專利名稱：汽輪機葉片數(shù)控砂帶磨床及其操控方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及汽輪機葉片的加工設(shè)備，尤其涉及一種將葉片裝夾于機床上用 砂帶完成葉片曲面型面磨削的加工機床及其操控方法/
背景技術(shù)：
汽輪機葉片形狀復(fù)雜、加工精度要求高，是汽輪發(fā)動機組中的重要零件， 也是汽輪機中加工難度最大的零件之一。目前國內(nèi)市場上有用于汽輪機葉片 銑削加工的機床設(shè)備，包括通用的5軸加工中心機床，以及由中國機械工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎公報的編號為0501009的專用汽輪機葉片加工中心機床。而用于汽輪機葉片曲面型面磨削加工的機床設(shè)備尚未見報道。由國家知識產(chǎn)權(quán)局公開的申請?zhí)枮?3279079. 1，名稱為"汽輪機葉片縱樹型葉根強力磨床"專利技術(shù)，僅用于葉片葉根部工作平面的磨削加工，在現(xiàn)有技術(shù)中尚沒有能完成汽輪機葉片曲面型面磨削加工的設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種在一次裝夾下完成整個汽輪機葉片曲面型面磨削加工 的汽輪機葉片數(shù)控砂帶磨床及其操控方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是它包括機床床身、頭架、尾座、大拖板、小拖板、 回轉(zhuǎn)臺組成，頭架周定連接在床身一端，尾架滑動設(shè)置在床身另一端，床身 導(dǎo)軌上設(shè)有大拖板，在大拖板上設(shè)有小拖板，回轉(zhuǎn)臺固定連接在小拖板上。 它還包括砂帶磨頭、開放式數(shù)控系統(tǒng)以及分別驅(qū)動機床傳動軸的各個伺服電 機；砂帶磨頭固定連接在機床回轉(zhuǎn)臺上；在機床五根控制軸中，驅(qū)動大拖板沿機床導(dǎo)軌做葉片縱向磨削運動的為Z軸，由Z軸伺服電機驅(qū)動；驅(qū)動小拖 板做葉片徑向磨削運動的為X軸，由X軸伺服電機驅(qū)動；驅(qū)動頭架做葉片回 轉(zhuǎn)運動的為C軸，由C軸伺服電機驅(qū)動；驅(qū)動回轉(zhuǎn)臺做旋轉(zhuǎn)運動的為B軸，由B軸伺服電機驅(qū)動；D軸為砂帶磨頭驅(qū)動軸，由變頻無級調(diào)速交流電機驅(qū)動;各電機通過驅(qū)動器接口與開放式數(shù)控系統(tǒng)連接，在開放式數(shù)控系統(tǒng)中配置有滿足汽輪機葉片曲面型面磨削要求的能使X、 Z、 B、 C軸實現(xiàn)聯(lián)動的儲存有系 統(tǒng)控制軟件的存儲器和執(zhí)行電路。砂帶磨頭由磨頭支座、磨頭電動機、主動輪、張緊輪、接觸輪、砂帶和傳 動皮帶輪副組成；磨頭支座固定連接在機床回轉(zhuǎn)臺上，支座上固定連接有磨 頭電動機；砂帶設(shè)置在主動輪和接觸輪上，為封閉環(huán)狀結(jié)構(gòu)，由張緊輪張緊， 主動輪、張緊輪和接觸輪軸線相互平行；主動輪由磨頭電動機通過傳動皮帶 輪副進行驅(qū)動，可通過連接主動輪的支撐桿繞銷軸擺動實現(xiàn)傳動皮帶的張緊; 張緊輪與偏心軸連接，偏心軸設(shè)置在固接于磨頭支座的支撐臂上，可通過偏 心軸的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)對砂帶的張緊。所述的機床開放式數(shù)控系統(tǒng)以工控機和多軸運動控制器為硬件平臺，數(shù)控 系統(tǒng)軟件由實時控制功能模塊、非實時管理功能模塊和葉片數(shù)據(jù)處理模塊三 大軟件模塊組成，工控機與多軸運動控制器可通過ISA總線進行通信，也可 通過雙端口 RAM進行通信，多軸運動控制器通過接線器分別與各軸伺服驅(qū)動 單元連接，多軸運動控制器還通過多功能I/O接口與機床控制面板和機床電 器連接。汽輪機葉片數(shù)控砂帶磨床的操作控制過程，是按以下步驟進行的 (1)首先要求用戶在系統(tǒng)主工作界面選擇"原始參數(shù)輸入"菜單，通過控制面板輸入所磨削葉片的幾何參數(shù)、各截面離散點坐標(biāo)以及磨削工藝參數(shù)。(2) 選擇"建立葉片模型"菜單，系統(tǒng)將根據(jù)用戶所輸入的所磨削葉片 幾何參數(shù)和離散點坐標(biāo)，自動建立葉片磨削型面的三維數(shù)據(jù)模型。(3) 選擇"數(shù)控程序生成"菜單，系統(tǒng)將根據(jù)用戶所輸入的磨削工藝參 數(shù)和葉片三維數(shù)據(jù)模型，自動生成葉片砂帶磨削加工的數(shù)控程序。(4) 選擇"磨削誤差分析，，菜單，系統(tǒng)將根據(jù)所生成的數(shù)控程序，進行 磨削加工模擬，分析葉片磨削加工誤差，顯示磨削誤差分析結(jié)果。(5) 若步驟(4)所分析的磨削誤差在用戶所規(guī)定的范圍內(nèi)，裝夾被磨 削葉片，調(diào)用數(shù)控磨削程序，進行葉片的實際磨削加工；若其磨削誤差超出 所規(guī)定范圍，則修改磨削工藝參數(shù)，并重復(fù)步驟(4)，直至磨削誤差在用戶 規(guī)定范圍之內(nèi)。本發(fā)明根據(jù)汽輪機葉片磨削加工的要求，利用現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)和砂帶高效 磨削的特點，利用原有機床基礎(chǔ)件，新設(shè)計開發(fā)了砂帶磨頭、五軸四聯(lián)動開 放式數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了一種磨削效率高、磨削精度好、結(jié)構(gòu)簡潔、成本低廉 且操控簡單的汽輪機葉片數(shù)控砂帶磨床。本發(fā)明的特征將結(jié)合附圖作進一步的說明。


附圖l為發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中l(wèi)機床床身，2大拖板，3小拖板，4回轉(zhuǎn)臺，5驅(qū)動頭架，6、 C 軸伺服驅(qū)動電機，7同步帶輪副，8氣輪機葉片，9砂帶磨頭，IO磨頭電機， 11 X軸伺服驅(qū)動電機，12、 B軸伺服驅(qū)動電機，13支撐尾座，14、 Z軸伺服 驅(qū)動電機。圖2為砂帶磨頭結(jié)構(gòu)示意圖。圖中15砂帶磨頭支座，16接觸輪，17砂帶，18張緊輪，19偏心軸，20V 型皮帶，21銷軸，22支承桿，23皮帶輪副，24主動輪。 圖3為數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。 圖4為數(shù)控系統(tǒng)主要功能模塊。 圖5為機床操作工作流程。
具體實施例方式本發(fā)明包括機床床身1、頭架5、尾座13、大拖板2、小拖板3、回轉(zhuǎn)臺4、 砂帶磨頭9、開放式數(shù)控系統(tǒng)和分別驅(qū)動機床五根控制軸的電機，汽輪機葉片 8安裝于機床頭架5和尾座13頂尖之間，由C軸伺服電機6驅(qū)動，實現(xiàn)葉片 8的旋轉(zhuǎn)運動；Z軸伺服電機14驅(qū)動大拖板2，并由此帶動砂帶磨頭9沿機床 導(dǎo)軌做葉片8的縱向磨削進給運動；X軸伺服電機11驅(qū)動小拖板3，并由此 沿大拖板2燕尾導(dǎo)軌帶動砂帶磨頭9做葉片8的徑向進給運動；B軸伺服電機 12驅(qū)動回轉(zhuǎn)臺4繞自身轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，以控制砂帶磨頭9在葉片8曲面型面的法 線方向進行磨削，D軸為砂帶磨頭驅(qū)動軸，由變頻無級調(diào)速磨頭電機10驅(qū)動。所述的機床C軸伺服電機6輸出軸配置有一只高精度行星減速器，通過同 步帶輪副7和同步帶驅(qū)動頭架5主軸旋轉(zhuǎn)；頭架5主軸端部安裝有專用夾具， 該夾具與支撐尾座13頂尖配合，實現(xiàn)對葉片8的定位與夾緊；機床的Z軸和 X軸伺服電機均提供柔性連軸節(jié)與滾珠絲桿相連。砂帶磨頭由支座15、磨頭電動機IO、主動輪24、張緊輪18、接觸輪16、 砂帶17和傳動皮帶輪副23組成；支座固定連接在機床回轉(zhuǎn)臺上，磨頭支座 15上固定連接有磨頭電動機10;砂帶17設(shè)置在主動輪24和接觸輪16上，為封閉環(huán)狀結(jié)構(gòu)，由張緊輪18張緊，主動輪24、張緊輪18和接觸輪16軸線 相互平行；主動輪24由磨頭電動機10通過傳動皮帶輪副23進行驅(qū)動，可通 過連接主動輪24的支承桿22繞銷軸21擺動實現(xiàn)傳動皮帶20的張緊；張緊 輪18與偏心軸19連接，偏心軸19設(shè)置在固接于支座的支撐臂上，可通過偏 心軸19的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)對砂帶17的張緊。汽輪機葉片數(shù)控砂帶磨床的控制過程由開放式數(shù)控系統(tǒng)來進行控制。數(shù) 控系統(tǒng)是以工控機(IPC)和多軸運動控制器PMAC (Programmable Multi-Axis Controller)為硬件平臺的開放式數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以工控機為主機，以多 軸運動控制器為從機，構(gòu)成一種主從式控制結(jié)構(gòu)，主機負責(zé)系統(tǒng)管理、用戶 輸入、界面顯示等非實時控制任務(wù)，從機負責(zé)數(shù)控系統(tǒng)的實時控制作業(yè)。主 機與從機之間的通信可通過ISA總線進行，也可通過雙端口 RAM進行，雙端 口 RAM的應(yīng)用提高了系統(tǒng)的通信速率，提高了數(shù)控系統(tǒng)的響應(yīng)能力和控制精 度。多軸運動控制器通過接線器分別與各軸伺服驅(qū)動單元連接，用以控制各 伺服軸的位置和速度，并實時反饋伺服各軸的工作狀態(tài)。此外，多軸運動控 制器還通過多功能I/O接口與機床控制面板和機床電器連接，用于控制系統(tǒng) 開關(guān)量的輸入和輸出。機床數(shù)控系統(tǒng)的軟件部分，由主控模塊以及各種功能模塊組成。主控模塊 是為用戶提供一個友好的系統(tǒng)操作界面，在此界面下系統(tǒng)的各功能模塊以菜 單的形式被調(diào)用。系統(tǒng)的功能模塊可分為實時控制類功能模塊、非實時管理 類功能模塊以及汽輪機葉片專用數(shù)據(jù)處理功能模塊三大類。實時控制類模塊是控制機床當(dāng)前運動的軟件模塊，具有毫秒級甚至更高要 求的時間響應(yīng)，主要由多軸運動控制器完成。實時控制類功能模塊包括加工程序解釋、伺服驅(qū)動、運動插補、數(shù)據(jù)采集以及PLC等功能。PLC軟件模塊包 括有系統(tǒng)I/0端口映射、回參考點、使能許可，自動、單步、點動、MDA、 JOG 等工作方式，快速、增量、倍率等速率調(diào)整，冷卻、潤滑、主軸電機啟停等 控制子程序組成。非實時管理類模塊包括系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)診斷、系統(tǒng)通訊以及NC程序 編輯等功能。這類軟件模塊對時間響應(yīng)要求不高，主要由PC微機負責(zé)完成。汽輪機葉片專用數(shù)據(jù)處理類功能模塊是針對汽輪機葉片砂帶磨削加工的 相關(guān)功能模塊，包括原始參數(shù)輸入、三維自動造型、數(shù)控程序生成、磨削誤 差分析等主要軟件模塊組成。該類軟件模塊是系統(tǒng)的重要組成部分，關(guān)系到 該葉片磨削機床使用的方便性、高效性、精確性等機床特性。機床工作時，由用戶接通機床電源，啟動控制系統(tǒng)，運行系統(tǒng)軟件。在 進行葉片磨削加工時，'可按如下步驟對系統(tǒng)進行操作(1) 首先要求用戶在系統(tǒng)主工作界面選擇"原始參數(shù)輸入"菜單，通過 控制面板輸入所磨削葉片的幾何參數(shù)、各截面離散點坐標(biāo)以及磨削工藝參數(shù)。(2) 選擇"建立葉片模型"菜單，系統(tǒng)將根據(jù)用戶所輸入的所磨削葉片 兒何參數(shù)和離散點坐標(biāo)，自動建立葉片磨削型面的三維數(shù)據(jù)模型。(3) 選擇"數(shù)控程序生成"菜單，系統(tǒng)將根據(jù)用戶所輸入的磨削工藝參 數(shù)和葉片三維數(shù)據(jù)模型，自動生成葉片砂帶磨削加工的數(shù)控程序。(4) 選擇"磨削誤差分析"菜單，系統(tǒng)將根據(jù)所生成的數(shù)控程序，進行 磨削加工模擬，分析葉片磨削加工誤差，顯示磨削誤差分析結(jié)果。(5) 若步驟(4)所分析的磨削誤差在用戶所規(guī)定的范圍內(nèi)，裝夾被磨 削葉片，調(diào)用數(shù)控磨削程序，進行葉片的實際磨削加工；若其磨削誤差超出所規(guī)定范圍，則修改磨削工藝參數(shù)，并重復(fù)步驟(4)，直至磨削誤差在用戶 規(guī)定范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 汽輪機葉片數(shù)控砂帶磨床及其操控方法，包括機床床身、頭架、尾座、大拖板、小拖板、回轉(zhuǎn)臺，頭架固定連接在床身一端，尾架滑動設(shè)置在床身另一端，床身導(dǎo)軌上設(shè)有大拖板，在大拖板上設(shè)有小拖板，回轉(zhuǎn)臺固定連接在小拖板上。其特征在于它還包括砂帶磨頭、開放式數(shù)控系統(tǒng)以及分別驅(qū)動機床傳動軸的各個伺服電機；砂帶磨頭固定連接在機床回轉(zhuǎn)臺上；在機床五根控制軸中，驅(qū)動大拖板沿機床導(dǎo)軌做葉片縱向磨削運動的為Z軸，由Z軸伺服電機驅(qū)動；驅(qū)動小拖板做葉片徑向磨削運動的為X軸，由X軸伺服電機驅(qū)動；驅(qū)動頭架做葉片回轉(zhuǎn)運動的為C軸，由C軸伺服電機驅(qū)動；驅(qū)動回轉(zhuǎn)臺做旋轉(zhuǎn)運動的為B軸，由B軸伺服電機驅(qū)動；D軸為砂帶磨頭驅(qū)動軸，由變頻無級調(diào)速交流電機驅(qū)動；各電機通過驅(qū)動器接口與開放式數(shù)控系統(tǒng)連接，在開放式數(shù)控系統(tǒng)中配置有滿足汽輪機葉片曲面型面磨削要求的能使X、Z、B、C軸實現(xiàn)聯(lián)動的儲存有系統(tǒng)控制軟件的存儲器和執(zhí)時電路。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽輪機葉片數(shù)控砂帶磨床及其操控方 法，其特征在于砂帶磨頭由磨頭支座、磨頭電動機、主動輪、張緊 輪、接觸輪、砂帶和傳動皮帶輪副組成；磨頭支座固定連接在機床回 轉(zhuǎn)臺上，支座上固定連接有磨頭電動機；砂帶設(shè)置在主動輪和接觸輪 上，為封閉環(huán)狀結(jié)構(gòu)，由張緊輪張緊，主動輪、張緊輪和接觸輪軸線 相互平行；主動輪由磨頭電動機通過傳動皮帶輪副進行驅(qū)動，可通過連接主動輪的支撐桿繞銷軸擺動實現(xiàn)傳動皮帶的張緊；用于砂帶張緊 的張緊輪與偏心軸連接，偏心軸設(shè)置在固接于磨頭支座的支撐臂上。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽輪機葉片數(shù)控砂帶磨床及其操控方 法，其特征在于所述的機床開放式數(shù)控系統(tǒng)以工控機和多軸運動控 制器為硬件平臺,數(shù)控系統(tǒng)軟件由實時控制功能模塊、非實時管理功 能模塊和葉片數(shù)據(jù)處理模塊三大軟件模塊組成，工控機與多軸運動控 制器可通過ISA總線進行通信，也可通過雙端口 RAM進行通信，多軸 運動控制器通過接線器分別與各軸伺服驅(qū)動單元連接，多軸運動控制 器還通過多功能I/O接口與機床控制面板和機床電器連接。
4、 汽輪機葉片數(shù)控砂帶磨床及其操控方法，其特征在于汽輪 機葉片數(shù)控砂帶磨床的操作控制過程，它是按以下步驟進行操作控制 的(1) 首先要求用戶在系統(tǒng)主工作界面選擇"原始參數(shù)輸入"菜 單，通過控制面板輸入所磨削葉片的幾何參數(shù)、各截面離散點坐標(biāo)以 及磨削工藝參數(shù)。(2) 選擇"建立葉片模型"菜單，系統(tǒng)將根據(jù)用戶所輸入的所 磨削葉片幾何參數(shù)和離散點坐標(biāo)，自動建立葉片磨削型面的三維數(shù)據(jù) 模型。(3) 選擇"數(shù)控程序生成"菜單，系統(tǒng)將根據(jù)用戶所輸入的磨 削工藝參數(shù)和葉片三維數(shù)據(jù)模型，自動生成葉片砂帶磨削加工的數(shù)控 程序。(4) 選擇"磨削誤差分析"菜單，系統(tǒng)將根據(jù)所生成的數(shù)控程序，進行磨削加工模擬，分析葉片磨削加工誤差，顯示磨削誤差分析 結(jié)果。(5)若步驟(4)所分析的磨削誤差在用戶所規(guī)定的范圍內(nèi)，裝 夾被磨削葉片，調(diào)用數(shù)控磨削程序，進行葉片的實際磨削加工；若其 磨削誤差超出所規(guī)定范圍，則修改磨削工藝參數(shù)，并重復(fù)步驟(4)， 直至磨削誤差在用戶規(guī)定范圍之內(nèi)。
全文摘要
汽輪機葉片數(shù)控砂帶磨床及其操控方法。本發(fā)明涉及汽輪機葉片的磨削加工設(shè)備及其操控方法。特點是利用原有機床基礎(chǔ)件，增設(shè)了砂帶磨頭、開放式數(shù)控系統(tǒng)；砂帶磨頭配置有磨削砂帶張緊裝置和傳動皮帶張緊機構(gòu)；Z軸伺服電機驅(qū)動大拖板，X軸伺服電機驅(qū)動小拖板，C軸驅(qū)動頭架，B軸驅(qū)動回轉(zhuǎn)臺，D軸為砂帶磨頭電機，各電機與數(shù)控系統(tǒng)連接；數(shù)控系統(tǒng)中設(shè)置有存儲器和控制電路，配置有葉片磨削控制軟件模塊；操控時先輸入原始參數(shù)，然后由系統(tǒng)自動建立葉片型面三維數(shù)據(jù)模型、生成加工程序、進行誤差分析和加工模擬，最后進行葉片實際磨削加工。本發(fā)明為五軸四聯(lián)動數(shù)控砂帶磨床，具有效率高、精度好、結(jié)構(gòu)簡潔、成本低廉、操控簡便的特點。
文檔編號B24B21/16GK101234480SQ20071001984
公開日2008年8月6日 申請日期2007年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月31日
發(fā)明者季源源, 王隆太, 錢文明 申請人:揚州大學(xué)