CN111687685A - 一种螺旋扇磁极侧边的变深度倒角加工方法 - Google Patents

一种螺旋扇磁极侧边的变深度倒角加工方法 Download PDF

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    • B23Q15/013—Control or regulation of feed movement
    • B23Q15/04—Control or regulation of feed movement according to the final size of the previously-machined workpiece

Abstract

本发明公开了一种螺旋扇磁极侧边的变深度倒角加工方法，包括以下步骤：先计算出一个螺旋扇磁极侧边变深度倒角的形状体作为切割体；将该切割体和准备进行变深度加工倒角的螺旋扇磁极形状体进行布尔运算的差集运算，从而完成该切割体对该螺旋扇磁极侧边的切割、切割后生成加工倒角后的螺旋扇磁极三维模型；将完成加工倒角后的螺旋扇磁极三维模型，导入机床加工软件，从而完成加工程序。本发明通过建立变深度倒角切割体、以及建立两折线角平分线模型，解决了回旋加速器中螺旋扇磁极侧边的变深度倒角加工问题，通过机械软件布尔运算功能实现高精度变深度倒角切割模型，有助于提高多个磁铁倒角加工的一致性，降低磁场的非对称性，提高加速器整体性能。

Description

一种螺旋扇磁极侧边的变深度倒角加工方法
技术领域
本发明属于回旋加速器技术领域，尤其涉及一种螺旋扇磁极侧边的变深度倒角加工方法。
背景技术
在超导质子回旋加速器中，磁场十分饱和，为了降低局部磁场饱和度，物理设计要求采用磁极侧边倒角加工的方式进行磁场修正；针对不同的半径，修正的磁场量不同，物理计算将会给出一条倒角深度随半径变化的曲线，用于磁极倒角的加工。
针对螺旋扇的磁场，磁极侧边往往由多条拆线段组成，目前的大多数机械设计软件，如solidwork，仅只提供磁极侧边固定深度倒角图形的生成功能，而无法给出变深度倒角图形的生成；而现代机床加工往往要根据三维机械模型图来进行加工，螺旋扇磁极侧边变深度倒角的精确加工较为困难。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种螺旋扇磁极侧边的变深度倒角加工方法，目的是解决回旋加速器中螺旋扇磁极侧边的变深度倒角高精度加工问题。
本发明为解决其技术问题，采用如下技术方案：
一种螺旋扇磁极侧边的变深度倒角加工方法，其特点：包括以下步骤：
步骤一、先计算出一个螺旋扇磁极侧边变深度倒角的形状体作为切割体；
步骤二、将该切割体和准备进行变深度加工倒角的螺旋扇磁极形状体进行布尔运算的差集运算，从而完成该切割体对该螺旋扇磁极侧边的切割、切割后生成加工倒角后的螺旋扇磁极三维模型；
步骤三、将完成加工倒角后的螺旋扇磁极三维模型，导入机床加工软件，从而完成加工程序。
所述步骤一先计算出一个螺旋扇磁极侧边变深度倒角的形状体的具体方法为：将计算加工倒角形状分为以下几个过程:
⑴确定该变深度倒角形状体的点；
⑵将变深度倒角形状体的点连成线；
⑶将变深度倒角形状体的线组成面；
⑷将变深度倒角形状体的面再组成体。
所述过程⑴的确定该变深度倒角形状体的点，具体为：
已知组成磁极两侧边的位置点的坐标(xk,yk)和切割深度dk，其中k为坐标点的序号，dk为第k个点位置的切割深度。
所述过程⑵的将变深度倒角形状体的点连成线，具体为：
假定磁极表面所在的平面为z＝0的平面；
第一条特征曲线为沿着磁极侧边不同位置点向下方向移动切割深度量后的点组成的曲线，每个点的坐标为(xk,yk，-dk)；第二条特征曲线为磁极侧边在磁极表面上沿磁极向内平移一定量后的点组成的曲线，每个点的坐标为：(xk+dk tan(α)skx,yk+dk tan(α)sky,0)；
所述过程⑶的将变深度倒角形状体的线组成面、以及过程⑷的将变深度倒角形状体的面再组成体，具体为：
由点连成线：输入一系列点坐标，每两点连线组成一条曲线；
由线组成面：第一个面：由两条特征曲线组成：两条特征曲线起点相连，两条特征曲线终点也相连，由此封闭的线即可在软件中生成面；第二个面：螺旋扇磁极侧边线与第一特征曲线以及它们各自端点之间的连线即可在软件中生成面；第三个面：螺旋扇磁极侧边线与第二特征曲线以及它们各自端点之间的连线即可在软件中生成面；
面组成体：三条曲线端点的连线也组成面，由一系列封闭的面即可在软件中自动生成体。
所述第二条特征曲线坐标点公式(xk+dk tan(α)skx,yk+dk tan(α)sky,0)的推导过程如下：假定切割倒角为α，第k个点位置平移的量为dk tanα，平移的方向为磁极侧边该点所在的两条直线段的角平分线，平移的方向所代表的向量计算过程如下：
步骤(1)：计算第k个点与前一个点组成的向量的方向(sx1,sy1)，并对向量进行归一化：
Figure BDA0001995135200000031
同理，计算第k个点与后一个点组成的向量的方向(sx2,sy2)，并对向量进行归一化：
Figure BDA0001995135200000032
步骤(2)：两条向量组成的夹角的角平分线表示为两条向量叠加的平均值，并对该向量进行归一化得到：
Figure BDA0001995135200000033
步骤(3)：由螺旋扇磁极侧边当前点坐标沿以上方向平移dk tan(α)长度后，求得组成第二条特征曲线5上点的坐标为：
(xk+dk tan(α)skx,yk+dk tan(α)sky,0)；
所述步骤三的加工采用球形刀具完成，加工过程分为粗加工过程和精加工过程，粗加工过程每次加工的深度较大，细加工过程每次加工的深度为0.05mm。
本发明的优点效果
本发明解决了本领域长期以来变深度倒角加工的难题。通过建立变深度倒角切割体、以及建立两折线角平分线模型，解决了回旋加速器中螺旋扇磁极侧边的变深度倒角加工问题，通过机械软件的布尔运算功能实现高精度的变深度倒角切割模型，实现倒角在加工机床的精确加工，大大提高了磁铁垫补的精度，有助于提高多个磁铁倒角加工的一致性，降低磁场的非对称性，提高加速器的整体性能。
附图说明
图1为本发明螺旋扇磁极加工倒角深度随半径变化示意图；
图2为本发明螺旋扇磁极变深度倒角切割示意图；
图3为本发明加工倒角平移方向角平分线原理图；
图4为本发明用于布尔运算的切割体示意图；
图5为本发明用于布尔运算的螺旋扇磁极示意图；
图6为本发明加工倒角后的螺旋扇磁极三维模型；
图中：1-加工深度曲线；2-螺旋扇磁极；3-螺旋扇磁极两条侧边；4-螺旋扇磁极倒角加工第一条特征曲线；5-螺旋扇磁极倒角加工第二条特征曲线；6-组成螺旋扇磁极侧边的某位置点；7-倒角加工第一条特征曲线某位置点的平移方向；8-倒角加工第二条特征曲线某位置点的平移方向。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做出进一步解释：
发明原理
1、布尔运算。布尔运算既是通过输入两个相对简单图形以及对这两个相对简单图形进行相关运算后产生第三个图形，所述的运算有联合、相交、相减三中基本运算。所述的相减运算也称之为差集运算：假如：A图形包括B图形，A减去B以后组成新的图形的运算为差集运算，或者B包括A，B减去A以后组成新的图形的运算为差集运算。
2、本发明的目的。本发明的目的就是通过布尔运算产生第三个图形，这第三个图形就是加工倒角后的螺旋扇磁极的三维模型，如图6所示即为加工倒角以后的螺旋扇三维模型。
3、将变深度倒角的切割体作为布尔运算的输入图形之一。如图4所示为本发明将变深度倒角的特征线4、5、以及螺旋扇磁极侧边线6组成切割体。
4、确定两条特征曲线4、5上的坐标点
确定特征曲线4上的坐标的思路：由于特征曲线4和螺旋扇磁极侧边线6的坐标点在空间高度不同但水平面位置相同，因此特征曲线4的位置点坐标(xk,yk)与螺旋扇磁极侧边线6的水平位置坐标点(xk,yk)相同，还由于dk为第k个点位置的切割深度，因此，相对于第k个点位置的特征曲线4的坐标为(xk,yk，-dk)。
确定特征曲线5上的坐标点的思路：由于特征曲线5上的坐标是当前点坐标沿一定 方向平移一定长度后的坐标，因此，要获得特征曲线5上的坐标有三个条件，第一，获得当前点坐标，第二，获得平移的长度，第三，获得平移的方向。平移的方向很关键，只有平移方向如图2中8的箭头指向所示，才能将特征曲线5的坐标点落到图2的特征曲线5上，反之，如果平移方向相反，则特征曲线5的坐标点就会落入螺旋扇磁极以外。
5、建立两折线角平分线模型计算平移方向8。其一，设定切倒角方向为垂直于边线6的方向。由于切倒角一般采用球形刀来做，球形刀打磨出来的边是垂直于侧边的，这样和实际加工情况最接近，因此设定切倒角方向如图2的8的垂直于侧边的方向；其二，将侧边曲线连接计算为侧边折线连接计算。其原因是由于实际加工倒角时侧边为折线连接，所以计算8的方向时采用折线连接方法；其三、取两折线的角平分线作为且倒角方向。由于将曲线连接改为折线连接，对于图3的两条折线，切角方向8既不能垂直于前一条折线，也不能垂直于后一条折线，因此取8为两条折线的角平分线最为适合，因此，计算8的方向采用计算两折线的角平分线的方法。具体方法详见实施例。
实施例
一台230MeV超导质子回旋加速器，采用四扇螺旋扇磁极结构，上下共8块磁极,每块磁极的内半径为160mm,外半径为850mm,两条侧边为螺旋形，物理设计要求采用磁极侧边倒角加工的方式进行磁场修正，倒角加工斜角为45度如图2所示，物理计算给出一条倒角深度随半径变化的曲线如图1所示，用于磁极倒角的加工。Solidwork等三维建模软件无法精确给出倒角深度随半径变化切割的模型，需要借用软件的布尔运算生成切割模型，步骤如下：
步骤一、先计算出一个螺旋扇磁极侧边变深度倒角的形状体作为切割体；
具体为：
⑴确定该变深度倒角形状体的点；
确定该点的具体方法为：
已知组成磁极2两侧边3的位置点6的坐标(xk,yk)和切割深度dk，其中k为坐标点的序号，dk为第k个点位置的切割深度。
⑵将变深度倒角形状体的点连成线；
确定该线的具体方法为：
假定磁极2表面所在的平面为z＝0的平面，第一条特征曲线4为沿着磁极侧边3不同位置点向下方向7移动切割深度量后的点组成的曲线，每个点的坐标为(xk,yk，-dk)；第二条特征曲线5为磁极侧边3在磁极2表面上沿磁极向内平移一定量后的点组成的曲线。第二条特征曲线每个点的坐标为：
(xk+dk tan(α)skx,yk+dk tan(α)sky,0)，
该第二条特征曲线坐标点公式(xk+dk tan(α)skx,yk+dk tan(α)sky,0)的推倒过程如下：假定切割倒角为α，第k个点位置平移的量为dk tanα，平移的方向为磁极侧边该点所在的两条直线段的角平分线，平移的方向所代表的向量计算过程如下：
步骤(1)：计算第k个点与前一个点组成的向量的方向(sx1,sy1)，并对向量进行归一化：
Figure BDA0001995135200000061
同理，计算第k个点与后一个点组成的向量的方向(sx2,sy2)，并对向量进行归一化：
Figure BDA0001995135200000062
步骤(2)：两条向量组成的夹角的角平分线表示为两条向量叠加的平均值，并对该向量进行归一化得到：
Figure BDA0001995135200000063
步骤(3)：由螺旋扇磁极侧边当前点坐标沿以上方向平移dk tan(α)长度后，求得组成第二条特征曲线5上点的坐标为：
(xk+dk tan(α)skx,yk+dk tan(α)sky,0)；
⑶将变深度倒角形状体的线组成面；
⑷将变深度倒角形状体的面再组成体。
所述过程⑶的将变深度倒角形状体的线组成面、以及过程⑷的将变深度倒角形状体的面再组成体，具体为：
由点连成线：输入一系列点坐标，每两点连线组成一条曲线；
由线组成面：第一个面：由两条特征曲线组成：两条特征曲线起点相连，两条特征曲线终点也相连，由此封闭的线即可在软件中生成面；第二个面：螺旋扇磁极侧边线与第一特征曲线以及它们各自端点之间的连线即可在软件中生成面；第三个面：螺旋扇磁极侧边线与第二特征曲线以及它们各自端点之间的连线即可在软件中生成面；
面组成体：三条曲线端点的连线也组成面，由一系列封闭的面即可在软件中自动生成体。
步骤二、将该切割体和准备进行变深度加工倒角的螺旋扇磁极形状体进行布尔运算的差集运算，从而完成该切割体对该螺旋扇磁极侧边的切割、切割后生成加工倒角后的螺旋扇磁极三维模型；
步骤三、将完成加工倒角后的螺旋扇磁极三维模型，导入机床加工软件，从而完成加工程序。具体为：加工过程分为粗加工过程和精加工过程，粗加工过程每次加工的深度较大，细加工过程每次加工的深度为0.05mm。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例。

Claims (7)

1.一种螺旋扇磁极侧边的变深度倒角加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、先计算出一个螺旋扇磁极侧边变深度倒角的形状体作为切割体；
步骤二、将该切割体和准备进行变深度加工倒角的螺旋扇磁极形状体进行布尔运算的差集运算，从而完成该切割体对该螺旋扇磁极侧边的切割、切割后生成加工倒角后的螺旋扇磁极三维模型；
步骤三、将完成加工倒角后的螺旋扇磁极三维模型，导入机床加工软件，从而完成加工程序。
2.根据权利要求1所述一种螺旋扇磁极侧边的变深度倒角加工方法，其特征在于：所述步骤一先计算出一个螺旋扇磁极侧边变深度倒角的形状体的具体方法为：将计算加工倒角形状分为以下几个过程:
⑴确定该变深度倒角形状体的点；
⑵将变深度倒角形状体的点连成线；
⑶将变深度倒角形状体的线组成面；
⑷将变深度倒角形状体的面再组成体。
3.根据权利要求2所述一种螺旋扇磁极侧边的变深度倒角加工方法，其特征在于：所述过程⑴的确定该变深度倒角形状体的点，具体为：
已知组成磁极两侧边的位置点的坐标(xk,yk)和切割深度dk，其中k为坐标点的序号，dk为第k个点位置的切割深度。
4.根据权利要求2所述一种螺旋扇磁极侧边的变深度倒角加工方法，其特征在于：所述过程⑵的将变深度倒角形状体的点连成线，具体为：
假定磁极表面所在的平面为z＝0的平面；
第一条特征曲线为沿着磁极侧边不同位置点向下方向移动切割深度量后的点组成的曲线，每个点的坐标为(xk,yk，-dk)；第二条特征曲线为磁极侧边在磁极表面上沿磁极向内平移一定量后的点组成的曲线，每个点的坐标为：(xk+dktan(α)skx,yk+dktan(α)sky,0)。
5.根据权利要求2所述一种螺旋扇磁极侧边的变深度倒角加工方法，其特征在于：所述过程⑶的将变深度倒角形状体的线组成面、以及过程⑷的将变深度倒角形状体的面再组成体，具体为：
由点连成线：输入一系列点坐标，每两点连线组成一条曲线；
由线组成面：第一个面：由两条特征曲线组成：两条特征曲线起点相连，两条特征曲线终点也相连，由此封闭的线即可在软件中生成面；第二个面：螺旋扇磁极侧边线与第一特征曲线以及它们各自端点之间的连线即可在软件中生成面；第三个面：螺旋扇磁极侧边线与第二特征曲线以及它们各自端点之间的连线即可在软件中生成面；
面组成体：三条曲线端点的连线也组成面，由一系列封闭的面即可在软件中自动生成体。
6.根据权利要求4所述一种螺旋扇磁极侧边的变深度倒角加工方法，其特征在于：所述第二条特征曲线坐标点公式(xk+dktan(α)skx,yk+dktan(α)sky,0)的推导过程如下：假定切割倒角为α，第k个点位置平移的量为dktanα，平移的方向为磁极侧边该点所在的两条直线段的角平分线，平移的方向所代表的向量计算过程如下：
步骤(1)：计算第k个点与前一个点组成的向量的方向(sx1,sy1)，并对向量进行归一化：
Figure FDA0001995135190000021
同理，计算第k个点与后一个点组成的向量的方向(sx2,sy2)，并对向量进行归一化：
Figure FDA0001995135190000022
步骤(2)：两条向量组成的夹角的角平分线表示为两条向量叠加的平均值，并对该向量进行归一化得到：
Figure FDA0001995135190000023
步骤(3)：由螺旋扇磁极侧边当前点坐标沿以上方向平移dktan(α)长度后，求得组成第二条特征曲线5上点的坐标为：
(xk+dktan(α)skx,yk+dktan(α)sky,0)。
7.根据权利要求1所述一种螺旋扇磁极侧边的变深度倒角加工方法，其特征在于：所述步骤三的加工采用球形刀具完成，加工过程分为粗加工过程和精加工过程，粗加工过程每次加工的深度较大，细加工过程每次加工的深度为0.05mm。
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