/mm刀长/mm1流道槽(轮毂曲面)粗加工ϕ8mm立铣刀35502叶片(吸力、压力曲面)粗加工ϕ6mm球头铣刀32503叶片(吸力、压力曲面)精加工ϕ4球头铣刀32504流道槽(轮毂曲面)精加工ϕ4mm球头铣刀32505后缘、流道槽尾清根修正加工ϕ4mm球头铣刀3250

3.2刀路轨迹的生成

按照上面的加工方案在UG加工模块中创建各工序操作，并对各工序操作中切削、非切削运动参数以及刀轨形式等进行设置。诱导轮流道槽需要切除的余量较大，所以尽量选择直径较大的刀具进行加工。而叶片精加工及清根所用刀具通常采用直径小于叶片根部圆角的刀具。

3.2.1流道槽粗加工

流道槽的粗加工必须从叶片的吸力、压力两个曲面分别进行开粗加工，否则容易使得叶片产生扭曲变形。刀具选择φ8mm的硬质合金立铣刀,主轴转速设定为 4 500 r/ min,fz设定为0.2 mm/ r,ap为1 mm,驱动方法设置曲面方式，刀轴控制设置为相对于驱动体。同时设置切削层深度选项相关参数,深度模式:从包覆插补至轮毂,每刀深度恒定。其刀路轨迹如图7 所示。

3.2.2叶片粗、精加工

为了保证叶片不产生扭曲变形以及加工的表面质量，因此叶片的粗精加工同样必须从叶片的吸力、压力两个曲面分别进行。叶片粗加工φ6mm的硬质合金球头铣刀,主轴转速为 6 000 r/ min,fz设定为0.2 mm/ r,ap为0.25 mm。叶片精加工采用φ4mm的硬质合金球头铣刀,主轴转速为 8 500 r/ min,fz设定为0.15 mm/ r,ap为0.25 mm。设置叶片粗精加工驱动方法,要粗精加工的几何体为叶片,要切削的面为吸力面、压力面和前缘,叶片边缘点为沿叶片方向,切削方向为顺铣。其刀路轨迹如图 8所示。

3.2.3流道槽精加工

流道槽精加工采用φ4mm的硬质合金球头铣刀,主轴转速为 8 500 r/ min,fz设定为0.15 mm/ r,ap为0.25 mm。流道槽精加工驱动方法设置曲面方式，刀轴控制设置为远离直线。切削方向为顺铣,模式为单向。其刀路轨迹如图 9所示。

3.2.4清根加工

诱导轮加工完成后，还需要对叶片的根部以及尾部进行精加工，即清根加工。采用φ4mm的硬质合金球头铣刀,主轴转速为 8 000 r/ min,fz设定为0.15 mm/ r,ap为0.25 mm, 驱动方法设置曲面方式，刀轴控制设置为远离直线。要加工的几何体为叶根圆角,切削的面为左面、右面和前缘 ,切割条带为步进,切削方向顺铣。其刀路轨迹如图10所示。

3.3NC代码的生成

CAD/CAM软件后置处理中可以生成指定不同数控系统的机床能够识别的NC代码。但不管是哪种数控系统的NC代码，其往往都来自于相同的刀轨文件。即所来源的刀轨文件固定不变。因此，利用UG软件生成所设计的诱导轮流道、叶片以及清根等每一部分加工的刀轨文件。最终在专用后置处理器中，将这些刀轨文件生成机床能够识别的NC代码。

4　实际加工验证

在利用UG软件完成该诱导轮的刀路规划以及采用专用后处理器生成NC程序后。为了验证该方法的可行性以及实用性，利用本单位MAZAK车铣复合加工机床IT100对该诱导轮仿真模型进行了实际加工验证如图11所示。经实际检测，在MAZAK车铣复合加工机床IT100上实际加工所得到的诱导轮叶片部分的表面粗糙度为6.3 μm,叶片及其他部分均完全达到其设计要求。同时比原来的诱导轮形状更加完美，同轴度更高。而且还将诱导轮原来的先车削，然后再铣削的两道工序减少为由车铣复合一道工序一次装来加工完成。再次证明该方法切实可行。

5　结语

本文针对某缺少原始数据及设计图纸的诱导轮加工，提出了一种采用逆向反求技术实现其仿制加工的方法。即：(1)采用三坐标测量仪对该诱导轮的基本外形设计参数进行数据点的采集，同时对采集的数据进行修复和还原。(2)根据采集的点云数据利用UG软件分别对该诱导轮进行参数化建模，以及其加工刀轨文件的设计。(3)利用自己开发的专用后处理器生成加工所需的NC代码，并通过MAZAK车铣复合加工机床IT100进行了实际加工验证。通过验证该方法加工的零件不仅完全满足实际要求、操作方便，而且提高了生产效率，降低了生产成本。同时也为其他类似零件的加工制造以及对已有零件进行技术消化、吸收和改进提供借鉴方法，在实际生产中有很好的推广应用价值。

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Research on reverse modeling and numerical control processing of induced wheel

GOU Jianfeng①②

(①College of Mechanical and Precision Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, CHN; ②Department of Mechanical and Electrical Engineering, Sichuan Engineering Technical College, Deyang 618000, CHN)

A method is proposed to realize the process of imitation by using reverse technology in the process of induction wheel of a certain lack of original data and design drawings. First, the three-coordinate measuring instrument is used to collect the basic shape design parameters of the inducer, and the data are restored and restored. Then, according to the collected point cloud data using UG software to carry out parametric modeling, tool path file and NC code generation. And through the MAZAK turning-milling composite IT100 was verified by the actual processing. The parts processed by the method not only meet the requirements of the actual operation, but also improve the production efficiency and reduce the production cost. At the same time, it also provides a reference method for the processing and manufacturing of other similar parts as well as the technical digestion, absorption and improvement of the existing parts.

inducer; reverse engineering; modeling; NC machining

TH162

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.08.022

苟建峰，男，1983年生，博士研究生，副教授，加工中心技师，主要从事数控加工技术研究。

(编辑孙德茂)(2016-04-05)

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