專利名稱：類直紋面整體葉輪曲面的側(cè)銑加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種側(cè)銑加工方法，尤其涉及一種類直紋面整體葉輪曲面的側(cè)銑加工方法。
背景技術(shù)：
五軸側(cè)銑加工是指用刀具的側(cè)刃銑削去除材料，與球頭端銑的點(diǎn)接觸加工方式相t匕，側(cè)銑加工是線接觸加工方式，加工帶寬顯著增加，可以提高材料去除率，能夠減少刀具的磨損。此外，側(cè)銑加工還具有以下優(yōu)點(diǎn)由于側(cè)銑加工時(shí)刀具軸線基本與葉片曲面平行，可最大限度的避免刀具與相鄰葉片的干涉；側(cè)銑加工為一次加工成形，可顯著提高加工零件的表面質(zhì)量。側(cè)銑加工非常適合整體式葉輪葉片曲面的半精加工和精加工，并被推薦用 于航空零部件的高效加工?，F(xiàn)有的側(cè)銑刀具路徑規(guī)劃方法針對(duì)的對(duì)象往往集中于直紋面葉片，對(duì)于可展直紋面，采用側(cè)銑方式可以實(shí)現(xiàn)精確加工；對(duì)于非可展直紋面，盡管采用側(cè)銑加工存在著原理性誤差，但也可以通過刀位優(yōu)化方法得到側(cè)銑刀具路徑，從而滿足加工精度要求。但是在實(shí)際應(yīng)用中，很多整體式葉輪的葉片曲面并不是直紋面，通常為類直紋面，而當(dāng)前的側(cè)銑刀具路徑規(guī)劃方法并不適用，這使側(cè)銑加工的適用范圍受到了極大地限制。更為重要的是，并非所有的類直紋面都可以通過側(cè)銑加工來實(shí)現(xiàn)，因此提供一種能否側(cè)銑的判別依據(jù)至關(guān)重要。目前通用的CAM軟件沒有針對(duì)類直紋面的側(cè)銑加工提供這一功能，Concepts NREC公司的MAX-PAC是針對(duì)葉輪五軸數(shù)控加工的專用CAD/CAM軟件，也未提供了類直紋面能否側(cè)銑的判別依據(jù)和刀具路徑生成策略。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利申請(qǐng)?zhí)枮?2139582的發(fā)明專利公開了一種鼓錐形刀具及用鼓錐形刀具側(cè)銑任意曲面離心葉輪的方法，提供了一種自由曲面的側(cè)銑加工方法，但是該刀具路徑規(guī)劃方法為避免干涉，采用多行銑削的策略，大大降低了自由曲面的側(cè)銑加工效率，并且很難保證整體葉輪曲面的加工質(zhì)量。另外，申請(qǐng)?zhí)枮?01110077039的中國發(fā)明專利又公開了一種五軸側(cè)銑加工工藝參數(shù)設(shè)計(jì)方法，該方法對(duì)側(cè)銑加工工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，但該方法的加工對(duì)象僅僅局限于直紋面，并未涉及類直紋面的刀具路徑規(guī)劃方法。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種類直紋面整體葉輪曲面的側(cè)銑加工方法，該方法能夠有效解決當(dāng)前側(cè)銑加工方法只適用于直紋面葉片的問題，大大提高現(xiàn)有側(cè)銑加工的適用性。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種類直紋面整體葉輪曲面的側(cè)銑加工方法，包括以下步驟(I)根據(jù)類直紋面整體葉輪曲面，基于最小二乘原則獲取近似的直紋面，且近似直紋面采用兩條邊界三次B樣條曲線表示；
(2)根據(jù)獲取的近似直紋面和給定的刀具參數(shù)，通過偏置方法獲取離散刀具位置和姿態(tài)，并通過B樣條曲線插值得到初始刀具路徑；(3)計(jì)算類直紋面到刀具包絡(luò)面的距離，建立遵循誤差評(píng)定準(zhǔn)則的刀具路徑整體優(yōu)化模型，得到優(yōu)化后的最大幾何偏差；(4)將優(yōu)化后的最大幾何偏差與預(yù)定的加工精度進(jìn)行比較，判斷類直紋面能否通過側(cè)銑達(dá)到加工精度要求，若優(yōu)化后的最大幾何偏差小于預(yù)定的加工精度，則該類直紋面可通過側(cè)銑達(dá)到加工精度要求，生成最優(yōu)刀具路徑，輸出刀具路徑文件；否則，若優(yōu)化后的最大幾何偏差大于預(yù)定的加工精度，則該類直紋面不可側(cè)銑。依照本發(fā)明較佳實(shí)施例所述的類直紋面整體葉輪曲面的側(cè)銑加工方法，該類直紋面為三維曲面模型或曲面點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件，且兩條邊界三次B樣條曲線最小二乘意義下逼近類直紋面離散點(diǎn)云。依照本發(fā)明較佳實(shí)施例所述的類直紋面整體葉輪曲面的側(cè)銑加工方法，該初始刀 具路徑為一直紋面，采用刀軸軌跡面表示，具體采用下式表示a,0 = (I - a)P(t) + aQ{t) =a)Nik (t)bt + aNik (/)<-];
/=O其中，P (t)和Q (t)表示兩條邊界三次B樣條曲線；Ni，k(t)為B樣條曲線的基函數(shù)；k是B樣條曲線的階數(shù)；wT= [b0T, V，d0T, Cl11] G □ 6(1+1),b0, ，Id1 和 d。， ，Cl1 分別為兩條 B 樣條曲線的控制點(diǎn)，即軸跡面的形狀控制參數(shù)；1+1是B樣條節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；a, t 為曲面參數(shù)，且(a, t) G
X [t0, tj ;t0是起始參數(shù)山是終止參數(shù)。依照本發(fā)明較佳實(shí)施例所述的類直紋面整體葉輪曲面的側(cè)銑加工方法，該刀具路徑整體優(yōu)化模型采用下式表示min niax|j^ x(w)|;其中，X(w)表示刀具空間運(yùn)動(dòng)生成的包絡(luò)曲面；{Pi G □ 3，I彡i彡n}表示類直紋面上的采樣點(diǎn)，n是采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)，□ 3是三維歐氏空間是采樣點(diǎn)到刀具包絡(luò)面的距離，3=1 jw’)|是類直紋面到包絡(luò)面的最大距離；依照本發(fā)明較佳實(shí)施例所述的類直紋面整體葉輪曲面的側(cè)銑加工方法，該優(yōu)化后的最大幾何偏差為優(yōu)化后類直紋面與刀具包絡(luò)曲面之間幾何偏差的最大值。依照本發(fā)明較佳實(shí)施例所述的類直紋面整體葉輪曲面的側(cè)銑加工方法，該最優(yōu)刀具路徑為在滿足加工精度的前提下，由刀具路徑整體優(yōu)化問題的最優(yōu)解作為控制點(diǎn)的刀軸軌跡面；刀具路徑文件為后處理程序所對(duì)應(yīng)的刀位文件，具體描述刀具的位置和方向。依照本發(fā)明較佳實(shí)施例所述的類直紋面整體葉輪曲面的側(cè)銑加工方法，該側(cè)銑刀具采用任意回轉(zhuǎn)刀具，具體可采用圓柱刀、圓錐刀或鼓形刀。綜合以上，本發(fā)明設(shè)計(jì)了類直紋面能否通過側(cè)銑達(dá)到加工精度要求的判別依據(jù)，并通過刀具路徑整體優(yōu)化算法給出了高質(zhì)量的刀具路徑，即適用于類直紋面三維模型，也適用于點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件。因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的類直紋面整體葉輪曲面的側(cè)銑加工方法克服了當(dāng)前側(cè)銑加工方法只適用于直紋面葉片的問題，可以應(yīng)用于類直紋面整體葉輪曲面的五軸側(cè)銑加工刀具路徑規(guī)劃，大大提高現(xiàn)有側(cè)銑加工的適用性，極大地?cái)U(kuò)展了側(cè)銑加工的適用范圍。并且，計(jì)算效率高，全部過程可以自動(dòng)完成，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。


圖I為本發(fā)明類直紋面整體葉輪曲面的側(cè)銑加工方法的流程原理圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例的類直紋面整體葉輪葉片曲面的離散點(diǎn)云示意圖；圖3本發(fā)明實(shí)施例的類直紋面整體葉輪葉片曲面模型示意圖；圖4本發(fā)明實(shí)施例的最小二乘擬合獲取的近似直紋面及其直母線示意圖；
圖5本發(fā)明實(shí)施例的圓錐刀及其參數(shù)的示意圖；圖6本發(fā)明實(shí)施例的偏置方法生成初始刀具路徑的示意圖；圖7本發(fā)明實(shí)施例的刀具路徑整體優(yōu)化每一步迭代后的最大誤差統(tǒng)計(jì)圖；圖8本發(fā)明實(shí)施例的優(yōu)化后類直紋面?zhèn)茹娂庸缀纹罘植紙D；圖9本發(fā)明實(shí)施例的優(yōu)化后刀具運(yùn)動(dòng)輪廓的示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖，具體說明本發(fā)明。請(qǐng)參閱圖1，一種類直紋面整體葉輪曲面的側(cè)銑加工方法，包括以下步驟(I)根據(jù)類直紋面整體葉輪曲面，基于最小二乘原則獲取近似的直紋面，且近似直紋面采用兩條邊界三次B樣條曲線表示。類直紋面可以為三維曲面模型或曲面點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件，且兩條邊界三次B樣條曲線最小二乘意義下逼近類直紋面離散點(diǎn)云。(2)根據(jù)獲取的近似直紋面和給定的刀具參數(shù)，通過偏置方法獲取離散刀具位置和姿態(tài)，并通過B樣條曲線插值得到初始刀具路徑。刀具參數(shù)是側(cè)銑加工所選擇刀具的幾何參數(shù)。該方法適用于任意類型的回轉(zhuǎn)刀具，如圓柱刀、圓錐刀或鼓形刀。對(duì)于圓柱刀，需給出刀具半徑和高度；對(duì)于圓錐刀，需給出刀具底圓半徑、半錐角和高度。初始刀具路徑，通過近似直紋面的偏置獲取，即在直母線兩端點(diǎn)處沿曲面法向偏置一刀具半徑。該初始刀具路徑用刀軸軌跡面來表達(dá)，為一直紋面。如公式(I)所示，刀軸軌跡面由兩條邊界三次B樣條曲線P(t)和Q(t)表示，其中\(zhòng)k(u)為B樣條曲線的基函數(shù)，Wt= [b0T,b/，d0T,Cl11] G □ 6(1+1),b0, ，bi 和 dQ， ，Cl1 分別為兩條 B 樣條曲線的控制點(diǎn)，可以視為軸跡面的形狀控制參數(shù)；a，t為曲面參數(shù)，并且(a，t) G
X [t0, tj0S(w;a,0 = (l- a)P(t) + aQ(t) = [ [(I - a)Ntk (f)bt + aNlk (/)</,- ](I)(3)應(yīng)用點(diǎn)-刀具包絡(luò)面法向誤差函數(shù)計(jì)算類直紋面到刀具包絡(luò)面的距離，建立遵循誤差評(píng)定準(zhǔn)則的刀具路徑整體優(yōu)化模型，得到優(yōu)化后的最大幾何偏差。點(diǎn)-刀具包絡(luò)面法向誤差函數(shù)由公式⑵定義，其中P為類直紋面上的離散點(diǎn)，X為刀具運(yùn)動(dòng)形成的包絡(luò)曲面，S(w;a, t)為刀軸軌跡面，r(w;a, t)為刀具半徑。該函數(shù)關(guān)于其形狀控制參數(shù)w的一階微分增量如公式(3)所示。
權(quán)利要求
1.一種類直紋面整體葉輪曲面的側(cè)銑加工方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)根據(jù)類直紋面整體葉輪曲面，基于最小二乘原則獲取近似的直紋面，且所述近似直紋面采用兩條邊界三次B樣條曲線表示； (2)根據(jù)獲取的近似直紋面和給定的刀具參數(shù)，通過偏置方法獲取離散刀具位置和姿態(tài)，并通過B樣條曲線插值得到初始刀具路徑； (3)計(jì)算類直紋面到刀具包絡(luò)面的距離，建立遵循誤差評(píng)定準(zhǔn)則的刀具路徑整體優(yōu)化模型，得到優(yōu)化后的最大幾何偏差； (4)將優(yōu)化后的最大幾何偏差與預(yù)定的加工精度進(jìn)行比較，判斷類直紋面能否通過側(cè)銑達(dá)到加工精度要求，若優(yōu)化后的最大幾何偏差小于預(yù)定的加工精度，則該類直紋面可通過側(cè)銑達(dá)到加工精度要求，生成最優(yōu)刀具路徑，輸出刀具路徑文件；否則，若優(yōu)化后的最大幾何偏差大于預(yù)定的加工精度，則該類直紋面不可側(cè)銑。
2.如權(quán)利要求I所述的類直紋面整體葉輪曲面的側(cè)銑加工方法，其特征在于，所述的類直紋面為三維曲面模型或曲面點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件，且所述兩條邊界三次B樣條曲線最小二乘意義下逼近類直紋面離散點(diǎn)云。
3.如權(quán)利要求I所述的類直紋面整體葉輪曲面的側(cè)銑加工方法，其特征在于，所述初始刀具路徑為一直紋面，采用刀軸軌跡面表示，具體采用下式表示
4.如權(quán)利要求I所述的類直紋面整體葉輪曲面的側(cè)銑加工方法，其特征在于，所述刀具路徑整體優(yōu)化模型采用下式表示 min max《v(w)； \<i<n I Pi -1 I 其中，X(w)表示刀具空間運(yùn)動(dòng)生成的包絡(luò)曲面；{Pi e □ 3, I ^ i ^ η}表示類直紋面上的采樣點(diǎn)，η是采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)，□ 3是三維歐氏空間；k,_Y( *，)|是采樣點(diǎn)到刀具包絡(luò)面的距離，=kuw)l是類直紋面到包絡(luò)面的最大距離；
5.如權(quán)利要求I所述的類直紋面整體葉輪曲面的側(cè)銑加工方法，其特征在于，所述優(yōu)化后的最大幾何偏差為優(yōu)化后類直紋面與刀具包絡(luò)曲面之間幾何偏差的最大值。
6.如權(quán)利要求I所述的類直紋面整體葉輪曲面的側(cè)銑加工方法，其特征在于，所述最優(yōu)刀具路徑為在滿足加工精度的前提下，由刀具路徑整體優(yōu)化問題的最優(yōu)解作為控制點(diǎn)的刀軸軌跡面；所述刀具路徑文件為后處理程序所對(duì)應(yīng)的刀位文件，具體描述刀具的位置和方向。
7.如權(quán)利要求I所述的類直紋面整體葉輪曲面的側(cè)銑加工方法，所述的側(cè)銑刀具采用任意回轉(zhuǎn)刀具，具體可采用圓柱刀、圓錐刀或鼓形刀。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種類直紋面整體葉輪曲面的側(cè)銑加工方法，首先，根據(jù)類直紋面整體葉輪曲面，獲取近似的直紋面，近似直紋面采用兩條邊界三次B樣條曲線表示；之后，根據(jù)近似直紋面和刀具參數(shù)，通過偏置方法獲取離散刀具位置和姿態(tài)，通過B樣條曲線插值得到初始刀具路徑；然后，計(jì)算類直紋面到刀具包絡(luò)面的距離，建立遵循誤差評(píng)定準(zhǔn)則的刀具路徑整體優(yōu)化模型，并將優(yōu)化后的最大幾何偏差與預(yù)定的加工精度進(jìn)行比較，判斷類直紋面能否通過側(cè)銑達(dá)到加工精度要求；最后，若優(yōu)化后的最大幾何偏差小于預(yù)定的加工精度，生成最優(yōu)刀具路徑，輸出刀具路徑文件。本發(fā)明克服了當(dāng)前側(cè)銑加工方法只適用于直紋面葉片的問題，擴(kuò)展了側(cè)銑加工的適用范圍。
文檔編號(hào)B23C3/00GK102794488SQ201210237109
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月10日
發(fā)明者畢慶貞, 朱利民, 王宇晗, 丁漢 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)