『NX大赛作品』060515024d－大型水轮机数字化产品创新开发过程在UGNX平台上的实现

作品编号：060515024d
作品名称：大型水轮机数字化产品创新开发过程在UGNX平台上的实现

大型水轮机数字化产品创新开发过程在UGNX平台上的实现

阴艳超

（西南交通大学CAD工程中心，四川 成都 610031）

摘要：建立基于计算机的数字化产品模型，并实现产品开发全过程数字化的数字化产品创新开发技术，是通过建立数字化产品造型，利用数字模拟、仿真、干涉检验、CAE分析等数字分析技术，改进和完善设计方案，提高产品开发效率和产品的可靠性，并最终为基于网络的全球制造提供数字化产品模型和制造信息。本文主要基于UGNX平台实现了面向产品创新的大型水轮机数字化产品开发，介绍了产品开发过程中涉及到的关键技术，并探讨了其在现代制造业中的广阔应用前景。
关键词：数字化产品开发；面向产品创新；UGNX；数字化仿真；大型水轮机
中图分类号： TP391                    文献标识码：A
1．引言
          随着技术进步和市场竞争的日益激烈，产品的技术含量和复杂程度在不断增加，而产品的生命周期日益缩短。因此，缩短新产品的开发和上市周期就成为企业形成竞争优势的重要因素。在这种形势下，在计算机上完成产品的开发，通过对产品模型的分析，改进产品设计方案，在数字状态性下进行产品的虚拟试验和制造，然后再对设计进行改进或完善的数字化产品开发技术变得越来越重要。
水轮机作为水力发电的原动机，在电力工业中占有特殊的地位。水力发电机组正日益朝着巨型化方向发展，无论在研究开发，还是在制造工艺技术方面，我国发电设备制造业的现有技术都难以满足市场竞争的要求。因此对大型水轮机的先进设计与制造技术研究开发的迫切性显得尤为突出。UGNX是新一代的数字化产品开发系统，可应用于整个产品的开发过程，进行产品的数字化建模、数字化预虚拟装配、有限元分析、结构运动分析和仿真模拟等，同时还可以在三维模型的基础上生成数控代码，进行产品加工的切削仿真和机床运动仿真。本文主要基于UGNX平台将面向产品创新的数字化产品开发技术应用于大型水力轮机的产品设计和制造过程，从而大大缩短产品研制周期，降低开发费用，提高了产品开发质量。其中涉及到的关键技术主要包括：基于加工要求的转轮数字化造型；基于主模型法和WAVE技术水轮机数字化预装配；转轮的有限元刚度和振动特性分析、结构运动分析；叶片五轴联动刀位轨迹规划和计算；水轮机叶片五轴联动数控加工仿真环境的构建；切削仿真及干涉检验；后处理技术，以及基于UGNX平台的二次开发技术等。通过对这些技术的链接和研究，探索了在UGNX软件的基础上，如何实现大型水轮机的数字化产品创新开发。                                       
2．大型水轮机的数字化设计
          大型水轮机数字化设计技术的对象是水轮机的结构和性能，从转轮设计、分析、模拟、评测出发，对客户需求的产品性能和成本进行优化。主要包括：转轮的三维数字化造型、外观评估、数字化预虚拟装配、 有限元分析、运动分析、数字化加工编程。由此形成一条由水轮机及其加工数据组成的数字化产品设计链。
          2.1 基于高级自由曲面建模的大型混流式转轮的三维数字化造型
正确的创建水轮机的三维数字化实体模型是其开发过程的关键，转轮的三维造型是后续有限元分析和虚拟加工仿真的基础。混流式转轮由上冠，下环和焊接在其上的一组等角距的叶片组成，混流式叶片这一复杂雕塑曲面体由正面、背面、与上冠相接的带状回转面、与下环相接的带状回转面、进水边曲面、出水边曲面、进水边头部曲面等构成。在转轮叶片中，混流式叶片因其曲面非常不规则，曲率变化大，空间扭曲程度大，如果将叶片平放，最高点与最低点高度差较大并且厚度变化也相当大等特点，导致其三维造型难度也最大。在此我们在Unigraphics的Modeling模块下利用高级自由曲面建模首先进行叶片的三维造型，然后再进行转轮的整体造型。具体过程如下：
       (1)首先输入数据点，由于叶片沿流线描述的三维坐标点数据量太大，可将流线上取得的点编写一个Grip程序读入。
      (2)通过输入点建立拟合样条，分析样条的曲率梳是否光顺，是否存在曲率反向点，根据需要对样条进行Smooth。
      (3)对于混流式叶片这一复杂雕塑曲面体，正面、背面是叶片的两张最大的自由曲面，必须首先作出这两张曲面才能构造其他曲面，在Preferences/modeling规定的距离和角度的公差，采用Free Form Feature对光顺过的样条用Through Curves Multiple/Parameter方法造型。然后通过AnalysisFaceReflection对曲面进行评估，根据情况对原样条进行调整光顺，直到得到满意的曲面。
      (4)考虑到加工方便，沿正背面出水边的Edge用 Free Form Feature下的Ruled方法造型。
      (5)对于叶片上冠和下环的带状回转面可将叶片正面的上冠和下环的边投影大XZ平面上，以此投影线为母线绕Z轴生成回转面，用正、背面去Trim得到带状回转面。
     (6)最后通过Feature Operation下的Sew方法将这些曲面缝合成实体。
     (7)采用sketch功能作出母线，采用Feature/Swept Features Body of Revolution造出上冠、下环。
     (8)将叶片按圆周上的布置总叶片数采用Edit/Transform/ Rotate About a Line/ Copy至要求叶片个数的方法，再和上冠、下环United运算组成整体转轮，如图1为叶片三维模型，图2为转轮的整体造型。
                  


       2.2 基于主模型法和WAVE技术的水轮机的数字化预虚拟装配
数字化预装配技术涉及特征技术、仿真技术、计算机可视化技术、知识工程、CAD/CAM系统集成技术等多个领域。在此水轮机整机装配以自顶向下和自底向上相结合进行构建，采用主模型法将水轮机各零部件模型按照实际定位关系进行虚拟装配，实现同一主模型可以并行被工程图、装配、加工、结构分析和有限元分析等模块引用，当主模型修改时，相关应用同时更新。此外通过WAVE几何链接器在组件间建立链接关系，用更新相关的组件与工具自动传递设计的改变，从而减少了设计改变费用，实现了产品模型的快速并行设计。尤其是在大量销钉、键、导叶等零件装配过程中利用装配组件阵列将组件阵列链接到特征阵列，一次完成装配过程，从根本上减少了执行和分析产品修改时间，实现了在零件进行加工前就通过UG系统功能检查零部件之间的配合、干涉，进行整机性能、结构分析，对运动零部件进行机构分析，以及论证零件的可安装和可拆卸性，使设计隐患尽量杜绝在产品设计阶段，减少新产品试制时的返工，降低设计更改成本，缩短新产品的研发周期。UG软件中的整机虚拟装配如图3所示。




       2.3 转轮的有限元刚度和振动特性分析
水轮机转轮的刚度、振动特性及其疲劳破坏是设计、运行部门等所关注的问题。但由于机械、水力因素等的激振作用，使得水轮机叶片产生振动，而长时间的机组振动可能引起结构的疲劳破坏，并且激振源频率与水轮机结构在水中的固有频率接近或相同时可引起共振，在共振条件下极易引起结构的破坏。因此仅计算转轮的刚度是远远不够的，还要进行水轮机转轮的模态分析。模态分析可以确定转轮的固有频率和振型。固有频率和振型是承受动态载荷结构设计中的重要参数。转轮的有限元分析的步骤如下：
1)    建立转轮的三维实体模型；
2)    对模型进行简化；
3)    对水轮机转轮进行材料选择；
4)    对模型进行网格划分；
5)   载荷及约束施加；
6)   通过解算器对转轮网格单元模型进行计算；
7)   由UG软件有限元分析模块的后处理功能对转轮进行结果分析。
转轮的有限元模态分析如图4、图5所示。
      2.4 大型水轮机关键部件运动分析
大型混流式水轮机的工作过程是：水流由压力水管引入，流经水轮机，将能量传送给转轮使它转动，再经尾水管引向下流尾水渠，转轮获得能量转动后，便通过水轮机轴和发电机轴带动发电机的转子转动，再通过一系列电气设备向用户送出电流。当用户的负荷发生变化时，就通过调速器控制水轮机的导水机构来调节流量，以达到改变水轮机出力与外负荷变化相适应的目的。
      


        UGNX运动分析模块可以进行机构的干涉分析，跟踪零件的运动轨迹，分析机构中零件的速度加速度、作用力、反作用力和力矩等。运动分析模块的分析结果可以指导修改零件的结构设计或调整零件的材料。设计的更改可以反映在装配主模型的复制分析方案中，再重新分析，一旦确定优化的设计方案，设计更改就可直接反映到装配主模型中。转轮带动水轮机轴转动运动分析过程如下：   
1)    对水轮机进行实体建模，并在UG软件中进行虚拟装配；
2)   定义“连杆”和“运动副”；
3)   定义运动“驱动”；
4)   给运动分析方案加力、力矩、减振块和接触运动副；
5)   设置标记及其他封装分析选项，从而可以对标记、组件进行跟踪，分析其临界状态，并进行干涉检查等；
6)   查询运动分析方案的信息，修改编辑模型及运动分析方案的特征。
转轮带动水轮机轴转动运动分析如图6所示。



      2.5  大型混流式转轮叶片的五轴联动数字化加工编程
大型复杂曲面零件的五轴联动数控编程比普通零件编程要复杂得多，针对水轮机叶片体积大并且型面曲率变化大的特点，通过分析加工要求进行工艺设计，确定加工方案，选择合适的机床、刀具、夹具，确定合理的走刀路线及切削用量等；建立叶片的几何模型、计算加工过程中的刀具相对于叶片的运动轨迹，然后进行叶片的切削仿真以及机床的运动仿真，反复修改加工参数、刀具参数和刀轴控制方案，直到仿真结果确无干涉碰撞发生，则按照机床数控系统可接受的程序格式进行后处理，生成叶片加工程序。其具体编程过程如图7所示。




         针对大型水轮机叶片各曲面的特点，进行合理的刀位轨迹编程，是使所生成的刀位轨迹无干涉、无碰撞、稳定性好、编程效率高的关键。为了减少数据量，提高效率我们采用主模型Master Model法。首先建立一个新的UG零件,用UG装配Assemblies功能的Add Component将要加工的叶片加入到新建的零件下，以此为工作零件进行加工编程，再通过Application Manufactruring进入加工模块。在选择加工环境并进行初始化后，按照前面所选刀具、毛坯、切削工艺创建程序组(Program)、刀具(Tool)、几何体(Geometry)、切削工艺(Method)和加工操作(Operation)。在此选择Mill-multi-axis-VARIABLE CONTOUR的加工方法。           
         对于曲面加工Drive Method选择Surface Area,可以通过Cut Step的Tolerances和Step Over的Scallop来控制叶片最后的粗造度。 五轴加工的刀具位置和刀具轴线方向是变化的，对加工过程中刀具轴线方向按什么规律来控制是影响五轴加工效果的一个重要因素，所以Tool Axis选择Relative to Part随曲面形状变化而对刀轴进行自适应调节，在此方式下刀轴可通过前倾角(Lead)和倾斜角(Tilt)来控制。通过对曲面曲率的分布情况的分析对于不同的区域采用不同的面铣刀。根据具体情况选择切削类型、切削参数、刀轴方向、进退刀方式等参数生成刀位轨迹，混流式叶片通过五轴联动加工生成的刀位轨迹如图8所示。但是对于像叶片这样的曲率变化很大而又不均匀的雕塑曲面零件我们还要根据情况作大量的刀位编辑，并且必须进一步通过切削仿真做干涉和碰撞检查修改和编辑刀轨。

3.大型水轮机转轮的数字化制造技术
         在已得到的加工数据基础上，引入相应的加工机床、刀具、夹具等虚拟工位模型，在计算机上进行预先制造模拟仿真。水轮机叶片的加工属于大型复杂雕塑曲面的加工，其毛坯体积大，材料价格昂贵，采用虚拟制造技术对加工过程进行加工仿真，主要通过软件模拟加工环境、刀具路径与材料切除过程来检验并优化加工程序，在计算机上仿真验证五轴联动加工的刀具轨迹，辅助进行加工刀具干涉检查和机床与叶片的碰撞检查，取代试切削或试加工过程，可大大地降低制造成本，并缩短研制周期，避免加工设备与叶片和夹具等的碰撞，保证加工过程的安全。
        3.1叶片加工刀位轨迹后置处理
       后置处理将前面生成的刀位数据转换成适合具体机床的数据。我们利用UG加工模块产生刀轨，首要目的是为了加工工件，但我们不能直接将这种未修改过的刀轨文件传送给机床进行切削工件，机床的类型很多，每种类型的机床都有其独特的硬件性能和要求。因此，刀轨文件必须被修改成适合于不同机床/控制器的特定参数，这种修改就是所谓的后处理。后处理最基本的两个要素就是刀轨数据（Tool Path Data）和后处理器(Postprocessor)。UG软件中的Post-Builder是提供给用户定制后置处理程序的功能模块,不仅可以对程序结构和代码进行定义，同时也可以对机床的运动关系进行定义。
在此首先了解龙门移动式五坐标数控铣镗床的结构、机床配备的附属设备、机床具备的功能及功能实现的方式和机床配备的数控系统( Fanuc 15m)，熟悉该系统的NC编程包括功能代码的组成、含义。接下来探讨一下UG软件提供的机床定义功能。在Create New Post Processor界面里，机床的定义包括了所有的5轴运动关系，这里需要定义与实际相符的机床运动关系，在本文中定义为5-Axis with Dual Rotary Heads方式，然后明确其他选项，进入后续的定置。在5—Axis  Mill的定义中 ，有General Parameters 、Fourth Axis、Fifth Axis共三个部分需要定义。然后在Unigraphics的后处理工具Post Builder下通过对Program&Tool Path以及N/C Data Definitions等参数按照所选机床和控制器要求进行编辑。在我们定义机床运动关系时可以利用Machine Tool Display随时进行显示，如图9所示，并与实际相比较。最后在完成所有的定义后形成最初的后置程序，这个程序通常需要根据实际后置结果进行必要的调整和修改，以满足实际的需要。然后将在Unigraphics的CAM下已得的刀位源文件进行输入，转换成可控制机床加工的NC代码如图10所示。
   

           3.2叶片加工仿真虚拟现实环境的构建
数控加工仿真技术是将叶片的真实加工过程在虚拟加工环境中进行映射，首先要求对采用的数控机床、加工刀具、零件毛坯及夹具等真实的加工环境进行映射构造出仿真加工环境。在此，首先进行工艺系统分析，明确机床CNC系统型号、机床结构形式和尺寸、机床运动原理和机床坐标系统，根据分析在Manufacturing环境下的 Machine Tool Builder中建立所需要的机床，在此必须对数控机床各部件进行参数化实体建模即实体造型，然后按照各部件之间的装配关系进行机床实体装配，按照几何约束条件定义各轴的运动副性质和方向，从而得到五轴联动数控机床的三维实体模型，然后建立刀具库，并建立机床运动模型，添加各部件的几何模型，并准确定位，最后设置机床参数。龙门移动式五坐标数控铣镗床模型系统如图11所示。
  

         3.3叶片五轴联动数字化加工切削仿真和机床运动仿真、校验及程序优化
通过虚拟制造机床对叶片的五轴联动数控加工仿真，能够真实的反映制造加工过程中的过切、碰撞等干涉现象，能够提供加工过程中优化后的切削参数、总的加工时间等的关键数据，从而可以评价加工策略的优劣并改进加工方案，进一步对加工程序进行优化。针对雕塑曲面体混流式叶片五轴联动虚拟加工过程为：在建立好仿真环境之后，添加毛坯、夹具，加载加工程序以及所需刀具，将叶片模型变换到加工位置计算出刀具轨迹，再以此轨迹进行叶片切削过程、刀位轨迹和机床运动的三维动态仿真。这样就可以清楚的监控到叶片加工过程中的过切与欠切、刀杆与叶片、叶片和夹具间的干涉碰撞，从而保证了数控编程的质量，减少了试切的工作量和劳动强度，提高了编程的一次成功率，缩短了产品设计和加工周期，大大提高生产效率，节约了开发成本。一个拥有完整虚拟制造技术的企业相当于拥有一个样品试制车间。如在现代制造行业进行推广，可产生巨大的经济和社会效益。混流式叶片的切削仿真如图12所示。叶片的机床加工仿真如图13所示。
         

         4.利用UGNX平台的二次开发进行产品参数化设计
         作为全三维支持参数化设计的造型系统，UGNX不仅具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和工程图设计等功能，还提供了UG/OPEN GRIP和UG/OPEN API程序设计模块、 UG/OPEN MenuScrip和UG/OPEN UIStyler两个辅助开发模块，提供了良好的高级语言接口，使得UG的造型功能和计算功能有机的结合起来，便于用户开发符合自己要求的CAD系统。
        在此利用User Interface Styler创建具有UGNX风格的对话框，保存对话框时，系统同时生成C程序源文件（.C文件）和程序头文件(.H文件)。然后在C/C++程序编辑器中利用UG/OPEN API函数进行程序设计、编译、链接等生成动态链接库文件，最后利用UG/OPEN MenuScrip将动态链接库与UGNX的菜单联系起来，执行相应的菜单命令，系统将调用相应的对话框完成特定功能。图14为水轮机装配用销钉零件库对话框，输入参数后单击对话框中的在库中查询按钮进行查询，这时系统将访问销钉模型文件并访问零件族数据，如需要打开该参数的销钉模型，可再单击打开销钉模型按钮，系统将弹出如图15所示的销钉模型。如果输入参数查询库中没有的模型系列，可设置参数值并在命名文本框中输入命名单击向库中增补按钮将该参数系列添加到销钉库中。
                  

       5.结束语
         综上所述， UGNX是一个数字化产品开发技术集成的软件平台，将CAX技术、设计过程管理、虚拟现实技术等集成起来，形成了一个交互式环境，以支持新产品设计过程中的并行工程，解决对人力、时间、资源的浪费问题，并且提高了加工效率，缩短产品研制周期，降低开发成本，事实证明为企业带来了战略性的效益。
参考文献：
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作者简介：阴艳超（1977-），女，河南省安阳市人，西南交通大学CAD工程中心2006级博士研究生。  研究方向：CAD/CAM、数字化设计与制造理论及技术。 E-mail：yinyc@163.com

[ 本帖最后由 forestone 于 2006-5-19 11:04 编辑 ]

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