CN100577358C - 汽轮机叶片数控砂带磨床及其操控方法 - Google Patents

Abstract

汽轮机叶片数控砂带磨床及其操控方法。本发明涉及汽轮机叶片的磨削加工设备及其操控方法。特点是利用原有机床基础件，增设了砂带磨头、开放式数控系统；砂带磨头配置有磨削砂带张紧装置和传动皮带张紧机构；Z轴伺服电机驱动大拖板，X轴伺服电机驱动小拖板，C轴驱动头架，B轴驱动回转台，D轴为砂带磨头电机，各电机与数控系统连接；数控系统中设置有存储器和控制电路，配置有叶片磨削控制软件模块；操控时先输入原始参数，然后由系统自动建立叶片型面三维数据模型、生成加工程序、进行误差分析和加工模拟，最后进行叶片实际磨削加工。本发明为五轴四联动数控砂带磨床，具有效率高、精度好、结构简洁、成本低廉、操控简便的特点。

Description

汽轮机叶片数控砂带磨床及其操控方法

技术领域：

本发明涉及汽轮机叶片的加工设备，尤其涉及一种将叶片装夹于机床上用砂带完成叶片曲面型面磨削的加工机床及其操控方法。

背景技术：

汽轮机叶片形状复杂、加工精度要求高，是汽轮发动机组中的重要零件，也是汽轮机中加工难度最大的零件之一。目前国内市场上有用于汽轮机叶片铣削加工的机床设备，包括通用的5轴加工中心机床，以及由中国机械工业科学技术奖公报的编号为0501009的专用汽轮机叶片加工中心机床。而用于汽轮机叶片曲面型面磨削加工的机床设备尚未见报道。由国家知识产权局公开的申请号为03279079.1，名称为“汽轮机叶片纵树型叶根强力磨床”专利技术，仅用于叶片叶根部工作平面的磨削加工，在现有技术中尚没有能完成汽轮机叶片曲面型面磨削加工的设备。

发明内容：

本发明提供了一种在一次装夹下完成整个汽轮机叶片曲面型面磨削加工的汽轮机叶片数控砂带磨床及其操控方法。

本发明的技术方案是：它包括机床床身、头架、尾座、大拖板、小拖板、回转台组成，头架固定连接在床身一端，尾架滑动设置在床身另一端，床身导轨上设有大拖板，在大拖板上设有小拖板，回转台固定连接在小拖板上。它还包括砂带磨头、开放式数控系统以及分别驱动机床传动轴的各个伺服电机；砂带磨头固定连接在机床回转台上；在机床五根控制轴中，驱动大拖板沿机床导轨做叶片纵向磨削运动的为Z轴，由Z轴伺服电机驱动；驱动小拖板做叶片径向磨削运动的为X轴，由X轴伺服电机驱动；驱动头架做叶片回转运动的为C轴，由C轴伺服电机驱动；驱动回转台做旋转运动的为B轴，由B轴伺服电机驱动；D轴为砂带磨头驱动轴，由变频无级调速交流电机驱动；各电机通过驱动器接口与开放式数控系统连接，在开放式数控系统中配置有满足汽轮机叶片曲面型面磨削要求的能使X、Z、B、C轴实现联动的储存有系统控制软件的存储器和执行电路。

砂带磨头由磨头支座、磨头电动机、主动轮、张紧轮、接触轮、砂带和传动皮带轮副组成；磨头支座固定连接在机床回转台上，支座上固定连接有磨头电动机；砂带设置在主动轮和接触轮上，为封闭环状结构，由张紧轮张紧，主动轮、张紧轮和接触轮轴线相互平行；主动轮由磨头电动机通过传动皮带轮副进行驱动，可通过连接主动轮的支撑杆绕销轴摆动实现传动皮带的张紧；张紧轮与偏心轴连接，偏心轴设置在固接于磨头支座的支撑臂上，可通过偏心轴的转动实现对砂带的张紧。

所述的机床开放式数控系统以工控机和多轴运动控制器为硬件平台，数控系统软件由实时控制功能模块、非实时管理功能模块和叶片数据处理模块三大软件模块组成，工控机与多轴运动控制器可通过ISA总线进行通信，也可通过双端口RAM进行通信，多轴运动控制器通过接线器分别与各轴伺服驱动单元连接，多轴运动控制器还通过多功能I/O接口与机床控制面板和机床电器连接。

汽轮机叶片数控砂带磨床的操作控制过程，是按以下步骤进行的：

(1)首先要求用户在系统主工作界面选择“原始参数输入”菜单，通过控制面板输入所磨削叶片的几何参数、各截面离散点坐标以及磨削工艺参数。

(2)选择“建立叶片模型”菜单，系统将根据用户所输入的所磨削叶片几何参数和离散点坐标，自动建立叶片磨削型面的三维数据模型。

(3)选择“数控程序生成”菜单，系统将根据用户所输入的磨削工艺参数和叶片三维数据模型，自动生成叶片砂带磨削加工的数控程序。

(4)选择“磨削误差分析”菜单，系统将根据所生成的数控程序，进行磨削加工模拟，分析叶片磨削加工误差，显示磨削误差分析结果。

(5)若步骤(4)所分析的磨削误差在用户所规定的范围内，装夹被磨削叶片，调用数控磨削程序，进行叶片的实际磨削加工；若其磨削误差超出所规定范围，则修改磨削工艺参数，并重复步骤(4)，直至磨削误差在用户规定范围之内。

本发明根据汽轮机叶片磨削加工的要求，利用现代数控技术和砂带高效磨削的特点，利用原有机床基础件，新设计开发了砂带磨头、五轴四联动开放式数控系统，实现了一种磨削效率高、磨削精度好、结构简洁、成本低廉且操控简单的汽轮机叶片数控砂带磨床。

本发明的特征将结合附图作进一步的说明。

附图说明：

附图1为发明的结构示意图。

图中：1机床床身，2大拖板，3小拖板，4回转台，5驱动头架，6、C轴伺服驱动电机，7同步带轮副，8气轮机叶片，9砂带磨头，10磨头电机，11X轴伺服驱动电机，12、B轴伺服驱动电机，13支撑尾座，14、Z轴伺服驱动电机。

图2为砂带磨头结构示意图。

图中：15砂带磨头支座，16接触轮，17砂带，18张紧轮，19偏心轴，20V型皮带，21销轴，22支承杆，23皮带轮副，24主动轮。

图3为数控系统的结构框图。

图4为数控系统主要功能模块。

图5为机床操作工作流程。

具体实施方式：

本发明包括机床床身1、头架5、尾座13、大拖板2、小拖板3、回转台4、砂带磨头9、开放式数控系统和分别驱动机床五根控制轴的电机，汽轮机叶片8安装于机床头架5和尾座13顶尖之间，由C轴伺服电机6驱动，实现叶片8的旋转运动；Z轴伺服电机14驱动大拖板2，并由此带动砂带磨头9沿机床导轨做叶片8的纵向磨削进给运动；X轴伺服电机11驱动小拖板3，并由此沿大拖板2燕尾导轨带动砂带磨头9做叶片8的径向进给运动；B轴伺服电机12驱动回转台4绕自身转轴旋转，以控制砂带磨头9在叶片8曲面型面的法线方向进行磨削，D轴为砂带磨头驱动轴，由变频无级调速磨头电机10驱动。

所述的机床C轴伺服电机6输出轴配置有一只高精度行星减速器，通过同步带轮副7和同步带驱动头架5主轴旋转；头架5主轴端部安装有专用夹具，该夹具与支撑尾座13顶尖配合，实现对叶片8的定位与夹紧；机床的Z轴和X轴伺服电机均提供柔性连轴节与滚珠丝杆相连。

砂带磨头由支座15、磨头电动机10、主动轮24、张紧轮18、接触轮16、砂带17和传动皮带轮副23组成；支座固定连接在机床回转台上，磨头支座15上固定连接有磨头电动机10；砂带17设置在主动轮24和接触轮16上，为封闭环状结构，由张紧轮18张紧，主动轮24、张紧轮18和接触轮16轴线相互平行；主动轮24由磨头电动机10通过传动皮带轮副23进行驱动，可通过连接主动轮24的支承杆22绕销轴21摆动实现传动皮带20的张紧；张紧轮18与偏心轴19连接，偏心轴19设置在固接于支座的支撑臂上，可通过偏心轴19的转动实现对砂带17的张紧。

汽轮机叶片数控砂带磨床的控制过程由开放式数控系统来进行控制。数控系统是以工控机(IPC)和多轴运动控制器PMAC(Programmable Multi-AxisController)为硬件平台的开放式数控系统。该系统以工控机为主机，以多轴运动控制器为从机，构成一种主从式控制结构，主机负责系统管理、用户输入、界面显示等非实时控制任务，从机负责数控系统的实时控制作业。主机与从机之间的通信可通过ISA总线进行，也可通过双端口RAM进行，双端口RAM的应用提高了系统的通信速率，提高了数控系统的响应能力和控制精度。多轴运动控制器通过接线器分别与各轴伺服驱动单元连接，用以控制各伺服轴的位置和速度，并实时反馈伺服各轴的工作状态。此外，多轴运动控制器还通过多功能I/O接口与机床控制面板和机床电器连接，用于控制系统开关量的输入和输出。

机床数控系统的软件部分，由主控模块以及各种功能模块组成。主控模块是为用户提供一个友好的系统操作界面，在此界面下系统的各功能模块以菜单的形式被调用。系统的功能模块可分为实时控制类功能模块、非实时管理类功能模块以及汽轮机叶片专用数据处理功能模块三大类。

实时控制类模块是控制机床当前运动的软件模块，具有毫秒级甚至更高要求的时间响应，主要由多轴运动控制器完成。实时控制类功能模块包括加工程序解释、伺服驱动、运动插补、数据采集以及PLC等功能。PLC软件模块包括有系统I/O端口映射、回参考点、使能许可，自动、单步、点动、MDA、JOG等工作方式，快速、增量、倍率等速率调整，冷却、润滑、主轴电机启停等控制子程序组成。

非实时管理类模块包括系统参数设置、系统诊断、系统通讯以及NC程序编辑等功能。这类软件模块对时间响应要求不高，主要由PC微机负责完成。

汽轮机叶片专用数据处理类功能模块是针对汽轮机叶片砂带磨削加工的相关功能模块，包括原始参数输入、三维自动造型、数控程序生成、磨削误差分析等主要软件模块组成。该类软件模块是系统的重要组成部分，关系到该叶片磨削机床使用的方便性、高效性、精确性等机床特性。

机床工作时，由用户接通机床电源，启动控制系统，运行系统软件。在进行叶片磨削加工时，可按如下步骤对系统进行操作：

(1)首先要求用户在系统主工作界面选择“原始参数输入”菜单，通过控制面板输入所磨削叶片的几何参数、各截面离散点坐标以及磨削工艺参数。

(2)选择“建立叶片模型”菜单，系统将根据用户所输入的所磨削叶片几何参数和离散点坐标，自动建立叶片磨削型面的三维数据模型。

(3)选择“数控程序生成”菜单，系统将根据用户所输入的磨削工艺参数和叶片三维数据模型，自动生成叶片砂带磨削加工的数控程序。

(4)选择“磨削误差分析”菜单，系统将根据所生成的数控程序，进行磨削加工模拟，分析叶片磨削加工误差，显示磨削误差分析结果。

(5)若步骤(4)所分析的磨削误差在用户所规定的范围内，装夹被磨削叶片，调用数控磨削程序，进行叶片的实际磨削加工；若其磨削误差超出所规定范围，则修改磨削工艺参数，并重复步骤(4)，直至磨削误差在用户规定范围之内。

Claims (2)

1、汽轮机叶片数控砂带磨床，包括机床床身、头架、尾座、大拖板、小拖板、回转台，头架固定连接在床身一端，尾架滑动设置在床身另一端，床身导轨上设有大拖板，在大拖板上设有小拖板，回转台固定连接在小拖板上，其特征在于：它还包括砂带磨头、开放式数控系统以及分别驱动机床传动轴的各个伺服电机；砂带磨头固定连接在机床回转台上；在机床五根控制轴中，驱动大拖板沿机床导轨做叶片纵向磨削运动的为Z轴，由Z轴伺服电机驱动；驱动小拖板做叶片径向磨削运动的为X轴，由X轴伺服电机驱动；驱动头架做叶片回转运动的为C轴，由C轴伺服电机驱动；驱动回转台做旋转运动的为B轴，由B轴伺服电机驱动；D轴为砂带磨头驱动轴，由变频无级调速交流电机驱动；各电机通过驱动器接口与开放式数控系统连接，在开放式数控系统中配置有满足汽轮机叶片曲面型面磨削要求的能使X、Z、B、C轴实现联动的储存有系统控制软件的存储器和执行电路；

砂带磨头由磨头支座、磨头电动机、主动轮、张紧轮、接触轮、砂带和传动皮带轮副组成；磨头支座固定连接在机床回转台上，支座上固定连接有磨头电动机；砂带设置在主动轮和接触轮上，为封闭环状结构，由张紧轮张紧，主动轮、张紧轮和接触轮轴线相互平行；主动轮由磨头电动机通过传动皮带轮副进行驱动，通过连接主动轮的支撑杆绕销轴摆动实现传动皮带的张紧；用于砂带张紧的张紧轮与偏心轴连接，偏心轴设置在固接于磨头支座的支撑臂上；

所述的开放式数控系统以工控机和多轴运动控制器为硬件平台，数控系统软件由实时控制功能模块、非实时管理功能模块和叶片数据处理模块三大软件模块组成，工控机与多轴运动控制器通过ISA总线进行通信，或者通过双端口趾M进行通信，多轴运动控制器通过接线器分别与各轴伺服驱动单元连接，多轴运动控制器还通过多功能I/O接口与机床控制面板和机床电器连接。

2、一种如权利要求1所述汽轮机叶片数控砂带磨床的操控方法，其特征在于：汽轮机叶片数控砂带磨床的操作控制过程，它是按以下步骤进行操作控制的：

(1)首先要求用户在系统主工作界面选择“原始参数输入”菜单，通过控制面板输入所磨削叶片的几何参数、各截面离散点坐标以及磨削工艺参数；

(2)选择“建立叶片模型”菜单，系统将根据用户所输入的所磨削叶片几何参数和离散点坐标，自动建立叶片磨削型面的三维数据模型；

(3)选择“数控程序生成”菜单，系统将根据用户所输入的磨削工艺参数和叶片三维数据模型，自动生成叶片砂带磨削加工的数控程序；

(4)选择“磨削误差分析”菜单，系统将根据所生成的数控程序，进行磨削加工模拟，分析叶片磨削加工误差，显示磨削误差分析结果；

(5)若步骤(4)所分析的磨削误差在用户所规定的范围内，装夹被磨削叶片，调用数控磨削程序，进行叶片的实际磨削加工；若其磨削误差超出所规定范围，则修改磨削工艺参数，并重复步骤(4)，直至磨削误差在用户规定范围之内。

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