农业机械学报离心泵叶轮叶片CAD/CAM系统集成*杨方飞阎楚良林洪义题，提出了一种沿轴面截线进行造型的新方案在此基础上，开发了离心泵水力设计CAD软件的接口程序，结合Pro/E软件包，实现了离心泵叶轮扭曲叶片的几何造型。对数控加工自由曲面叶片刀具干涉问题进行分析，实现了平头端铣刀无干涉刀位轨迹的自动生成，利用动态仿真进行了刀位验证叙词：离心泵叶片计算机辅助设计计算机辅助制造：TH311：A从20世纪70年代起，国内一些单位先后开展了水泵CAD方面的研究工作，并取得了一定的进展这些CAD软件主要集中在水泵水力设计过程的计算机化方面，实现手段一是在操作系统下直接进行编程；二是在支撑软件下进行二次开发来实现两种方法输出的结果仍然是二维的叶片木模图。无论是进行有限元分析和数控加工，还是快速成型试制样品，都需要提供完整三维产品数据模型的三维造型技术这种用二维图来描述三维产品模型的方法，已不能满足现代CAD与CAM的需要本文拟从已有水泵水力设计CAD软件出发，结合Pro/E，在离心泵叶片CAD/CAM集成系统研究中，针对空间扭曲叶片进行三维造型及数控加工方面的探讨1离心泵水力设计CAD软件的接口流体机械中的叶片通常是复杂的空间自由曲面体，其型线和型面必须严格地按照要求进行设计才能保证机组的水力性能和可靠性若CAM系统不能直接读取CAD系统的有关信息，则不得不重新建立相应的模型，这不仅增大了技术人员的劳动强度，同时也增加了出错率。为此，有必要通过对CAD *国家自然科学基金资助项目（项目编号：50135010）杨方飞中国农业机械化科学研究院博士生，100083北京市阎楚良中国农业机械化科学研究院研究员博士生导师林洪义江苏大学能源与动力工程学院教授，212013镇江市杨方飞等：离心泵叶轮叶片CAD/CAM系统集成软件提供的信息和CAM所需信息的分析，利用面向对象、可视化的编程语言，编制连接CAD与CAM软件之间数据传递与交换的接口软件。

　　对于离心泵而言，叶轮叶片的数据信息主要由叶片木模图提供作者在中论述了直接利用叶片木模图上的木模截线进行叶片三维造型所存在的问题，并且指出了将叶片曲线型线选择为流线或轴面截线的合理性。有关对如何将叶片转换成用流面来表示提出了一些解决的方法，但大多工作量大，而且误差也大另外还有借助有限元正交化网格划分方法划分矩形网格，用软件来完成整个工作本文提出沿轴面截线方向进行叶片几何造型的新思路，通过反算叶片轴面截线，为下一步叶片造型工作做预处理反算叶片轴面截线的关键是确定用于拟合轴面截线的型值点分析叶片轴面图和木模图可知，图中已经提供了叶片表面型值点的坐标（在圆柱坐标系下）为此，在分析对应于AutoCAD图形文件中实体的DXF组码表格式的基础上，通过读取离心泵水力设计CAD软件结果，即AutoCAD的图形文件，选用VisualLISP二次开发语言编写的内嵌于AutoCAD的程序GETPS，自动生成叶片表面型值点的坐标2叶片的三维实体造型水泵叶片采用自由曲线曲面造型。自由曲线设计时通常是由设计者给定控制顶点，生成相应的曲线。叶片曲面设计则要求曲线通过给定的型值点。因此，需要从已知的型值点反求出曲线控制顶点，并终反算出轴面截线，利用追赶法可以快速实现这一过程获得了轴面截线后，依据张量曲面“线动成面”性质，就可以构造出叶片工作面曲面和背面曲面叶片与前后盖板的贴合面均是回转面的一部分。在现代CAD系统中，这一类曲面是借助于扫描表示法生成的。以叶片与前盖板的贴合面为例，将前盖板流线绕叶轮轴旋转360*即得前盖板回转面利用CAD软件的曲面裁剪功能，将前盖板回转面与叶片自由曲面体进行相应的剪裁（Trim）即可得叶片与前盖板的贴合面同理，可以生成叶片与后盖板的贴合面叶片的工作面、背面、与前后盖板的贴合面、进水边面和出水边面在空间形成一个封闭的空间曲面体。采用实体造型的边界表示法，将该封闭的曲面体生成终的三维实体即叶片体3叶片CAM的基本原理有了叶片的三维实体造型，就可以对其进行数控加工与整体叶轮的加工相比，单个的叶片（或叶片模具）加工时不存在对邻近曲面的干涉问题，只需考虑刀具和加工面本身的干涉（如设计夹具，则还需考虑刀具与夹具的碰撞问题）虽然在叶片曲面的曲率半径不是特别小的情况下，采用三轴以上的数控机床都可以实现，但与三轴数控机床加工相比较，五轴数控机床加工曲面无论在加工精度和加工效率上都具有明显的优势，因此，选择五轴联动平头端铣刀进行叶片的加工。

　　在五轴数控机床加工中，通常以平头端铣刀底部中心点为刀位点（CL点）为提高切削效率，在切削过程中平头端铣刀向切削方向倾斜一定角度T同时为了避免干涉，刀轴需偏转U角。

　　分析刀具与被加工表面间的干涉情况，可分为曲率干涉和瓶颈干涉两种对于前者而言，只需使刀具的等效作用半径小于加工点处的曲率半径，从而选择合适的T即可；对于后者而言，需首先对可能干涉的点进行干涉判断，然后对干涉点予以刀位修正，从而获得刀位数据文件，通过后置处理，将刀位数据文件转换成数控机床能执行的数控程序。

　　正确的数控程序是保证复杂零件数控加工质量的关键数控程序的检查主要通过模拟动态仿真来进行，即将加工过程中不同的显示对象采用不同的颜色表示：待加工表面与已加工表面颜色不同；已加工表面上存在的过切、干涉部位又以不同的颜色表示，并可对仿真过程的速度进行控制，以使编程人员清楚的看到零件的整个加工过程4实例下面以PCAD2000（由江苏大学流体机械研究所开发的水力设计CAD软件）的一例设计来给出程序运行结果转速n= 2900r/min，木模截线为7条在水力设计完成后运行程序GETPS程序运行结果如下OpenArclength农业机械学报2…后面的3组数分别为型值点的x jaz坐标值。Pro/E支持4种点文件格式，分别为。ibl.igs.vda.pts采用。ibl的文件格式，因…

　　此需要在每条曲线前加上curve*字符段，以符合随*后导入Pro/E的形式要叶片工作面求导入结果如图i所示型值点示意图为由已知叶片工作面型值点反算控制点得到的轴面截线及拟合的曲面反求所得叶片叶片工作面工作面轴面截线图曲面造型图由于叶片工作面及背面是由多个曲面连续拼接形成，这就需要考察曲面拼接处是否达到一定的连续性要求，即曲面是否光顺。可以通过色谱图对所建立的叶片曲面进行光顺检查。所示为工作面高斯曲率检查图。从图中可以看出，尽管在叶片进口附工作面高斯曲率检查图近及出口附近处出现曲面凸凹，但凸凹的幅度在允许的范围值以内，这表明所构造的曲面满足光顺性要求终生成的叶片三维实体造型如所示有了叶片体，就可以进行后续的数控加工为数控加工动态仿真的终结果叶片实体造型图叶片体动态仿真终结果5结束语本文对复杂叶片曲面的形成、几何造型及多轴数控加工技术进行了分析，在此基础上利用Pro/E软件包，实现了离心泵叶轮叶片的CAD/CAM集成叶片几何造型及计算机模拟数控加工结果表明，该方法具有快速、准确等特点。