CN112666891B

CN112666891B - 一种基于飞机发动机叶片的刀轨光顺方法

Info

Publication number: CN112666891B
Application number: CN202011637553.XA
Authority: CN
Inventors: 崔传辉; 陈帅
Original assignee: Zaozhuang Beihang Machine Tool Innovation Research Institute Co ltd
Current assignee: Zaozhuang Beihang Machine Tool Innovation Research Institute Co ltd
Priority date: 2020-12-31
Filing date: 2020-12-31
Publication date: 2022-06-28
Anticipated expiration: 2040-12-31
Also published as: CN112666891A

Abstract

本发明提供一种基于飞机发动机叶片的刀轨光顺方法，对原始刀轨数据进行后置处理，获取刀轨数据对应的加工参数；通过判断各刀位点对应机床B轴摆角的绝对值是否小于δ，提取出位于奇异区域内的连续刀位点；获取连续刀位点的转角，对奇异区域内刀位法矢进行调整，使得机床在由P_s运行至P_e过程中匀速旋转；依据调整后的刀轴法矢结合触点位置、触点法矢及刀具参数对调整过刀轴法矢重新计算刀位点；处理完所有奇异区域内的刀位数据后，重新对调整后的刀轨数据进行后置处理，完成刀轴光顺处理。本发明通过对奇异区域刀轨进行优化处理，提高了奇异区域内的加工质量和精度，避免了插值算法中原刀位文件增大，相邻刀轨段之间的距离过小的问题。

Description

一种基于飞机发动机叶片的刀轨光顺方法

技术领域

本发明涉及飞机发动机风扇叶片加工技术领域，尤其涉及一种基于飞机发动机叶片的刀轨光顺方法。

背景技术

飞机发动机叶片型面特征复杂，飞机发动机叶片型面特征复杂，一般采用五轴联动机床进行加工，在加工过程中不可避免的会出现五轴运动奇异区域问题，在奇异区域内因刀轴法矢与五轴数控机床的旋转轴的轴线方向近似平行，此时刀轴法矢有微小的波动都会造成机床旋转轴的大幅波动，使得该区域加工状态恶化，甚至出现加工报废问题。

发明内容

为此本发明分析机床运动特性，本发明提供一种基于飞机发动机叶片的刀轨光顺方法，以五轴BC机床为例其具体方法包括：

对原始刀轨数据进行后置处理，获取刀轨数据对应的加工参数；

通过判断各刀位点对应机床B轴摆角的绝对值是否小于δ，其中δ为B轴阈值，取3-5°，提取出位于奇异区域内的连续刀位点；

获取连续刀位点首尾P_s、P_e对应的B轴、C轴转角，对奇异区域内刀位法矢进行调整，使得机床B轴、C轴在由P_s运行至P_e过程中匀速旋转；

依据调整后的刀轴法矢结合触点位置、触点法矢及刀具参数对调整过刀轴法矢重新计算刀位点；

处理完所有奇异区域内的刀位数据后，重新对调整后的刀轨数据进行后置处理，完成刀轴光顺处理。

进一步需要说明的是，奇异区域内刀位法矢的调整方法包括：

设P_k－P_k+1－…－P_k+n为识别出的连续位于奇异区域内的刀轨段，其中P_k为该位于奇异区域内刀轨段的起点，P_k+n为该位于奇异区域内刀轨段的终点，对应机床旋转轴B、C的转角为分别为b_k、b_k+1、…、b_k+n及c_k、c_k+1、…、c_k+n；

以P_k为起点依次计每个刀位点P_k+i(i＝1,2…n)对应的刀轨长度l_i，计算每个刀位点P_k+i对应的参数t_i，则刀位法矢调整的步骤如下：

Step1：遍历c_k、c_k+1、…、c_k+n，计算相邻刀位点之间的C轴转角Δc_i＝c_k+i-c_k+i-1，其中i＝1,2,…n，依次判断是否存在Δc_i，使得Δc_i＞θ是否成立，其中θ为预设奇异区域C轴波动判断阈值设置为3-5，如存在执行Step2，则执行Step2；否则该奇异区域不进行优化，结束程序；

Step2：遍历b_k、b_k+1、…、b_k+n如存在b_k+i≤ε，其中ε为预设的B轴零点阈值一般取0.5，则在实际加工过程中刀具从P_k运行到P_k+n时B轴的有效运动行程为Δb＝|b_k|+|b_k+n|，如不存在则Δb＝b_k+n-b_k，执行Step3；

Step3：计算实际加工过程中刀具从P_k运行到P_k+n时C轴的有效运动行程为Δc＝c_k+n-c_k，如|Δc|＞180°时，通过加或减(m*360)使得Δc位于-180°～180°范围内，赋值i＝1,执行Step4；

Step4：如|Δc|≤90°，执行Step5，否则通过加或减90°使得Δc位于-90°～90°范围内，执行Step6；

Step5：angle_b_k+i＝b_k+Δb×t_i，angle_c_k+i＝c_k+Δc×t_i，执行Step9；

Step6：判断t_i＜0.5是否成立，如成立执行Step7，否则执行Step8；

Step7：angle_b_k+i＝b_k-b_k×t_i/0.5，angle_c_k+i＝c_k-Δc×t_i，执行Step9；

Step8：angle_b_k+i＝b_k+n×(t_i-0.5)/0.5，angle_c_k+i＝c_k+Δc×t_i+90，执行Step9；

Step9：将P_k对应的刀轴法矢n_k沿Z轴旋转angle_c_k+i后在沿Y轴旋转angle_b_k+i获取调整后P_k+i对应的刀轴法矢n_k+i，即n_k+i＝n_k×rot(angle_c_k+i，Z)×rot(angle_b_k+i，Y)；

Step10：判断i＜n是否成立，若成立调整过程结束，否则i＝i+1执行Step4。

进一步需要说明的是，刀位点的重新计算方法包括：

刀具与工件表面接触时，获取刀具表面与工件表面之间的刀触点法矢，基于获取的刀触点法矢，再结合刀轴法矢及刀具的参数信息求解刀位点坐标；

基于叶片磨削抛光所用的鼓形刀具，已知刀具直径D、刀具圆角半径R、触点P_c、触点法矢v_c、刀轴法矢v₀，则刀位点P₀可有公式1求得；

同理对于铣削加工常用的球刀，已知刀具半径R、触点P_c、触点法矢v_c、刀轴法矢v₀，则刀位点P₀有公式2求得；

P₀＝P_c+R×v_c-R×v₀ (2)

铣削加工常用的圆角刀同鼓形刀具，在已知刀具直径D、刀具半径R、触点P_c、触点法矢v_c、刀轴法矢v₀，则刀位点P₀可有公式1求得；

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明提供的基于飞机发动机叶片的刀轨光顺方法通过对奇异区域刀轨进行优化处理，提高了奇异区域内的加工质量和精度，避免了插值算法中原刀位文件增大，相邻刀轨段之间的距离过小的问题。

本发明可减少机床在奇异区域的频繁加减速，避免在奇异区域的加工质量相比其他区域较差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为基于飞机发动机叶片的刀轨光顺方法所用实施例机床示意图；

图2为基于飞机发动机叶片的刀轨光顺方法所用实施例示机床控制系统示意图；

图3为鼓形刀中触点法矢的计算示意图；

图4为带上下缘板叶片的加工示意图；

图5为带上下缘板叶片的加工示意图；

图6为带上下缘板叶片的加工示意图；

图7为实例优化前的C轴运行轨迹；

图8为实例优化后的C轴运行轨迹；

图9为实例二优化前第一行刀轨C运行轨迹；

图10为实例二优化后第一行刀轨C运行轨迹。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种基于飞机发动机叶片的刀轨光顺方法，以五轴BC机床为例具体方法包括：

本发明提供的方法中，如图3所示，奇异区域内刀位法矢的调整方法包括：

设P_k－P_k+1－…－P_k+n为识别出的连续位于奇异区域内的刀轨段，其中P_k为该位于奇异区域内刀轨段的起点，P_k+n为该位于奇异区域内刀轨段的终点，对应机床旋转轴B、C的转角为分别为b_k、b_k+1、…、b_k+n及c_k、c_k+1、…、c_k+n。并以P_k为起点依次计每个刀位点P_k+i(i＝1,2…n)对应的刀轨长度l_i，进而计算每个刀位点P_k+i对应的参数t_i，则刀位法矢调整的步骤如下：

Step1：遍历c_k、c_k+1、…、c_k+n，计算相邻刀位点之间的C轴转角Δc_i＝c_k+i-c_k+i-1，其中i＝1,2,…n，依次判断是否存在Δc_i，使得Δc_i＞θ是否成立，其中θ为预设设奇异区域C轴波动判断阈值一般设置为3-5，如存在执行Step2，否则该奇异区域不具备优化的必要，结束程序；

Step2：遍历b_k、b_k+1、…、b_k+n如存在b_k+i≤ε，其中ε为预设的B轴零点阈值一般取0.5，则在实际加工过程中刀具从P_k运行到P_k+n时B轴的有效运动行程为Δb＝|b_k|+|b_k+n|，如不存在则Δb＝b_k+n-b_k，执行Step3；。

Step3：计算实际加工过程中刀具从P_k运行到P_k+n时C轴的有效运动行程为Δc＝c_k+n-c_k，如|Δc|＞180°时，通过加或减m*360使得Δc位于-180°～180°范围内，赋值i＝1,执行Step4；

本发明提供的方法中，刀位点的重新计算方法包括：

P₀＝P_c+R×v_c-R×v₀ (2)

铣削加工常用的圆角刀同鼓形刀具，在已知刀具直径D、刀具半径R、触点P_c、触点法矢v_c、刀轴法矢v₀，则刀位点P₀可有公式1求得。

基于上述基于飞机发动机叶片的刀轨光顺方法本发明提供一种加工实施例，具体的，

为实现带上下缘板的叶片21叶身或叶背的一次性全型面磨削、抛光，在加工过程刀轴需要通过零点，如图4至6所示在下缘板处为避免干涉刀轴需向左倾斜，在上缘板出刀轴需向右倾斜，中间的刀轴由CAM系统依据内设规则插值确定。图6中附图标记22为刀具组件中磨削刀运行过程的刀轨轨迹。

在加工叶身中间部位时刀轴法式与叶身轴线基本近似片平行关系。采用BC类五轴机床，加工时叶片轴线与旋转轴C轴平行安装，图7为程序中第一行刀轨经后置处理后对应的C轴的转角，由图可知C轴的整体旋转范围较大，图8为对刀轨进行优化后对应的C轴转角，由图可知经优化后C轴总转角显著降低。采用切削仿真软件验证，优化处理前后工件加工精度未发生显著变化，具体数据见表1。

表1优化前后刀轨精度对比表

为实现压气机叶片的高精度磨削加工，在加工过程中采用砂轮母线上的固定点对叶片进行磨削加工，此时因叶片局部型面特征复杂、曲率变化较大，局部刀轴法矢波动较大，所生成刀轨整体光顺性差，对刀轨进行后置处理后C轴转角存在如图9所示的较大波动，优化后C轴转角运动情况如图10所示，可明显看出得到了显著改善，同时从图10可看出机床运行的刀位轨迹也得到了显著改善。采用切削仿真软件验证，优化处理前后工件加工精度未发生显著变化，具体数据见表2，如考虑机床的动态特性，优化后刀轨的实际加工效果将显著优于优化前。

表2优化前后刀轨精度对比表

本发明提出的基于飞机发动机叶片的刀轨光顺方法是结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

对于上述基于飞机发动机叶片的刀轨光顺方法来讲，优选地可以采用如下机床来进行加工，当然下述机床结构仅仅是为了举例说明，具体结构形式不做限定。

作为一种优选地的实施例，如图1和图2所示，机床包括：底座1；

底座1上安装有Y向滑轨2和立柱3；

Y向滑轨2上滑动连接有纵向工作台4；

纵向工作台4上设有与Y向滑轨2相垂直设置的X向滑轨5；

X向滑轨5上滑动连接有横向工作台7；

横向工作台7上设置有旋转加工座6，旋转加工座6上设有夹持工件的夹持机构；旋转加工座6连接有驱动旋转加工座6旋转的加工座驱动电机；

立柱3上设有Z向滑轨8，Z向滑轨8沿着竖直方向设置；

Z向滑轨8上滑动连接有竖向工作台9；

竖向工作台9上设有转盘组件10；

转盘组件10上安装有码头箱11；码头箱11穿设有主轴12；主轴12的下端朝向横向工作台7方向设置；主轴12下端连接有刀具组件；主轴12上连接有主轴旋转驱动组件。

转盘组件10设有固设码头箱11，固设码头箱11设有卡盘以及驱动卡盘旋转的B轴旋转驱动电机，B轴旋转驱动电机驱动带动码头箱11旋转预设角度；

主轴旋转驱动组件设有刀具驱动电机，刀具驱动电机通过齿轮与主轴12外部套设的齿轮啮合连接，驱动刀具组件旋转。

Y向滑轨2与纵向工作台4之间通过光杆和丝杠滑动连接；

横向工作台7上连接横向驱动电机，横向工作台7底部设有滑轮；

X向滑轨5上设有滑轨槽；

横向工作台7通过横向驱动电机驱动滑轮在X向滑轨5上滑轨槽上移动；

竖向工作台9通过设置竖向伺服电机15，实现在Z向滑轨8上移动。

这样，本发明实现了X轴方向、Y轴方向、Z轴方向、B轴旋转及C轴旋转联动抛光，实现全方位抛光，并配合角度头可实现叶片类复杂零件的全型面抛光加工，保证抛光质量和精度。其中，X轴方向、Y轴方向、Z轴方向为直线轴。

B轴旋转驱动电机驱动带动码头箱11旋转形成B轴运动数据；

加工座驱动电机驱动旋转加工座6旋转形成C轴运动数据。

优选地，X轴方向、Y轴方向、Z轴方向的行程可以根据抛光需要设置，具体尺寸不做限定。

本发明在实施例中所提到的机床控制系统还包括：控制模块；控制模块包括：通信单元21、加工数据输入单元22、感测单元23、输出单元24、存储器25、接口单元26、控制器27和用于给装置内部电气元件提供电源的电源单元28；

控制器27通过加工数据输入单元22获取用户输入的加工数据信息，并按照预设的程序执行；控制器27通过通信单元21与上位机和终端机通信连接，将加工数据以及装置运行数据进行上传；控制器27通过感测单元23感应装置的运行状态，并通过输出单元24进行显示；存储器25用于对加工数据、装置运行数据以及用户输入的数据进行储存；接口单元26用于提供数据接口，连接外部设备。

本发明提供的基于飞机发动机叶片的刀轨光顺方法能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

本发明提供的基于飞机发动机叶片的刀轨光顺方法所用实施例示机床控制系统示意图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本发明的各方面。

本发明提供的基于飞机发动机叶片的刀轨光顺方法所用实施例示机床控制系统可以通过输出单元(24)包括的显示单元来显示装置运行数据。显示单元可以用作输入装置和输出装置。显示单元可以包括液晶显示器(LCD，Liquid Crystal Display)、薄膜晶体管LCD(TFT-LCD，Thin Film Transistor-LCD)、有机发光二极管(OLED，Organic Light-Emitting Diode)显示器、柔性显示器、三维(3D)显示器等等中的至少一种。这些显示器中的一些可以被构造为透明状以允许用户从外部观看，这可以称为透明显示器，典型的透明显示器可以例如为透明有机发光二极管(TOLED)显示器等等。触摸屏可用于检测触摸输入压力以及触摸输入位置和触摸输入面积。

控制器可以通过使用特定用途集成电路(ASIC，Application SpecificIntegrated Circuit)、数字信号处理器(DSP，Digital Signal Processing)、数字信号处理装置(DSPD，Digital Signal Processing Device)、可编程逻辑装置(PLD，ProgrammableLogic Device)、现场可编程门阵列(FPGA，Field Programmable Gate Array)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、被设计为执行这里描述的功能的电子单元中的至少一种来实施，在一些情况下，这样的实施方式可以在控制器中实施。对于软件实施，诸如过程或功能的实施方式可以与允许执行至少一种功能或操作的单独的软件模块来实施。软件代码可以由以任何适当的编程语言编写的软件应用程序(或程序)来实施，软件代码可以存储在存储器中并且由控制器执行。

本发明提出的基于飞机发动机叶片的刀轨光顺加方法，基于CAM(CAM，ComputerAided Manufacturing)软件输出的刀轨。基于飞机发动机叶片的刀轨光顺加工机床是将计算机应用于制造生产过程的过程或系统。利用计算机来进行生产设备管理控制和操作的过程。它输入信息是零件的工艺路线和工序内容，输出信息是刀具加工时的运动轨迹和数控程序。

基于飞机发动机叶片的刀轨光顺方法涉及的CAM软件基于刀触点信息，结合刀位点、刀轴、刀具等信息进行磨削抛光加工。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种基于飞机发动机叶片的刀轨光顺方法，其特征在于，方法包括：

奇异区域内刀位法矢的调整方法包括：

设P_k-P_k+1-…-P_k+n为识别出的连续位于奇异区域内的刀轨段，其中P_k为该位于奇异区域内刀轨段的起点，P_k+n为该位于奇异区域内刀轨段的终点，对应机床旋转轴B、C的转角为分别为b_k、b_k+1、…、b_k+n及c_k、c_k+1、…、c_k+n；并以P_k为起点依次计每个刀位点P_k+i(i＝1，2…n)对应的刀轨长度l_i，进而计算每个刀位点P_k+i对应的参数t_i，则刀位法矢调整的步骤如下：

Step1：遍历c_k、c_k+1、…、c_k+n，计算相邻刀位点之间的C轴转角Δc_i＝c_k+i-c_k+i-1，其中i＝1，2，…n，依次判断是否存在Δc_i，使得Δc_i＞θ是否成立，其中θ为预设奇异区域C轴波动判断阈值，θ设置为3-5，如存在执行Step2，否则该奇异区域不具备优化的必要，结束程序；

Step2：遍历b_k、b_k+1、…、b_k+n如存在b_k+i≤ε，其中ε为预设的B轴零点阈值，ε取0.5，则在实际加工过程中刀具从P_k运行到P_k+n时B轴的有效运动行程为Δb＝|b_k|+|b_k+n|，如不存在则Δb＝b_k+n-b_k，执行Step3；

Step3：计算实际加工过程中刀具从P_k运行到P_k+n时C轴的有效运动行程为Δc＝c_k+n-c_k，如|Δc|＞180°时，通过加或减m*360°使得Δc位于-180°～180°范围内，赋值i＝1，执行Step4；

Step10：判断i＜n是否成立，若成立调整过程结束，否则i＝i+1执行Step4；

2.根据权利要求1所述的基于飞机发动机叶片的刀轨光顺方法，其特征在于，

刀位点的重新计算方法包括：

基于叶片磨削抛光所用的鼓形刀具，已知刀具直径D、刀具圆角半径R、触点P_c、触点法矢v_c、刀轴法矢v₀，则刀位点P₀可有公式(1)求得；

同理对于铣削加工常用的球刀，已知刀具半径R、触点P_c、触点法矢v_c、刀轴法矢v₀，则刀位点P0有公式(2)求得；

铣削加工常用的圆角刀同鼓形刀具，在已知刀具直径D、刀具半径R、触点P_c、触点法矢v_c、刀轴法矢v₀，则刀位点P₀可有公式(1)求得；

P₀＝P_c+R×v_c+(D/2-R)×v₁-R×v₀ (2)。