CN114535672B - 一种非可展直纹面叶轮侧铣加工路径的生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种直纹面叶轮侧铣加工路径的生成方法，通过对叶片曲面进行面片化处理，形成面片模型，然后基于面片模型构造刀轴曲线，并根据刀轴曲线生成初始路径；通过对初始路径进行刀轴光顺，以及对光顺路径进行过切检查，得到最终侧铣加工路径。本发明不仅能够实现近似直纹面叶片的高精度侧铣加工，有效避免过切或欠切量过大情况，而且能够保证侧铣路径刀轴轨迹面光顺，加工的叶片无明显竖纹，表面加工效果好。
Description
技术领域
本发明属于数控加工技术领域，特别涉及一种非可展直纹面叶轮侧铣加工路径的生成方法。
背景技术
叶轮是涡轮式发动机的核心部件，被广泛应用于航天、航空及其它工业领域，其加工质量对发动机性能有决定性地影响。现有的叶轮加工方式主要有点铣和侧铣两种，其中点铣是用球头刀按叶片的流线方向逐行走刀，逐渐加工出叶片曲面，利用这种方式加工出的叶片能够较精确地符合叶片设计型面的要求，精度较高，而且加工走刀方向和设计流线方向相同，对叶轮运行时的动力性能有利，但是这种方式加工效率较低，而且刀具容易磨损，生产成本较高。目前，这种加工方式主要用于自由曲面型的叶轮加工。
对于直纹面叶轮来说，通常采用侧铣加工方式，即使用刀具侧壁对叶片曲面进行切削，叶片的加工可一次成型，相对于点铣加工方式，侧铣具有加工效率高、表面质量好的特点。一般适用侧铣方式加工的叶轮曲面为直纹面或近似直纹面。但是一般构成叶轮加工面的直纹面是非可展曲面，侧铣加工的方式存在理论加工误差，因此侧铣加工路径需要调整刀轴方向以尽量减小欠切误差。传统的叶轮侧铣加工方式是通过提取或输入加工面流线的方式重新生成直纹面叶轮，并以生成后的直纹面母线为初始刀轴构造侧铣路径。其不能处理多张面组合的近似直纹面叶片，并且因为重新生成的直纹面与原始加工面存在偏差，可能会造成过切或欠切量过大的情况。
另外，侧铣加工对于刀轴的连续性要求极高，现有的叶轮侧铣加工方法均没有对路径的刀轴进行进一步的刀轴光顺处理，其在加工时会在叶片表面留下明显竖纹，影响产品表面效果。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种非可展直纹面叶轮侧铣加工路径的生成方法，不仅能够实现近似直纹面叶片的高精度侧铣加工，有效避免过切或欠切量过大情况，而且能够保证侧铣路径刀轴轨迹面光顺，加工的叶片无明显竖纹，表面加工效果好。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种非可展直纹面叶轮侧铣加工路径的生成方法，包括：
步骤A，对叶片曲面进行面片化处理，即将叶片曲面按照精度要求离散成多个面片，形成面片模型；
步骤B，以叶片曲面底部边界为基线，并在基线上取样多个点，定义为取样点；对取样点的刀轴方向和位置进行编辑和调整，使其对面片模型的加工误差最小，并根据调整后取样点的位置和刀轴方向拟合成一条加权刀轴方向的样条曲线，定义为刀轴曲线；
步骤C，提取叶片曲面底部边界为基础路径，并将基础路径按照步长离散成若干路径点，将各路径点按照最近点原则一一映射到刀轴曲线上，得到各路径点所对应的映射点，根据刀轴曲线计算出对应映射点的刀轴方向即为该路径点的刀轴方向；通过对各路径点进行过切检查并对过切的路径点进行法向平移得到新的路径点，按照新的路径点位置和刀轴方向生成新的路径，定义为初始路径；
步骤D，根据初始路径的路径点位置及其对应的刀轴方向构造刀轴轨迹面，并对刀轴轨迹面进行光顺；将光顺后的刀轴轨迹面映射到初始路径上，即将初始路径各路径点的刀轴方向调整为光顺后刀轴轨迹面对应的流线方向，从而得到叶片曲面的光顺路径；
步骤E，基于面片模型对光顺路径进行过切检查，如果不存在过切，则光顺路径即为最终的侧铣加工路径；如果存在过切，则根据过切量将光顺路径进行整体偏移，得到的偏移路径即为最终的侧铣加工路径。
上述一种非可展直纹面叶轮侧铣加工路径的生成方法，所述步骤B包括：
步骤B1，以叶片曲面底部边界为基线，并在基线上取样多个点作为取样点；
步骤B2，对取样点赋以有效的初始刀轴方向；
步骤B3，以刀具侧壁到面片模型的平均距离作为欠切误差，建立刀具在取样点位置处相对于面片模型的欠切误差函数；
步骤B4，基于欠切误差函数，通过平移取样点和旋转初始刀轴方向对取样点进行调整，将取样点转为欠切误差最小的不过切路径点；
步骤B5，将加权刀轴方向的各不过切路径点拟合为一条样条曲线，即为刀轴曲线。
上述一种非可展直纹面叶轮侧铣加工路径的生成方法，步骤C中所述对应映射点的刀轴方向通过差值计算刀轴曲线上相邻两个取样点的刀轴方向得出。
上述一种非可展直纹面叶轮侧铣加工路径的生成方法，所述步骤D包括：
步骤D1，提取初始路径各路径点的刀轴，并对各路径点的刀轴赋以一定长度构造出一系列与刀轴重合的线段；
步骤D2，对步骤D1所构造的线段进行蒙面处理，生成一个样条曲面，即刀轴轨迹面；
步骤D3，在给定误差范围内对刀轴轨迹面进行光顺；
步骤D4，将各路径点的刀轴调整为光顺后刀轴轨迹面对应的流线方向，得到叶片曲面的光顺路径。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述的非可展直纹面叶轮侧铣加工路径的生成方法。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述的非可展直纹面叶轮侧铣加工路径的生成方法。
本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述的非可展直纹面叶轮侧铣加工路径的生成方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明将叶片加工面离散为面片，并基于面片模型搜索最优刀轴，大大降低了对输入叶轮模型的要求，不仅可以用于加工单张面的直纹面叶片，也可以加工多张曲面组合成的近似直纹面叶片，应用范围广。同时，基于刀轴轨迹面进行刀轴光顺后，可有效保证侧铣路径的光顺程度，避免产生加工竖纹，有效提高表面加工质量。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图。
图2是本发明方法中将叶片曲面离散为面片的结构示意图。
图3是本发明方法构建刀轴曲线的过程示意图。
图4是本发明方法中基线上的取样点示意图。
图5是本发明方法加工欠切误差示意图。
图6是本发明方法绕曲面法向旋转刀轴搜索最佳刀具姿态示意图。
图7是本发明方法绕切削方向旋转刀轴搜索最佳刀具姿态示意图。
图8是本发明方法沿曲面法向平移刀具避免过切姿态示意图。
图9是本发明方法生成的初始路径示意图。
图10是本发明方法对初始路径进行刀轴光顺过程示意图。
图11是本发明方法由刀轴轨迹面调整路径点的刀轴示意图。
图12是本发明提供的电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本发明的一种非可展直纹面叶轮侧铣加工路径的生成方法，包括：
步骤100，对叶片曲面进行面片化处理，形成面片模型；
步骤200，基于面片模型构造刀轴曲线；
步骤300，根据刀轴曲线生成初始路径；
步骤400，对初始路径进行刀轴光顺；
步骤500，对光顺路径进行过切检查，得到最终侧铣加工路径。
如图2所述，步骤100对叶片曲面进行面片化处理是将叶片曲面1按照精度要求离散成由一个一个小面片组成的面片模型2。
图3解释了步骤200构造刀轴曲线的具体过程，包括：
步骤201，以叶片曲面1的底部边界11为基线，并在基线上取样多个点12作为取样点，如图4所示；
步骤202，对取样点赋以有效的初始刀轴方向；
步骤203，如图5所示，以刀具侧壁3到面片模型2的平均距离作为欠切误差E，建立刀具在取样点位置处相对于面片模型的欠切误差函数；
步骤204，基于欠切误差函数，对取样点进行位置平移和初始刀轴方向旋转，在取样点附近搜索欠切误差最小、且不过切的新位置点和刀轴方向，定义为不过切路径点；其中，初始刀轴方向的旋转包括绕曲面法向N旋转和绕切削方向C旋转，分别如图6和图7所示；取样点位置平移主要是为避免过切，将取样点沿曲面法向N向外平移，如图8所示；
步骤205，将加权刀轴方向的各不过切路径点拟合为一条样条曲线，即为刀轴曲线。
如图9所示，步骤300所述的根据刀轴曲线生成初始路径的具体方法为：首先提取叶片曲面底部边界11作为基础路径，并将基础路径按照步长离散成若干路径点；然后将各路径点按照最近点原则一一映射到刀轴曲线20上，得到各路径点所对应的映射点，根据刀轴曲线计算出对应映射点的刀轴方向即为该路径点的刀轴方向，即在刀轴曲线上找到距离路径点A最近的点B作为映射点，并将该点对应的刀轴矢量M赋值给路径点；最后对各路径点进行过切检查并对过切的路径点面片模型的法向向外平移至不过切位置得到新的路径点，按照新的路径点位置和刀轴方向生成新的路径，定义为初始路径。
其中，对路径点刀轴方向的计算是先在刀轴曲线上找到与对应映射点相邻的两个已知取样点的刀轴方向，然后结合对应映射点与两个相邻取样点在刀轴曲线的位置进行线性插值计算，得到对应映射点的刀轴方向即为路径点刀轴方向。
图10解释了步骤400对初始路径进行刀轴光顺的具体过程，包括：
步骤401，提取初始路径各路径点的刀轴，并对各路径点的刀轴赋以一定长度构造出一系列与刀轴重合的线段；
步骤402，对步骤401所构造的线段进行蒙面处理，生成一个样条曲面，即刀轴轨迹面；
步骤403，在给定误差范围内对刀轴轨迹面进行光顺；
步骤404，如图11所示，根据最近点法则，将初始路径各路径点的刀轴调整为光顺后刀轴轨迹面S上距离该路径点最近点对应的U向流线方向Ui，从而实现刀轴的光顺，得到叶片曲面的光顺路径。
为避免光顺路径产生过切，步骤500基于面片模型对光顺路径进行了过切检查，如果不存在过切，则光顺路径即可作为最终的侧铣加工路径；如果存在过切，则根据过切量将光顺路径向远离面片模型的方向进行整体偏移，得到的偏移路径即为最终的侧铣加工路径。
图12是本发明提供的电子设备的实体结构示意图，如图12所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)1210、通信接口(Communications Interface)1220、存储器(memory)1230和通信总线1240，其中，处理器1210，通信接口1220，存储器1230通过通信总线1240完成相互间的通信。处理器1210可以调用存储器1230中的逻辑指令，以执行上述各方法所提供的非可展直纹面叶轮侧铣加工路径的生成方法，该方法包括：对叶片曲面进行面片化处理，形成面片模型；基于面片模型构造刀轴曲线；根据刀轴曲线生成初始路径；对初始路径进行刀轴光顺；对光顺路径进行过切检查，得到最终侧铣加工路径。
此外，上述的存储器1230中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的非可展直纹面叶轮侧铣加工路径的生成方法，该方法包括：对叶片曲面进行面片化处理，形成面片模型；基于面片模型构造刀轴曲线；根据刀轴曲线生成初始路径；对初始路径进行刀轴光顺；对光顺路径进行过切检查，得到最终侧铣加工路径。
又一方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的非可展直纹面叶轮侧铣加工路径的生成方法，该方法包括：对叶片曲面进行面片化处理，形成面片模型；基于面片模型构造刀轴曲线；根据刀轴曲线生成初始路径；对初始路径进行刀轴光顺；对光顺路径进行过切检查，得到最终侧铣加工路径。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种非可展直纹面叶轮侧铣加工路径的生成方法，其特征在于，包括：
步骤A，对叶片曲面进行面片化处理，即将叶片曲面按照精度要求离散成多个面片，形成面片模型；
步骤B，以叶片曲面底部边界为基线，并在基线上取样多个点，定义为取样点；对取样点的刀轴方向和位置进行编辑和调整，使其对面片模型的加工误差最小，并根据调整后取样点的位置和刀轴方向拟合成一条加权刀轴方向的样条曲线，定义为刀轴曲线；
步骤C，提取叶片曲面底部边界为基础路径，并将基础路径按照步长离散成若干路径点，将各路径点按照最近点原则一一映射到刀轴曲线上，得到各路径点所对应的映射点，根据刀轴曲线计算出对应映射点的刀轴方向即为该路径点的刀轴方向；通过对各路径点进行过切检查并对过切的路径点进行法向平移得到新的路径点，按照新的路径点位置和刀轴方向生成新的路径，定义为初始路径；
步骤D，根据初始路径的路径点位置及其对应的刀轴方向构造刀轴轨迹面，并对刀轴轨迹面进行光顺；将光顺后的刀轴轨迹面映射到初始路径上，即将初始路径各路径点的刀轴方向调整为光顺后刀轴轨迹面对应的流线方向，从而得到叶片曲面的光顺路径。
2.根据权利要求1所述的一种非可展直纹面叶轮侧铣加工路径的生成方法，其特征在于，所述步骤D之后还包括：
步骤E，基于面片模型对光顺路径进行过切检查，如果不存在过切，则光顺路径即为最终的侧铣加工路径；如果存在过切，则根据过切量将光顺路径进行整体偏移，得到的偏移路径即为最终的侧铣加工路径。
3.根据权利要求1所述的一种非可展直纹面叶轮侧铣加工路径的生成方法，其特征在于，所述步骤B包括：
步骤B1，以叶片曲面底部边界为基线，并在基线上取样多个点作为取样点；
步骤B2，对取样点赋以有效的初始刀轴方向；
步骤B3，以刀具侧壁到面片模型的平均距离作为欠切误差，建立刀具在取样点位置处相对于面片模型的欠切误差函数；
步骤B4，基于欠切误差函数，通过平移取样点和旋转初始刀轴方向对取样点进行调整，将取样点转为欠切误差最小的不过切路径点；
步骤B5，将加权刀轴方向的各不过切路径点拟合为一条样条曲线，即为刀轴曲线。
4.根据权利要求1所述的一种非可展直纹面叶轮侧铣加工路径的生成方法，其特征在于，步骤C中所述对应映射点的刀轴方向通过差值计算刀轴曲线上相邻两个取样点的刀轴方向得出。
5.根据权利要求1所述的一种非可展直纹面叶轮侧铣加工路径的生成方法，其特征在于，所述步骤D包括：
步骤D1，提取初始路径各路径点的刀轴，并对各路径点的刀轴赋以一定长度构造出一系列与刀轴重合的线段；
步骤D2，对步骤D1所构造的线段进行蒙面处理，生成一个样条曲面，即刀轴轨迹面；
步骤D3，在给定误差范围内对刀轴轨迹面进行光顺；
步骤D4，将各路径点的刀轴调整为光顺后刀轴轨迹面对应的流线方向，得到叶片曲面的光顺路径。
6.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至5任一项所述非可展直纹面叶轮侧铣加工路径的生成方法。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述非可展直纹面叶轮侧铣加工路径的生成方法。
8.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述非可展直纹面叶轮侧铣加工路径的生成方法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
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Denomination of invention: A method for generating side milling machining paths for non expandable straight textured impellers Granted publication date: 20230328 Pledgee: China Construction Bank Corporation Beijing Mentougou Branch Pledgor: BEIJING JINGDIAO TECHNOLOGY GROUP Co.,Ltd. Registration number: Y2024980037951 |