CN109597357A - 一种面向叶片旋铣工艺的数控编程方法及装置 - Google Patents

一种面向叶片旋铣工艺的数控编程方法及装置 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种面向叶片旋铣工艺的数控编程方法及装置。其中，面向叶片旋铣工艺的数控编程方法包括：构建叶片三维模型；制定叶片旋铣加工方案；划分叶片加工区域；获取刀触点文件：选取球头铣加工方式，设置铣削参数，确定铣刀在叶片加工区域上的走刀方向，生成划分后加工区域的刀触点数据；构造旋铣刀轨：根据划分后加工区域的刀触点数据按顺序构造出旋铣方案的刀触点数据；生成加工程序：结合旋铣包络原理，利用刀触点数据生成环形刀盘的刀位点数据，进而生成旋铣的加工程序。其提高了旋风铣削工艺条件下刀轨计算的准确度和编程效率。

Description

一种面向叶片旋铣工艺的数控编程方法及装置
技术领域
本公开属于数控加工领域，尤其涉及一种面向叶片旋铣工艺的数控编程方法及装置。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
叶片类零件广泛存在于航空发动机、涡轮机、压缩机、风机、推进器等机电设备中，在诸多工业领域中发挥着重要作用。叶片的高效率、高质量、低成本制造对于国民经济和社会发展具有重要的意义。
叶片的叶身曲面常用的数控加工方法主要有：(1)球头铣刀端铣法，也称为点铣法，即用球头铣刀逐步包络加工出曲面；(2)侧铣法，即利用圆柱、圆锥状铣刀的侧刃铣削叶片曲面；(3)非球头刀端铣法，即利用平底端铣刀、圆环面端铣刀等的端部铣削工件。由于叶片曲面复杂，刀具轨迹数据的计算(刀轨生成)极其繁琐，工作量大，所以通常需要专门的数控编程软件或者利用商业CAD/CAM软件。
发明专利“一种加工汽轮机动叶片叶身曲面的方法”(CN201510791273.7)中提出了采用旋风铣削(旋铣)工艺包络加工叶身片曲面的方法。该方法采用特殊的刀具(若干把带圆弧切削刃的机夹刀具安装在环形刀盘上)，利用C、X、Z三轴联动的数控铣床包络铣削出叶片外形轮廓。发明人发现采用这种方法时，刀轨计算也非常繁琐，无法直接利用现有商业CAM软件(如Ug、Creo、MasterCam等)进行数控编程，目前只能采用手工编程，即借用计算器、计算机等通用计算工具人工进行刀具轨迹的计算以及数控加工程序的编制。由于叶片多为自由曲面，刀具轨迹数据计算相当繁琐，工作量大，手工编程效率低，容易出错，而且很难校对，有些甚至根本无法完成。
发明内容
根据本公开的一个或多个实施例的一个方面，提供一种面向叶片旋铣工艺的数控编程方法，其提高了旋风铣削工艺条件下刀轨计算的准确度和编程效率。
本公开的一种面向叶片旋铣工艺的数控编程方法，包括：
构建叶片三维模型；
制定叶片旋铣加工方案；
划分叶片加工区域；
获取刀触点文件：选取球头铣加工方式，设置铣削参数，确定铣刀在叶片加工区域上的走刀方向，生成划分后加工区域的刀触点数据；
构造旋铣刀轨：根据划分后加工区域的刀触点数据按顺序构造出旋铣方案的刀触点数据；
生成加工程序：结合旋铣包络原理，利用刀触点数据生成环形刀盘的刀位点数据，进而生成旋铣的加工程序。
在一个或多个实施例中，所述叶片旋铣加工方案包括确定旋风铣刀的回转半径、刀尖圆弧半径、刀片数量、切削参数以及走刀方案。
在一个或多个实施例中，根据叶片的三维模型确定旋风铣刀的回转半径、刀尖圆弧半径和刀片数量；
按照加工要求确定切削参数；
根据旋风铣削的铣刀与叶片在铣削过程中的相对运动关系确定走刀方案。
在一个或多个实施例中，在划分叶片加工区域的过程中，按照叶片的叶面、叶背及两部分之间的叶缘将加工区域划分为四部分。
在一个或多个实施例中，在所述获取刀触点文件中，将刀触点数据按Z轴坐标的分布情况以及根据旋铣时刀具的旋转方向和刀触点X、Y坐标的增减情况确定加工区域的排序，组合成旋铣方案的刀触点数据。
在一个或多个实施例中，环形刀盘的刀位点坐标为：刀触点处的法向量与旋风铣刀刀盘的半径的乘积与刀触点坐标累加之和。
在一个或多个实施例中，生成旋铣的加工程序为：
其中：X—机床X轴的刀位点数据；Z—机床Z轴的刀位点数据；C—机床C轴的刀位点数据；
当x＞0，y＞0时，k＝0；
当x＜0，y＞0时，k＝1；
当x＜0，y＜0时，k＝1；
当x＞0，y＜0时，k＝2；
其中，x为环形刀盘的刀位点的X轴坐标；y为环形刀盘的刀位点的Y轴坐标；z为环形刀盘的刀位点的Z轴坐标；k为常系数。
根据本公开的一个或多个实施例的另一个方面，提供一种面向叶片旋铣工艺的数控编程装置，其提高了旋风铣削工艺条件下刀轨计算的准确度和编程效率。
本公开的一种面向叶片旋铣工艺的数控编程装置，包括：
叶片三维模型构建模块，其用于构建叶片三维模型；
加工方案制定及存储模块，其用于制定叶片旋铣加工方案并存储；
加工区域划分模块，其用于划分叶片加工区域；
刀触点文件获取模块，其用于选取球头铣加工方式，设置铣削参数，确定铣刀在叶片加工区域上的走刀方向，生成划分后加工区域的刀触点数据；
旋铣刀轨构造模块，其用于根据划分后加工区域的刀触点数据按顺序构造出旋铣方案的刀触点数据；
加工程序生成模块，其用于结合旋铣包络原理，利用刀触点数据生成环形刀盘的刀位点数据，进而生成旋铣的加工程序。
在一个或多个实施例中，在所述加工方案制定及存储模块中，所述叶片旋铣加工方案包括确定旋风铣刀的回转半径、刀尖圆弧半径、刀片数量、切削参数以及走刀方案。
在一个或多个实施例中，在所述加工方案制定及存储模块中，根据叶片的三维模型确定旋风铣刀的回转半径、刀尖圆弧半径和刀片数量；
按照加工要求确定切削参数；
根据旋风铣削的铣刀与叶片在铣削过程中的相对运动关系确定走刀方案。
在一个或多个实施例中，在所述加工区域划分模块中，按照叶片的叶面、叶背及两部分之间的叶缘将加工区域划分为四部分。
在一个或多个实施例中，在所述刀触点文件获取模块中，将刀触点数据按Z轴坐标的分布情况以及根据旋铣时刀具的旋转方向和刀触点X、Y坐标的增减情况确定加工区域的排序，组合成旋铣方案的刀触点数据。
在一个或多个实施例中，在所述旋铣刀轨构造模块中，环形刀盘的刀位点坐标为：刀触点处的法向量与旋风铣刀刀盘的半径的乘积与刀触点坐标累加之和。
在一个或多个实施例中，在所述加工程序生成模块中，生成旋铣的加工程序为：
其中：X—机床X轴的刀位点数据；Z—机床Z轴的刀位点数据；C—机床C轴的刀位点数据；
当x＞0，y＞0时，k＝0；
当x＜0，y＞0时，k＝1；
当x＜0，y＜0时，k＝1；
当x＞0，y＜0时，k＝2；
其中，x为环形刀盘的刀位点的X轴坐标；y为环形刀盘的刀位点的Y轴坐标；z为环形刀盘的刀位点的Z轴坐标；k为常系数。
本公开的有益效果是：
本公开针对于叶片曲面的旋铣加工工艺，将叶片曲面分割，以球头刀代替旋风铣刀，成曲面段的刀触点，然后转化组合成整个叶片曲面的刀轨并生成叶片曲面的数控旋铣加工程序，实现旋风铣削工艺条件下刀轨的计算和数控编程，相对于目前采用的手工编程方法，可显著提高计算准确度和编程效率。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是叶片加工区域的划分；
图2是构造旋铣刀触点的流程图；
图3是生成加工程序的流程图；
图4是面向叶片旋铣工艺的数控编程方法的流程图；
图5是本公开的一种面向叶片旋铣工艺的数控编程装置结构示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
图4是面向叶片旋铣工艺的数控编程方法的流程图。
如图4所示，本公开的一种面向叶片旋铣工艺的数控编程方法，包括：
S101：构建叶片三维模型。
利用CAM软件构建叶片三维模型。
其中，CAM(Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造)的核心是计算机数值控制(简称数控编程)，是通过计算机编程生成机床设备能够读取的NC代码，从而使机床设备运行，更加精确，更加高效，为企业节约大量的成本。
CAM软件有：Croe、UG NX、Pro/NC、CATIA、CAD/CAM一体化的中望3D、cimatron、MasterCAM、SurfCAM、SPACE-E、CAMWORKS、WorkNC、TEBIS、HyperMILL、Powermill、GibbsCAM、FEATURECAM、topsolid、solidcam、cimtron、vx、esprit、gibbscam、Edgecam、Artcam等等。
下面以Croe为例：
在商业软件Croe中构建叶片三维模型。
S102：制定叶片旋铣加工方案。
在具体实施中，所述叶片旋铣加工方案包括确定旋风铣刀的回转半径、刀尖圆弧半径、刀片数量、切削参数以及走刀方案。
具体地，根据叶片的三维模型确定旋风铣刀的回转半径、刀尖圆弧半径和刀片数量；
按照加工要求确定切削参数；
根据旋风铣削的铣刀与叶片在铣削过程中的相对运动关系确定走刀方案。
S103：划分叶片加工区域。
具体地，在Creo NC模块中，选取球头铣加工方式，按照叶片的叶面、叶背及两部分之间的叶缘将加工区域划分为四部分，如图1所示，设置铣削参数，确定铣刀在这四部分上走刀方向。
需要说明的是，选择不同加工区域的走刀方向，使得球头刀在整个叶片曲面上的走刀方向构成圆环型。
球头铣刀的参数由旋风铣刀的刀尖圆弧半径确定，在Creo NC模块中按照旋铣工艺参数设定球头铣削参数。
S104：获取刀触点文件：选取球头铣加工方式，设置铣削参数，确定铣刀在叶片加工区域上的走刀方向，生成划分后加工区域的刀触点数据。
如图2所示为构造旋铣切触点的构造方案，通过一系列的处理将Creo软件生成的各曲面段的切触点数据组合成整个曲面的完整切触点数据。根据螺旋线左旋与右旋的定义，首先假设x2-x1＞0，确定铣刀加工时采用的是左旋或右旋方式，判断y2-y1的正负情况，即可确定各曲面段的组合顺序，再根据z坐标数据的增减情况，将各曲面段中各切触点线段组合，即为整个叶片曲面的刀触点文件。
S105：构造旋铣刀轨：根据划分后加工区域的刀触点数据按顺序构造出旋铣方案的刀触点数据。
具体地，环形刀盘的刀位点坐标为：刀触点处的法向量与旋风铣刀刀盘的半径的乘积与刀触点坐标累加之和。
环形刀盘的刀位点计算公式：
其中：x、y、z表示刀盘圆心坐标，即刀位点数据，
xn、yn、zn表示切触点坐标，
nx、ny、nz表示切触点处的法向量，
R表示旋风铣刀刀盘的半径，
切触点数据(xn、yn、zn、nx、ny、nz)由creo软件获取。
S106：生成加工程序：结合旋铣包络原理，利用刀触点数据生成环形刀盘的刀位点数据，进而生成旋铣的加工程序。
依据数控机床的C、X、Z三轴联动的的结构形式，利用刀位点文件生成数控系统能识别且便于加工的X、Z、C三轴联动的Creo NC程序。
具体地，根据数控机床的多轴联动方式与数控系统类型，生成旋铣的加工程序。
如图3所示，采用球头铣削获取刀触点的方案中，假定叶片固定不动，球头铣刀沿叶片表面铣削加工曲面段获取刀触点文件，球头铣刀相对叶片表面作平动；而在实际旋铣过程中，叶片绕轴线转动与旋风铣刀沿叶片的轴向、径向的移动三轴联动包络加工出叶片曲面，旋风铣刀相对叶片曲面作圆周运动，故而叶片绕轴线的转角C的计算应考虑切触点所处的象限。因此叶片叶身曲面加工的X、Z、C三轴联动的成旋铣的加工程序为：
其中：X—机床X轴的刀位点数据；Z—机床Z轴的刀位点数据；C—机床C轴的刀位点数据；
当x＞0，y＞0时，k＝0；
当x＜0，y＞0时，k＝1；
当x＜0，y＜0时，k＝1；
当x＞0，y＜0时，k＝2；
其中，x为环形刀盘的刀位点的X轴坐标；y为环形刀盘的刀位点的Y轴坐标；z为环形刀盘的刀位点的Z轴坐标；k为常系数。
本公开针对于叶片曲面的旋铣加工工艺，将叶片曲面分割，以球头刀代替旋风铣刀，成曲面段的刀触点，然后转化组合成整个叶片曲面的刀轨并生成叶片曲面的数控旋铣加工程序，实现旋风铣削工艺条件下刀轨的计算和数控编程，相对于目前采用的手工编程方法，可显著提高计算准确度和编程效率。
图5是本公开的一种面向叶片旋铣工艺的数控编程装置结构示意图。
如图5所示，本公开的一种面向叶片旋铣工艺的数控编程装置，包括：
(1)叶片三维模型构建模块，其用于构建叶片三维模型；
具体地，利用CAM软件构建叶片三维模型。
其中，CAM(Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造)的核心是计算机数值控制(简称数控编程)，是通过计算机编程生成机床设备能够读取的NC代码，从而使机床设备运行，更加精确，更加高效，为企业节约大量的成本。
CAM软件有：Croe、UG NX、Pro/NC、CATIA、CAD/CAM一体化的中望3D、cimatron、MasterCAM、SurfCAM、SPACE-E、CAMWORKS、WorkNC、TEBIS、HyperMILL、Powermill、GibbsCAM、FEATURECAM、topsolid、solidcam、cimtron、vx、esprit、gibbscam、Edgecam、Artcam等等。
下面以Croe为例：
在商业软件Croe中构建叶片三维模型。
(2)加工方案制定及存储模块，其用于制定叶片旋铣加工方案并存储；
在具体实施中，所述叶片旋铣加工方案包括确定旋风铣刀的回转半径、刀尖圆弧半径、刀片数量、切削参数以及走刀方案。
具体地，根据叶片的三维模型确定旋风铣刀的回转半径、刀尖圆弧半径和刀片数量；
按照加工要求确定切削参数；
根据旋风铣削的铣刀与叶片在铣削过程中的相对运动关系确定走刀方案。
(3)加工区域划分模块，其用于划分叶片加工区域；
具体地，在Creo NC模块中，选取球头铣加工方式，按照叶片的叶面、叶背及两部分之间的叶缘将加工区域划分为四部分，如图1所示，设置铣削参数，确定铣刀在这四部分上走刀方向。
需要说明的是，选择不同加工区域的走刀方向，使得球头刀在整个叶片曲面上的走刀方向构成圆环型。
球头铣刀的参数由旋风铣刀的刀尖圆弧半径确定，在Creo NC模块中按照旋铣工艺参数设定球头铣削参数。
(4)刀触点文件获取模块，其用于选取球头铣加工方式，设置铣削参数，确定铣刀在叶片加工区域上的走刀方向，生成划分后加工区域的刀触点数据；
如图2所示为构造旋铣切触点的构造方案，通过一系列的处理将Creo软件生成的各曲面段的切触点数据组合成整个曲面的完整切触点数据。根据螺旋线左旋与右旋的定义，首先假设x2-x1＞0，确定铣刀加工时采用的是左旋或右旋方式，判断y2-y1的正负情况，即可确定各曲面段的组合顺序，再根据z坐标数据的增减情况，将各曲面段中各切触点线段组合，即为整个叶片曲面的刀触点文件。
(5)旋铣刀轨构造模块，其用于根据划分后加工区域的刀触点数据按顺序构造出旋铣方案的刀触点数据；
具体地，环形刀盘的刀位点坐标为：刀触点处的法向量与旋风铣刀刀盘的半径的乘积与刀触点坐标累加之和。
环形刀盘的刀位点计算公式：
其中：x、y、z表示刀盘圆心坐标，即刀位点数据，
xn、yn、zn表示切触点坐标，
nx、ny、nz表示切触点处的法向量，
R表示旋风铣刀刀盘的半径，
切触点数据(xn、yn、zn、nx、ny、nz)由creo软件获取。
(6)加工程序生成模块，其用于结合旋铣包络原理，利用刀触点数据生成环形刀盘的刀位点数据，进而生成旋铣的加工程序。
依据数控机床的C、X、Z三轴联动的的结构形式，利用刀位点文件生成数控系统能识别且便于加工的X、Z、C三轴联动的Creo NC程序。
具体地，根据数控机床的多轴联动方式与数控系统类型，生成旋铣的加工程序。
如图3所示，采用球头铣削获取刀触点的方案中，假定叶片固定不动，球头铣刀沿叶片表面铣削加工曲面段获取刀触点文件，球头铣刀相对叶片表面作平动；而在实际旋铣过程中，叶片绕轴线转动与旋风铣刀沿叶片的轴向、径向的移动三轴联动包络加工出叶片曲面，旋风铣刀相对叶片曲面作圆周运动，故而叶片绕轴线的转角C的计算应考虑切触点所处的象限。因此叶片叶身曲面加工的X、Z、C三轴联动的成旋铣的加工程序为：
其中：X—机床X轴的刀位点数据；Z—机床Z轴的刀位点数据；C—机床C轴的刀位点数据；
当x＞0，y＞0时，k＝0；
当x＜0，y＞0时，k＝1；
当x＜0，y＜0时，k＝1；
当x＞0，y＜0时，k＝2；
其中，x为环形刀盘的刀位点的X轴坐标；y为环形刀盘的刀位点的Y轴坐标；z为环形刀盘的刀位点的Z轴坐标；k为常系数。
本公开针对于叶片曲面的旋铣加工工艺，将叶片曲面分割，以球头刀代替旋风铣刀，成曲面段的刀触点，然后转化组合成整个叶片曲面的刀轨并生成叶片曲面的数控旋铣加工程序，实现旋风铣削工艺条件下刀轨的计算和数控编程，相对于目前采用的手工编程方法，可显著提高计算准确度和编程效率。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种面向叶片旋铣工艺的数控编程方法，其特征在于，包括：
构建叶片三维模型；
制定叶片旋铣加工方案；
划分叶片加工区域；
获取刀触点文件：选取球头铣加工方式，设置铣削参数，确定铣刀在叶片加工区域上的走刀方向，生成划分后加工区域的刀触点数据；
构造旋铣刀轨：根据划分后加工区域的刀触点数据按顺序构造出旋铣方案的刀触点数据；
生成加工程序：结合旋铣包络原理，利用刀触点数据生成环形刀盘的刀位点数据，进而生成旋铣的加工程序。
2.如权利要求1所述的一种面向叶片旋铣工艺的数控编程方法，其特征在于，所述叶片旋铣加工方案包括确定旋风铣刀的回转半径、刀尖圆弧半径、刀片数量、切削参数以及走刀方案。
3.如权利要求2所述的一种面向叶片旋铣工艺的数控编程方法，其特征在于，根据叶片的三维模型确定旋风铣刀的回转半径、刀尖圆弧半径和刀片数量；
按照加工要求确定切削参数；
根据旋风铣削的铣刀与叶片在铣削过程中的相对运动关系确定走刀方案。
4.如权利要求1所述的一种面向叶片旋铣工艺的数控编程方法，其特征在于，在划分叶片加工区域的过程中，按照叶片的叶面、叶背及两部分之间的叶缘将加工区域划分为四部分；
或在所述获取刀触点文件中，将刀触点数据按Z轴坐标的分布情况以及根据旋铣时刀具的旋转方向和刀触点X、Y坐标的增减情况确定加工区域的排序，组合成旋铣方案的刀触点数据。
5.如权利要求1所述的一种面向叶片旋铣工艺的数控编程方法，其特征在于，环形刀盘的刀位点坐标为：刀触点处的法向量与旋风铣刀刀盘的半径的乘积与刀触点坐标累加之和。
6.如权利要求1所述的一种面向叶片旋铣工艺的数控编程方法，其特征在于，生成旋铣的加工程序为：
其中：X—机床X轴的刀位点数据；Z—机床Z轴的刀位点数据；C—机床C轴的刀位点数据；
当x＞0，y＞0时，k＝0；
当x＜0，y＞0时，k＝1；
当x＜0，y＜0时，k＝1；
当x＞0，y＜0时，k＝2；
其中，x为环形刀盘的刀位点的X轴坐标；y为环形刀盘的刀位点的Y轴坐标；z为环形刀盘的刀位点的Z轴坐标；k为常系数。
7.一种面向叶片旋铣工艺的数控编程装置，其特征在于，包括：
叶片三维模型构建模块，其用于构建叶片三维模型；
加工方案制定及存储模块，其用于制定叶片旋铣加工方案并存储；
加工区域划分模块，其用于划分叶片加工区域；
刀触点文件获取模块，其用于选取球头铣加工方式，设置铣削参数，确定铣刀在叶片加工区域上的走刀方向，生成划分后加工区域的刀触点数据；
旋铣刀轨构造模块，其用于根据划分后加工区域的刀触点数据按顺序构造出旋铣方案的刀触点数据；
加工程序生成模块，其用于结合旋铣包络原理，利用刀触点数据生成环形刀盘的刀位点数据，进而生成旋铣的加工程序。
8.如权利要求7所述的一种面向叶片旋铣工艺的数控编程装置，其特征在于，在所述加工方案制定及存储模块中，所述叶片旋铣加工方案包括确定旋风铣刀的回转半径、刀尖圆弧半径、刀片数量、切削参数以及走刀方案。
9.如权利要求8所述的一种面向叶片旋铣工艺的数控编程装置，其特征在于，在所述加工方案制定及存储模块中，根据叶片的三维模型确定旋风铣刀的回转半径、刀尖圆弧半径和刀片数量；
按照加工要求确定切削参数；
根据旋风铣削的铣刀与叶片在铣削过程中的相对运动关系确定走刀方案。
10.如权利要求7所述的一种面向叶片旋铣工艺的数控编程装置，其特征在于，在所述加工区域划分模块中，按照叶片的叶面、叶背及两部分之间的叶缘将加工区域划分为四部分；
或在所述刀触点文件获取模块中，将刀触点数据按Z轴坐标的分布情况以及根据旋铣时刀具的旋转方向和刀触点X、Y坐标的增减情况确定加工区域的排序，组合成旋铣方案的刀触点数据；
或在所述旋铣刀轨构造模块中，环形刀盘的刀位点坐标为：刀触点处的法向量与旋风铣刀刀盘的半径的乘积与刀触点坐标累加之和；
或在所述加工程序生成模块中，生成旋铣的加工程序为：
其中：X—机床X轴的刀位点数据；Z—机床Z轴的刀位点数据；C—机床C轴的刀位点数据；
当x＞0，y＞0时，k＝0；
当x＜0，y＞0时，k＝1；
当x＜0，y＜0时，k＝1；
当x＞0，y＜0时，k＝2；
其中，x为环形刀盘的刀位点的X轴坐标；y为环形刀盘的刀位点的Y轴坐标；z为环形刀盘的刀位点的Z轴坐标；k为常系数。
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