CN106342019B - 基于电极运动路径规划多轴联动电火花优化加工方法 - Google Patents

Abstract

一种机械加工技术领域的基于电极运动路径规划多轴联动电火花优化加工方法，通过使电极沿涡轮叶盘流道中心曲线运动，并相应调整电极姿态，使电极中心曲线与流道中心曲线在流道出口截面几何中心处的切向量尽量保持重合，以获得电极最佳位姿，并经加工坐标系变换，输出可直接用于实际加工的G代码。该方法使路径规划步骤简洁、计算效率提高，获得的电极运动路径可靠性高，电极可达性好；适用于轴流式和离心式闭式整体涡轮叶盘类零件的加工。

Description

基于电极运动路径规划多轴联动电火花优化加工方法

技术领域

本发明涉及的是一种机械加工技术领域的方法，具体是一种用于闭式整体涡轮叶盘类零件的基于电极运动路径规划多轴联动电火花优化加工方法。

背景技术

作为航空、航天发动机中的核心部件，涡轮叶盘类零件起着不可替代的作用，它直接关系到发动机系统的成败，是决定整机性能和维护成本的关键部件之一。传统涡轮叶盘的叶片通过榫卯结构与盘身连接，其结构复杂，可靠性不高。从20世纪80年代开始，闭式整体涡轮叶盘类零件类零件逐渐进入航空、航天发动机设计领域。与传统的涡轮叶盘相比，闭式整体涡轮叶盘类零件类零件增设了叶冠结构，而且整个叶盘连同叶冠由同一块毛坯加工而成，相对于传统涡轮叶盘，具有可靠性高，系统效率优良，总体质量小等优点。从具体结构上而言，闭式整体涡轮叶盘类零件类零件可划分为离心式(如泵叶轮)和轴流式(如涡轮叶盘)，此外，整体静叶栅类零件也可包含在内。

闭式整体涡轮叶盘类零件的上述优点使其越来越多地应用于新一代航空、航天发动机。CFM国际公司的CFM 56型涡扇发动机及正在研制的新一代LEAP-X涡扇发动机均采用了闭式整体静叶栅结构；我国新一代大推力运载火箭50吨级氢氧发动机和120吨级液氧煤油发动机都已经采用闭式整体涡轮叶盘结构。

目前闭式整体涡轮叶盘类零件的主流加工方法为多轴联动电火花加工。闭式整体涡轮叶盘类零件流道弯曲且半封闭，如何获得一条无干涉的、优化的电极运动路径是加工的关键。在目前缺乏商用的闭式整体涡轮叶盘类零件电火花加工CAD/CAM系统的情况下，人工规划电极运动路径费时费力，且难以保证路径的优化性和可靠性。

经对现有技术的文献检索发现，哈尔滨工业大学将电火花机床运动轴分为主运动轴和辅助运动轴，电极运动路径搜索中优先考虑主运动轴方向的进给，获得了单轴运动的电极运动轨迹，但由于搜索中过多考虑电极沿主运动轴方向的进给，造成当电极在需要沿转动轴调整姿态时，各方向均已卡死，无法获得无干涉的电极运动路径。针对这种情况，只能进一步缩小电极尺寸才可能获取电极运动空间。电极尺寸的缩小，不仅缩短了单个电极的使用寿命，使加工整个闭式涡轮叶盘所需电极数量上升，从而使生产成本大幅增加；同时，较小的电极尺寸意味着加工中的电流受到限制，从另外一个方面降低了加工效率。中国专利文献号CN1810427“涡轮叶片的电火花加工方法和装置”中提出电极沿导入角进入涡轮叶盘流道的方法，一定程度上简化了电极运动路径，但同样未能实现运动路径的优化。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于电极运动路径规划多轴联动电火花优化加工方法，通过使电极沿涡轮叶盘流道中心曲线运动，并相应调整电极姿态，使电极中心曲线与流道中心曲线在流道出口截面几何中心处的切向量尽量保持重合，以获得电极最佳位姿，并经加工坐标系变换，输出可直接用于实际加工的G代码。该方法使路径规划步骤简洁、计算效率提高，获得的电极运动路径可靠性高，电极可达性好。该方法适用于轴流式和离心式闭式整体涡轮叶盘类零件的加工。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括如下步骤：

第一步、获取闭式整体涡轮叶盘类零件的包括流道出口处截面的n个流道截面图，对各个流道截面图计算其几何中心点；然后利用三次非均匀有理B样条对得到的几何中心点进行曲线拟合。作为流道中心曲线；再获取电极上与流道截面图对应的n个电极截面图，并计算各个电极截面图的几何中心点并拟合得到电极中心曲线，其中：n为自然常数；

第二步、采用逆向搜索进行电极运动路径规划得到电极初始优化位姿，具体是指：设置电极分步骤向闭式整体涡轮叶盘类零件的流道出口方向运动，对于电极的第i步运动，设定其电极对应的第n-i个电极截面图的几何中心点与流道截面图的几何中心点重合；通过电极沿A轴方向和C轴方向转动，保持该电极的电极中心曲线与流道中心曲线在流道出口截面的几何中心点处的切向量相重合，以此为电极初始优化位姿，其中：n为电极截面图的个数，i为电极运动路径规划中的步数。

第三步、判断在电极初始优化位姿下的电极与闭式整体涡轮叶盘类零件之间是否存在干涉，当未发生干涉时以电极初始优化位姿作为电极最终优化位姿直接进入第四步，否则对电极进行反向姿态调整，并得到电极最终优化位姿；

所述的反向姿态调整是指：沿电极在第二步中A轴与C轴方向的反方向调整电极姿态，并记录该过程中闭式整体涡轮叶盘类零件与电极的：①首次不发生干涉时的A轴与C轴坐标，②再次干涉时的A轴与C轴坐标，并求取其平均值作为电极最终优化位姿。

第四步、重复第二步与第三步的过程并依次获得电极在各个电极截面图中通过闭式整体涡轮叶盘类零件的流道出口时的电极最终优化位姿，然后通过加工坐标系的坐标转换输出用于电火花加工的G代码文件，实现优化加工。

附图说明

图1是本发明流程图。

图2是闭式整体涡轮叶盘类零件与电极的示意图。

图3是截面几何中心的计算示意图。

图4是涡轮叶盘流道几何中心曲线的拟合与中心曲线在流道出口截面几何中心点处切向量的获取示意图。

图5是电极几何中心曲线的拟合与中心曲线在几何中心点处切向量的获取示意图。

图6是电极初始优化位姿的获取示意图。

图7是电极最终优化位姿的获取示意图。

图8是坐标变换示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，本实施例包括如下步骤：

闭式整体涡轮叶盘三维模型重构与电极设计。图2中，闭式整体涡轮叶盘的叶冠、轮毂和叶片构成了一个半封闭的空间，电极原型充满这个半封闭空间。通过对电极原型作径向(高度)和周向(厚度)上的缩减及轴向上的剖分，使电极获得在涡轮叶盘流道中运动的空间。图2中，电极位于进给终了位置，电极的运动路径规划由进给终了位置开始反向进行。

划分涡轮叶盘流道截面。对于闭式整体涡轮叶盘，针对其流道几何特征，获取n个流道截面(包括流道出口处截面)，对各截面计算其几何中心点。对于图3中的截面S_i，其几何中心E_i(E_xi，E_yi，E_zi)由下述公式计算：

$E_{xi}=\frac{{\∫}_{S_i}xdS}{s_i}$

$E_{yi}=\frac{{\∫}_{S_i}ydS}{S_i}$

$E_{zi}=\frac{{\∫}_{S_i}zdS}{S_i}$

获取涡轮叶盘流道中心曲线。利用三次非均匀有理B样条对涡轮叶盘流道各截面几何中心点进行曲线拟合，将获得的拟合曲线称为流道中心曲线，并获取该曲线在流道出口截面几何中心点处的切向量，如图4所示。

划分电极截面并获取电极中心曲线。采用与涡轮叶盘流道截面划分相同的方法，在电极上找到与流道对应的n个截面，自电极最前端面开始，依次编号为i＝0，i＝1，i＝2，...，i＝n-1，计算各截面几何中心点。利用三次非均匀有理B样条对各截面几何中心点进行曲线拟合，将获得的拟合曲线称为电极中心曲线，并获取该曲线在各截面几何中心点处的切向量，如图5所示。

获得电极在各处的初始优化位姿。电极运动路径规划采用逆向搜索，电极的路径规划初始位置为电极进给终了位置。自进给终了位置开始，电极分步向流道出口方向运动。对于电极的第i步运动，使电极的第n-i截面几何中心点与涡轮叶盘流道出口截面几何中心点重合。通过电极沿A轴方向和C轴方向转动，保此位置下的电极中心曲线与流道中心曲线在流道出口截面几何中心点处得切向量保持重合，如图6所示。此时电极处在一个理论上较好的位姿，但是由于涡轮叶盘流道中心曲线曲率的变化，可能导致电极与涡轮叶盘发生干涉，需要进一步优化电极姿态。

判断涡轮叶盘与电极的干涉情况并调整获得电极最终优化位姿。计算涡轮叶盘各个面与电极各个面之间的最小距离，如果最小距离等于0，则判断为二者发生干涉；若最小距离大于0，则二者未发生干涉。图7显示了存在干涉时的电极姿态调整方法：按照一定的步长，沿电极在获得此步初始优化位姿中转动轴(A轴与C轴)运动方向的反方向调整电极姿态。电极每转动一个步长，判断电极与涡轮叶盘之间是否存在干涉，记录该过程中涡轮叶盘与电极首次不干涉时以及再次发生干涉时的A轴与C轴坐标，获取二者中间值，以此为电极最终优化位姿。

坐标转换并输出G代码。电极沿A轴和C轴方向的转动会带来电极安装孔圆心坐标的变化。图8显示了当电极沿X、Y、Z、C轴同时运动时，根据电极特征点D的坐标变化情况，计算电极安装孔圆心点P的坐标变化情况。图8中，点D₀为运动前的电极特征点，点D₁为运动后的电极特征点，点P₀为运动前的电极安装孔圆心点，点P₁为运动后的电极安装孔圆心点，θ与分别是电极在此次运动中绕C轴转动和绕A轴转动的角度。下述公式给出了点P₁坐标的计算方法。

获得各时刻电极位置姿态数据后，对其进行后处理，输出可用于实际电火花加工的G代码。

本实例以某闭式整体涡轮叶盘类零件为例，说明了电极运动路径规划方法，该方法可使尺寸较厚的电极获得无干涉的运动路径，从而延长单个电极使用寿命，提高整体加工效率。

下附本实例获得的G代码。

G01 X-30.0000 Y-7.6938 C8.8000 A0.8000；

G01 X-24.2715 Y-7.6938 C8.8000 A0.8000；

G01 X-22.2715 Y-5.6938 C8.8000 A0.8000；

G01 X-21.0969 Y-6.4893 C13.2000 A0.8000；

G01 X-20.4657 Y-6.3737 C14.4500 A0.6500；

G01 X-20.1895 Y-5.7409 C13.6500 A0.5000；

G01 X-20.0158 Y-4.9387 C12.1000 A0.4000；

G01 X-19.8187 Y-4.1419 C10.4500 A0.3500；

G01 X-19.6400 Y-3.2799 C8.4500 A0.3000；

G01 X-19.4723 Y-2.3498 C6.1000 A0.2500；

G01 X-19.2784 Y-1.4076 C3.6000 A0.2000；

G01 X-18.9929 Y-0.6048 C1.4500 A0.2500；

G01 X-18.6432 Y0.0828 C-0.4500 A0.4000；

G01 X-18.4869 Y0.4245 C-1.4500 A0.4500；

G01 X-18.1854 Y0.4952 C-1.6000 A0.7500；

G01 X-18.0000 Y0.0000 C0.0000 A0.0000。

Claims (1)

1.一种基于电极运动路径规划多轴联动电火花优化加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步、获取闭式整体涡轮叶盘类零件的包括流道出口处截面的n个流道截面图，对各个流道截面图计算其几何中心点；然后利用三次非均匀有理B样条对得到的几何中心点进行曲线拟合，作为流道中心曲线；再获取电极上与流道截面图对应的n个电极截面图，并计算各个电极截面图的几何中心点并拟合得到电极中心曲线，其中：n为自然常数；

第二步、采用逆向搜索进行电极运动路径规划得到电极初始优化位姿，具体是指设置电极分步骤向闭式整体涡轮叶盘类零件的流道出口方向运动，对于电极的第i步运动，设定其电极对应的第n-i个电极截面图的几何中心点与流道截面图的几何中心点重合；通过电极沿A轴方向和C轴方向转动，保持该电极的电极中心曲线与流道中心曲线在流道出口截面的几何中心点处的切向量相重合，以此为电极初始优化位姿，其中：n为电极截面图的个数，i为电极运动路径规划中的步数；

第三步、判断在电极初始优化位姿下的电极与闭式整体涡轮叶盘类零件之间是否存在干涉，当未发生干涉时以电极初始优化位姿作为电极最终优化位姿直接进入第四步，否则沿电极在第二步中A轴与C轴方向的反方向微调电极姿态，并记录该过程中闭式整体涡轮叶盘类零件与电极的：①首次不发生干涉时的A轴与C轴坐标，②再次干涉时的A轴与C轴坐标，并求取其平均值作为电极最终优化位姿；

第四步、重复第二步与第三步的过程并依次获得电极在各个电极截面图中通过闭式整体涡轮叶盘类零件的流道出口时的电极最终优化位姿，然后通过加工坐标系的坐标转换输出用于电火花加工的G代码文件，实现优化加工。