本發(fā)明涉及一種六軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工的刀軸控制方法，屬于數(shù)控加工技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

自由曲面類零件例如葉片其曲率變化劇烈，在經(jīng)過(guò)數(shù)控銑削加工過(guò)后，還需要拋磨表面。由于砂帶拋光可有效去除表面損傷層，處理后的構(gòu)件表面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，且光潔度高、粗糙度小，可有效避免因表面質(zhì)量缺陷而導(dǎo)致的疲勞失效。

針對(duì)葉片類航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵性零部件，在拋光過(guò)程中，發(fā)生彈性變形的接觸輪將與葉片型面形成一接觸區(qū)域，若該區(qū)域沿接觸輪軸線方向上的最大距離等于接觸輪母線長(zhǎng)度，則稱為有效貼合；若該區(qū)域沿接觸輪軸線方向上的最大距離小于接觸輪母線長(zhǎng)度，則會(huì)出現(xiàn)拋光刀痕，嚴(yán)重影響葉片的疲勞壽，幾何形狀規(guī)則的接觸輪如何與具有彎、寬、掠、扭等特點(diǎn)的葉片型面實(shí)現(xiàn)有效貼合，是目前數(shù)控拋光中亟待解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提出一種砂帶磨削數(shù)控加工的刀軸矢量控制方法，通過(guò)優(yōu)化的刀軸控制方法，可以實(shí)現(xiàn)六軸磨削加工中磨削軌跡中對(duì)磨削刀具刀軸的精確控制，實(shí)現(xiàn)接觸輪與葉片型面實(shí)現(xiàn)有效貼合。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案為：

一種砂帶磨削數(shù)控加工的刀軸控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

(1)生成刀具軌跡導(dǎo)動(dòng)曲線，計(jì)算刀觸點(diǎn)；

根據(jù)加工曲面的幾何特征，采用等參數(shù)線或者截面線等方式得到初始刀具軌跡導(dǎo)動(dòng)曲線，計(jì)算刀觸點(diǎn)；

(2)根據(jù)初始刀具軌跡計(jì)算無(wú)干涉的刀位點(diǎn)；

通過(guò)刀觸點(diǎn)P(P_x,P_y,P_z)計(jì)算刀位點(diǎn)O(O_x,O_y,O_z)的公式為：

式中，N是葉片曲面上該刀觸點(diǎn)的單位法向量N(N_i,N_j,N_k)，r為刀具半徑，kh為考慮葉片型面接觸點(diǎn)因加工精度和加工余量而作的法向調(diào)整量。

(3)計(jì)算砂帶支撐軸矢量；

砂帶支撐軸矢量計(jì)算公式為：V_N＝r，其中，V_N為砂帶支撐軸矢量，r為葉片型面法線矢量；

(4)計(jì)算接觸輪初始軸向矢量，計(jì)算公式為：

式中，E、F、G為葉片型面r上任意點(diǎn)(u，v)處的第一基本量，L、M、N為曲面上任意點(diǎn)(u，v)處的第二基本量，其中，

(5)對(duì)接觸輪初始軸向矢量進(jìn)行偏置處理，獲得優(yōu)化后的接觸輪軸向矢量，即為最終的刀軸矢量，其中偏置處理具體為：

(5a)過(guò)接觸輪初始軸向矢量k_n起點(diǎn)做垂直于待磨削型面的法矢l，構(gòu)造法矢l與接觸輪軸線矢量k_n的向量積τ；

(5b)以接觸輪軸線矢量k_n為旋轉(zhuǎn)軸線，繞接觸輪軸線矢量k_n起點(diǎn)旋轉(zhuǎn)向量積τ，得到的旋轉(zhuǎn)后的向量積即為刀位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最終刀軸矢量。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述旋轉(zhuǎn)向量積τ的旋轉(zhuǎn)角度為π/4-π/2，優(yōu)選是π/3，更優(yōu)選是π/2。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，偏置面法矢l與該向量積τ所確定的平面為旋轉(zhuǎn)平面

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，還包括對(duì)優(yōu)化后的接觸輪軸向矢量進(jìn)行去噪處理的步驟，以得到平滑過(guò)渡的接觸輪軸向矢量。

通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，其采用對(duì)通過(guò)采用等參數(shù)線或者截面線等方式得到的刀具軌跡導(dǎo)動(dòng)曲線進(jìn)行優(yōu)化處理，特別是對(duì)其中得到的接觸輪的刀軸矢量進(jìn)行進(jìn)一步的偏置旋轉(zhuǎn)處理，從而可獲得可與磨削型面貼合性能優(yōu)良的最終刀軸矢量，實(shí)現(xiàn)接觸輪與葉片型面實(shí)現(xiàn)有效貼合。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述，但本實(shí)施例并不用于限制本發(fā)明，凡是采用本發(fā)明的相似方法以及相似變化，均應(yīng)列入本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本實(shí)施例以六軸聯(lián)動(dòng)砂帶磨削葉片加工為例進(jìn)行具體介紹，但本發(fā)明的實(shí)施并不限于機(jī)床結(jié)構(gòu)，對(duì)于其他相似結(jié)構(gòu)的數(shù)控機(jī)床同樣適用。

S1：根據(jù)加工曲面的幾何特征，生成刀具軌跡導(dǎo)動(dòng)曲線，計(jì)算刀觸點(diǎn)。

葉片砂帶磨削常用磨削方式有縱向磨削、橫向磨削和螺旋磨削三種，本實(shí)施例中，優(yōu)選縱向磨削和橫向磨削的方式可以選擇曲面參數(shù)線來(lái)作為導(dǎo)動(dòng)曲線，也可以選擇平面與加工區(qū)面求交得到截面線的方式來(lái)計(jì)算導(dǎo)動(dòng)曲線。根據(jù)加工工藝需要選擇單一或者多種磨削方式共同完成砂帶磨削加工。

得到刀具軌跡導(dǎo)動(dòng)曲線的目的是為了計(jì)算刀觸點(diǎn)，即接觸輪與被加工曲面的接觸點(diǎn)。

S2：計(jì)算砂帶接觸輪的中心坐標(biāo)；

數(shù)控砂帶磨削加工葉片程序的運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)際上是接觸輪中心軌跡曲線，接觸輪中心點(diǎn)坐標(biāo)通過(guò)接觸點(diǎn)沿法向偏置接觸輪的半徑r得到。P點(diǎn)為刀觸點(diǎn)，坐標(biāo)為P(P_x,P_y,P_z)，O點(diǎn)為接觸輪的中心點(diǎn)，坐標(biāo)設(shè)為O(O_x,O_y,O_z)，N是該P(yáng)點(diǎn)的單位法向量N(N_i,N_j,N_k)，考慮葉片型面接觸點(diǎn)因加工精度和加工余量而作的法向調(diào)整量mh(m為0或1)，則O點(diǎn)的坐標(biāo)為：

S3：計(jì)算砂帶支撐軸矢量；

砂帶支撐軸是砂帶的支撐機(jī)構(gòu)，砂帶支撐軸矢量的作用是控制磨削浮動(dòng)壓力的作用方向。在砂帶磨削過(guò)程中，接觸輪與葉片型面的接觸姿態(tài)唯一確定，為確保這一姿態(tài)不變，砂帶支撐軸矢量就取葉片型面上刀觸點(diǎn)的法失方向，即R_N＝k。

其中，R_N為砂帶支撐軸矢量，k為葉片型面單位法線矢量。

S4：計(jì)算接觸輪軸線矢量；

在砂帶磨削過(guò)程中，考慮砂帶接觸輪表面與葉片型面局部幾何特性的匹配，在刀位點(diǎn)處砂帶接觸輪與葉片型面的貼合程度最高，在無(wú)浮動(dòng)壓力下，砂帶與工件接觸位置理想狀態(tài)為線接觸，加工過(guò)程中保持或者近似保持這種線接觸狀態(tài)，將對(duì)葉片加工質(zhì)量和加工效率有很大提高。

從微分幾何分析，在葉片型面的每個(gè)刀位點(diǎn)處，砂帶接觸輪可以繞葉片型面法失方向做360度旋轉(zhuǎn)，從而可以得到一系列曲面截交線，以接觸輪軸線所在的葉片型面密切平面進(jìn)行分析，得到接觸輪與葉片型面的接觸情況。

截面線曲率大小反應(yīng)了砂帶接觸輪與葉片的貼合程度，本實(shí)施例中通過(guò)分析截交線曲率來(lái)確定接觸輪軸線方向。

定義E、F、G為葉片型面r上任意點(diǎn)(u，v)處的第一基本量，計(jì)算公式為：

曲面上點(diǎn)(u，v)的單位法矢量計(jì)算公式為：

定義L、M、N為曲面上任意點(diǎn)(u，v)處的第二基本量，計(jì)算公式為：

則曲面上任意一點(diǎn)(u，v)法曲率的計(jì)算公式為：

式中稱為曲面的第一基本公式，稱為曲面的第二基本公式，L、M、N，E、F、G都是常數(shù)。

不同葉片型面根據(jù)設(shè)計(jì)要求，并非每個(gè)刀位點(diǎn)處都能獲得直線截交線，但每個(gè)刀位點(diǎn)處都能找到一個(gè)最小法曲率，即主曲率，使接觸輪與葉片型面最大程度的幾何匹配。

設(shè)把它代入上式，則法曲率k_n可表示為：

k_n只是切方向λ的函數(shù)，存在極值，則必即：

(E+2Fλ+Gλ²)(M+Nλ)-(L+2Mλ+Nλ²)(F+Gλ)＝0 (7)

又因?yàn)?/p>

將上式代入(7)式，簡(jiǎn)化后得

(E+Fλ)(M+Nλ)-(L+Mλ)(F+Gλ)＝0 (9)

因此，

由上式可知，k_n取得極值應(yīng)滿足方程組

確定法曲率極值(主曲率)所在密切平面的切線方向λ即為砂輪軸線方向(曲面主方向)。由上式可得

k_i為兩個(gè)主曲率，根據(jù)砂帶磨削性能需求，取絕對(duì)值小的k_i值所確定的r_u、r_v作為刀軸方向。

如果曲面中存在臍點(diǎn)，該臍點(diǎn)處特點(diǎn)為比值L:M:N＝E:F:G，法曲率k_n與λ無(wú)關(guān)，該臍點(diǎn)處的刀軸方向可選取為曲面的r_v方向。

S5：對(duì)接觸輪初始軸向矢量進(jìn)行偏置處理，獲得優(yōu)化后的接觸輪軸向矢量，即為最終的刀軸矢量。

本方案中，具體的偏置處理過(guò)程為：

(5a)過(guò)接觸輪初始軸向矢量k_n起點(diǎn)做垂直于待磨削型面的法矢l，構(gòu)造法矢l與接觸輪軸線矢量k_n的向量積τ；

(5b)以接觸輪軸線矢量k_n為旋轉(zhuǎn)軸線，繞接觸輪軸線矢量k_n起點(diǎn)旋轉(zhuǎn)向量積τ，旋轉(zhuǎn)向量積τ的旋轉(zhuǎn)角度可以為π/4-π/2，優(yōu)選是π/3，更優(yōu)選是π/2，，偏置面法矢l與該向量積τ所確定的平面為旋轉(zhuǎn)平面，得到的旋轉(zhuǎn)后的向量積即為刀位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最終刀軸矢量。

S6：對(duì)優(yōu)化后的接觸輪軸向矢量進(jìn)行去噪處理的步驟，以得到平滑過(guò)渡的接觸輪軸向矢量。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，但凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。