CN103433804A - 基于五轴无干涉刀轴控制线的叶轮加工刀轴矢量控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于五轴无干涉刀轴控制线的叶轮加工刀轴矢量控制方法，用于解决现有叶轮加工刀轴矢量控制方法所加工叶轮质量差的技术问题。技术方案是通过生成刀轴选择边界，确定刀轴控制线所在的投影曲面，沿进、排气边切向扩大待加工叶片偏置面，构造五轴无干涉刀轴控制线，确定任意刀位点的刀轴矢量。由于实现从进气边到排气边刀轴与叶轮回转轴的夹角变化单调且均匀，同时绕回转轴的刀轴摆动变化最小，刀轴绕叶轮回转轴的角度变化最小，实现五轴加工中，机床的两个旋转轴转动均匀且缓慢；通过刀轴控制线能够完成整个叶片型面多轴加工，实现整个叶轮叶片曲面的无干涉刀轴矢量确定，方法简单；同时避免刀轴全局干涉，提高了所加工叶轮的质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种叶轮加工刀轴矢量控制方法，特别是涉及一种基于五轴无干涉刀轴控制线的叶轮加工刀轴矢量控制方法。
背景技术
现代国防、能源及其它民用领域越来越广泛的采用叶轮类零件，典型的例子如航空发动机叶轮等，实现此类零件的高效精密数控加工技术已经成为先进制造企业核心竞争力的重要表现形式之一。
随着设计方法的改进及数控系统的发展，利用先进的五轴数控机床，在机床的工作行程内，可以实现三维空间任意位置刀轴的摆动。通过合理选择刀轴，能够满足大部分多轴加工任务的需求。但是，如果刀轴矢量选择不合适，会造成切削过程中，刀轴矢量变化剧烈，使得机床的旋转轴产生较大的角速度、角加速度，甚至出现旋转轴的“反转”。很多工程实践表明，这些剧烈变化，会严重影响加工表面的质量，如出现“鱼鳞状”凹坑等质量差的加工表面，从而在很大程度上限制了高精度多轴数控机床的应用。这些矛盾在切削加工整体结构件的过程中尤为显著。
叶轮结构具有其特点：叶片进气边基本与叶轮回转轴垂直，而排气边基本与回转轴平行，沿流道从进气边到排气边，叶片的径向由与叶轮回转轴基本垂直逐渐过渡到与回转轴基本平行。传统的叶轮叶片型面半精铣、精铣刀轴控制方法是：使得刀轴在局部进给坐标系下的前倾角及侧偏角为恒定值，不同结构、尺寸的叶轮采取不同的前倾角、侧偏角，刀轴极易发生干涉，甚至需要分区域规划刀轴。可以发现，采取这种刀轴控制方式，数控编程工作量大，并且不能保证无干涉前提下刀轴矢量变化较小，也就不能保证加工中数控机床的旋转轴变化较小，往往导致叶片局部区域由于刀轴矢量变化剧烈，产生“鱼鳞状”加工表面，严重影响叶片的半精加工、精加工质量。
发明内容
为了克服现有叶轮加工刀轴矢量控制方法所加工的叶轮质量差的不足，本发明提供一种基于五轴无干涉刀轴控制线的叶轮加工刀轴矢量控制方法。该方法通过生成刀轴选择边界，确定刀轴控制线所在的投影曲面，沿进、排气边切向扩大待加工叶片偏置面，构造五轴无干涉刀轴控制线，确定任意刀位点的刀轴矢量。由于实现从进气边到排气边刀轴与叶轮回转轴的夹角变化单调且均匀，同时绕回转轴的刀轴摆动变化最小；通过刀轴控制线能够完成整个叶片型面多轴加工，同时避免刀轴全局干涉，可以提高所加工叶轮的质量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于五轴无干涉刀轴控制线的叶轮加工刀轴矢量控制方法，其特点是包括以下步骤：
步骤一、将待加工叶型面、通道对侧叶型面以及内轮毂面向通道侧偏置相应尺寸Δ，Δ=球头刀半径r+为后续加工预留的加工余量δ。
步骤二、将外轮毂面向外偏置一距离d，作为刀轴控制线所在的投影曲面。d取叶轮叶片悬长平均值L的2/3。
步骤三、沿进、排气边切向扩大待加工叶片偏置面；根据叶轮结构，指定进、排气边处刀轴摆刀平面与回转轴的夹角分别为β1、βn；过叶根线的起始点作相应的摆刀平面，并裁剪偏置曲面。
步骤四、构造五轴无干涉刀轴控制线。
Step1.在叶尖线上按等弧长提取n个叶尖点。
Step2.过叶尖点作摆刀平面。取叶轮回转轴上任意一点，作为所有摆刀平面的参考点。从进气边到排气边，第i个摆刀平面与回转轴的夹角为：βi＝(1-ti)β1+tiβn,ti＝(i-1)/(n-1),i＝1,2,3,...,n。第i个摆刀平面的法矢为：
其中，
均为单位矢量，
Step3.生成投影曲面上的无干涉曲线段。用摆刀平面分别与控制线投影面、待加工叶型偏置面、通道对侧叶型偏置面求交线；在待加工叶型偏置面上的截交线上等弧长离散m个点；在摆刀平面内，找到每个点开口角度最小的左右边界，并在控制线投影面上投影得到边界点；在一系列左边界点中和一系列右边界点中选择距离最近的点对作为无干涉曲线段的两个端点，控制线投影面上两个端点之间的截交曲线段即为无干涉曲线段。
Step4.确定无干涉曲线段内的刀轴控制点。选定与回转轴垂直的任意矢量nc作为选择控制点的参考；分别连接叶尖点Pi与无干涉曲线段的两个端点Bi1、Bi2，将矢量
沿叶轮回转轴方向投影到与回转轴垂直的平面上，求出投影矢量与nc的夹角θi1、θi2。一系列θi1形成的角度左边界1，一系列θi2形成的角度右边界3。过第一个线段任意一点与最后一条线段任意一点作直线，若直线穿过所有线段，则取斜率最大的直线。直线与各线段的交点即为选定的控制点角度参数2；如果不存在这样的直线，则采用图论中求解最短路径问题的Dijkstra算法，找出穿过所有线段的最短路径，确定控制点参数。根据控制点参数、nc、无干涉曲线段即可得到控制线投影面上的刀轴控制点。
Step5.用三次样条将所有刀轴控制点依次连成一条光滑的非封闭曲线，此曲线即为五轴无干涉刀轴控制线。
步骤五、确定任意刀位点的刀轴矢量。对于待加工叶型偏置面上任意一刀位点P，在叶尖线上搜索一个点PX，该点满足：PX处的摆刀平面法矢垂直于矢量
该摆刀平面与五轴无干涉刀轴控制线的交点PC即为P的刀轴控制点，矢量
即为任意刀位点P的刀轴矢量。
给定刀位点信息，生成五轴加工无干涉刀位轨迹。
本发明的有益效果是：该方法通过生成刀轴选择边界，确定刀轴控制线所在的投影曲面，沿进、排气边切向扩大待加工叶片偏置面，构造五轴无干涉刀轴控制线，确定任意刀位点的刀轴矢量。由于实现从进气边到排气边刀轴与叶轮回转轴的夹角变化单调且均匀，同时绕回转轴的刀轴摆动变化最小，刀轴绕叶轮回转轴的角度变化最小，实现五轴加工中，机床的两个旋转轴转动均匀且缓慢；通过刀轴控制线能够完成整个叶片型面多轴加工，实现整个叶轮叶片曲面的无干涉刀轴矢量确定，方法简单、易行；同时避免刀轴全局干涉，提高了所加工叶轮的质量。本发明方法具有一定的柔性，可以根据叶轮结构特点，指定进、排气边摆刀平面与回转轴的角度。
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明方法的流程图。
图2是本发明方法待加工叶轮上叶片偏置曲面预处理示意图。
图3是本发明方法过叶尖点作摆刀平面示意图。
图4是本发明方法无干涉刀轴矢量绕回转轴转动角度示意图。
图5是本发明方法控制点选取示意图。
图6是本发明方法任意点刀轴矢量确定示意图。
图中，1-一系列θi1形成的角度左边界，2-控制点角度参数，3-一系列θi2形成的角度右边界。
具体实施方式
参照图1-6。本发明基于五轴无干涉刀轴控制线的叶轮加工刀轴矢量控制方法的具体步骤如下：
以航空发动机叶轮的叶背型面半精加工为例，不失一般性，阐述本发明的具体实施步骤。
生成刀轴选择边界。将叶背型面、通道对侧的叶盆型面向通道侧偏置4.8mm，内轮毂向通道侧偏置4.4mm。半精加工采用半径为4mm的球头刀加工，叶型面（叶盆面、叶背面）精加工余量为0.8mm，内轮毂精加工余量为0.4mm。
确定刀轴控制线所在投影曲面。将外轮毂面向外偏置52.633mm，得到刀轴控制线投影曲面。叶轮叶片悬长平均值为78.95mm。
预处理叶背偏置面。沿进、排气边切向扩大叶背曲面；指定进气边刀轴摆刀平面Q1与叶轮回转轴OO1的夹角为85.0°、排气边刀轴摆刀平面Qn与叶轮回转轴OO1的夹角为45.0°，过叶根线的起止端点作摆刀平面，并裁剪叶背偏置曲面，得到进、排气边较齐整的叶背曲面。
构造五轴无干涉刀轴控制线。具体包括如下步骤：
Step1.在叶背叶尖线上按等弧长提取十个叶尖点。
Step2.过叶尖点作摆刀平面。取叶轮回转轴上的O点，作为所有摆刀平面的参考点。从进气边到排气边，摆刀平面与叶轮回转轴的夹角依次为：85.0°、80.556°、76.111°、71.667°、…、45.0°。根据叶尖点、O点、回转轴矢量、摆刀平面与叶轮回转轴夹角即可确定摆刀平面法矢，进而作出一系列摆刀平面。
Step3.生成投影曲面上的无干涉曲线段。具体生成方法为：用摆刀平面与控制线投影面、叶背偏置面、叶盆偏置面求交线；在叶背偏置面上的截交线上等弧长离散100个点，在摆刀平面内，找到每个点“开口”角度最小的左右边界，并在控制线投影面上投影得到边界点；在一系列“左边界点”中和一系列“右边界点”中选择距离最近的点对作为无干涉曲线段的两个端点，控制线投影面上两个端点之间的截交曲线段即为无干涉曲线段。为了提高无干涉曲线段边界点计算精度，将叶背偏置面上的截交线离散1000点，更新无干涉曲线段。
Step4.确定无干涉曲线段内的刀轴控制点。具体选择方法为：选定与回转轴垂直的任意矢量nc作为选择控制点的参考；分别连接叶尖点Pi与无干涉曲线段的两个端点Bi1、Bi2，将矢量沿叶轮回转轴方向投影到与回转轴垂直的平面上，分别求出投影矢量与nc的夹角θi1、θi2。一系列θi1形成的角度左边界1，一系列θi2形成的角度右边界3。过第一个线段任意一点与最后一条线段任意一点作直线，若直线穿过所有线段，则取斜率最大的直线。直线与各线段的交点即为选定的控制点角度参数2；如果不存在这样的直线，则采用图论中求解最短路径问题的Dijkstra算法，找出穿过所有线段的最短路径，从而确定控制点参数。根据控制点参数、nc、无干涉曲线段即可得到控制线投影面上的刀轴控制点。
Step5.用三次样条将所有刀轴控制点依次连成一条光滑的非封闭曲线，此曲线即为五轴无干涉刀轴控制线。
确定任意刀位点的刀轴矢量。其具体方法为：对于叶背偏置面上任意刀位点P，在叶尖线上搜索一个点PX，该点满足：PX处的摆刀平面法矢垂直于矢量该摆刀平面与五轴无干涉刀轴控制线的交点PC即为P的刀轴控制点，矢量即为任意刀位点P的刀轴矢量。
给定沿着叶轮流道方向的一条刀心线，即可生成一条五轴加工无干涉刀位轨迹。
采用本发明的刀轴控制方法，沿着叶轮流道方向，刀轴矢量变化平缓，五轴数控加工时，机床的两个转动轴变化较小，最大程度上避免了工作台反转，提高了五轴数控加工复杂曲面的加工表面质量，大大简化了数控编程人员的工作量。
Claims (1)
1.一种基于五轴无干涉刀轴控制线的叶轮加工刀轴矢量控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、将待加工叶型面、通道对侧叶型面以及内轮毂面向通道侧偏置相应尺寸Δ，Δ=球头刀半径r+为后续加工预留的加工余量δ；
步骤二、将外轮毂面向外偏置一距离d，作为刀轴控制线所在的投影曲面；d取叶轮叶片悬长平均值L的2/3；
步骤三、沿进、排气边切向扩大待加工叶片偏置面；根据叶轮结构，指定进、排气边处刀轴摆刀平面与回转轴的夹角分别为β1、βn；过叶根线的起始点作相应的摆刀平面，并裁剪偏置曲面；
步骤四、构造五轴无干涉刀轴控制线；
Step1.在叶尖线上按等弧长提取n个叶尖点；
Step2.过叶尖点作摆刀平面；取叶轮回转轴上任意一点，作为所有摆刀平面的参考点；从进气边到排气边，第i个摆刀平面与回转轴的夹角为：βi＝(1-ti)β1+tiβn,ti＝(i-1)/(n-1),i＝1,2,3,...,n；第i个摆刀平面的法矢为：
其中，均为单位矢量，
Step3.生成投影曲面上的无干涉曲线段；用摆刀平面分别与控制线投影面、待加工叶型偏置面、通道对侧叶型偏置面求交线；在待加工叶型偏置面上的截交线上等弧长离散m个点；在摆刀平面内，找到每个点开口角度最小的左右边界，并在控制线投影面上投影得到边界点；在一系列左边界点中和一系列右边界点中选择距离最近的点对作为无干涉曲线段的两个端点，控制线投影面上两个端点之间的截交曲线段即为无干涉曲线段；
Step4.确定无干涉曲线段内的刀轴控制点；选定与回转轴垂直的任意矢量nc作为选择控制点的参考；分别连接叶尖点Pi与无干涉曲线段的两个端点Bi1、Bi2，将矢量
沿叶轮回转轴方向投影到与回转轴垂直的平面上，求出投影矢量与nc的夹角θi1、θi2；一系列θi1形成的角度左边界1，一系列θi2形成的角度右边界3；过第一个线段任意一点与最后一条线段任意一点作直线，若直线穿过所有线段，则取斜率最大的直线；直线与各线段的交点即为选定的控制点角度参数2；如果不存在这样的直线，则采用图论中求解最短路径问题的Dijkstra算法，找出穿过所有线段的最短路径，确定控制点参数；根据控制点参数、nc、无干涉曲线段即可得到控制线投影面上的刀轴控制点；
Step5.用三次样条将所有刀轴控制点依次连成一条光滑的非封闭曲线，此曲线即为五轴无干涉刀轴控制线；
步骤五、确定任意刀位点的刀轴矢量；对于待加工叶型偏置面上任意一刀位点P，在叶尖线上搜索一个点PX，该点满足：PX处的摆刀平面法矢垂直于矢量
该摆刀平面与五轴无干涉刀轴控制线的交点PC即为P的刀轴控制点，矢量即为任意刀位点P的刀轴矢量；
给定刀位点信息，生成五轴加工无干涉刀位轨迹。
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