一种自由曲面叶片最佳直纹包络面生成方法
【专利摘要】本发明公开了一种自由曲面叶片最佳直纹包络面生成方法，首先对叶片进行偏置，并采用先缩短后切向延长的方法进行预处理，得到待包络曲面；然后利用垂直于叶轮或叶盘轴向的若干等距平面截取待包络曲面，得到自由曲面截面线；针对自由曲面截面线，根据其端点连线与自由曲面截面线的位置关系及自由曲面截面线的凹凸性，采用残留余量最大值最小化方法，生成其最佳包络直线；最后以所有最佳包络直线的两端点为型值点，分别生成两条样条曲线，以生成的两条样条曲线为准线，生成自由曲面的最佳直纹包络面。以本发明方法生成的最佳直纹包络面作为刀具驱动面，既能保证加工余量的均匀性，又能避免加工中出现过切现象，显著提高了粗加工效率。
【专利说明】一种自由曲面叶片最佳直纹包络面生成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种自由曲面叶片最佳直纹包络面生成方法，属于数控加工【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着数控加工技术的发展，在航空航天、汽车制造、造船等诸多领域，大量采用了自由曲面类零部件。这些复杂产品的自由曲面类零部件，对其制造技术的要求非常高，尤其像叶片这种多约束的复杂自由曲面，其高效加工技术更是近年来研究的热点与难点。目前对于此类零件的粗加工，采用插铣加工的方法。插铣是一种高效的粗加工方法，加工时刀具沿刀轴方向进给运动，利用底部的切削刃进行钻、铣组合。对于整体叶盘类零件，插铣加工时需要求出叶片的直纹插铣边界，然后在插铣边界内生成插铣刀位轨迹，其涉及到自由曲面叶片直纹包络面的生成。在现有公开的文献《开式整体叶盘四坐标高效开槽插铣工艺方法》及《整体叶轮插铣粗加工算法》中，前者采用基于最小面积原理的直纹包络面生成方法，生成叶片的直纹包络面作为插铣边界，虽然能够保证最大的材料去除量，但加工表面可能会留下不均匀的余量，导致后续半精加工、精加工时余量差异大，影响零件表面加工质量；后者采用基于最小二乘发原则的直纹包络面生成方法，生成叶片的直纹包络面作为插铣边界，虽然能够保证较为均匀的加工余量，但加工过程中可能会产生过切，从而导致后续半精加工、精加工余量不足，严重时甚至导致零件报废。
【发明内容】
[0003]本发明目的是针对叶轮、叶盘类零件的叶片型面粗加工，以加工过程中材料的去除量最大为目的，以加工后叶片表面最大残留余量最小为原则，本发明提出一种基于残留余量最大值最小化的自由曲面叶片最佳直纹包络面生成方法，既要保证余量的均匀性，也要避免加工过程中的过切现象。
[0004]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是包括以下步骤:
[0005]步骤1.对叶片进行预处理；选择通道区域内的叶背面，找出叶背面沿叶盘轴向的最高点和最低点，将叶背面向包络侧偏置生成叶背偏置面，偏置距离为加工所用的刀具半径加上粗加工余量，粗加工余量取0.3?1.5mm ;然后，将叶背偏置面缩短至叶背面与前、后橼连接处，去掉橼头部分，沿切向延长叶背偏置面，直到叶背偏置面的上边界线所有点高于最高点，叶背偏置面的下边界线所有点低于最低点，得到待包络曲面，即为将要直纹包络的自由曲面；
[0006]步骤2.沿叶盘轴向在最高点与最低点之间划分η等距离点，其中，划分的η个等距离点包括最高点和最低点，且η为大于或等于10的整数；过这η个等距离点作垂直于叶盘轴向的η个等距平面，等距平面与待包络曲面的η条交线即为所要包络的自由曲面截面线.[0007]步骤3.自由曲面截面线为三次或三次以上的样条曲线，其中，η次样条曲线在节点处η-l次连续；连接自由曲面截面线两端点得到端点连线，在端点连线所在等距平面内，使端点连线与X轴重合，以靠近叶根的端点为原点，指向叶尖的方向为X轴正方向，垂直于X轴并指向包络侧的方向为y轴正方向，建立直角坐标系；根据端点连线与自由曲面截面线的位置关系及自由曲面截面线的凹凸性，分三种不同情况，按照最大残留余量最小的原则生成自由曲面截面线的最佳包络直线:
[0008]1.当端点连线位于自由曲面截面线的包络侧，即自由曲面截面线上所有点的纵坐标都小于或等于端点连线上所有点的纵坐标时，则该端点连线即为所求的最佳包络直线；
[0009]2..当端点连线未在自由曲面截面线的包络侧，且自由曲面截面线为单凸时，自由曲面截面线上存在纵坐标大于端点连线上对应点的纵坐标的点，且自由曲面截面线上所有点的二阶导数大于零；对于自由曲面截面线最佳包络直线的具体生成过程如下:
[0010]( I)在自由曲面截面线上按照精度要求等弧长离散k个点，过这k个点中的每一点作自由曲面截面线的切线，得到k条切线；
[0011](2)在切线上按照精度要求等距离离散m个点；
[0012](3)求切线上离散点与自由曲面截面线上对应点之间的纵坐标之差，判断纵坐标之差是否大于或等于零，若纵坐标之差大于或等于零则进入(4);若纵坐标之差小于零，则舍弃该条切线进入(2)，继续下一条切线；
[0013](4)重复(3)，直到求出切线上所有离散点与自由曲面截面线上对应的点之间的纵坐标之差；
[0014](5)求出上述所有离散点对应的纵坐标之差中的最大值，并记为该切线所对应的纵坐标之差的最大值；
[0015](6)重复⑵?(5)，直到求出所有切线所对应的纵坐标之差的最大值；
[0016](7)求出上述所有切线对应的纵坐标之差的最大值中的最小值；
[0017](8)在自由曲面截面线上加密离散点，重复⑴?(7)进行多次迭代，直到最小值无明显改善或k值足够大时，终止迭代，则最后一次迭代得到的切线即为所求的最佳包络直线；
[0018]3.当端点连线未在自由曲面截面线的包络侧，且自由曲面截面线不为单凸时，自由曲面截面线上存在纵坐标大于端点连线上对应点的纵坐标的点，且自由曲面截面线上存在二阶导数不大于零的点；可先求出最佳包络直线的生成区域简化后续计算量，即先从两端点向自由曲面截面线作切线，则自由曲面截面线上两切点之间的区域即为最佳包络直线的生成区域，在该区域上按照2中的方法即可生成自由曲面截面线的最佳包络直线；
[0019]步骤4.按照步骤3所述的方法生成所有自由曲面截面线的最佳包络直线后，以这些直线的两端点为型值点，分别构造直纹面的两条准线生成直纹面，则直纹面即为所求的最佳直纹包络面。
[0020]有益效果
[0021]本发明自由曲面叶片最佳直纹包络面生成方法，首先对叶片进行偏置，并采用先缩短后切向延长的方法进行预处理，得到待包络曲面；然后利用垂直于叶轮或叶盘轴向的若干等距平面截取待包络曲面，得到自由曲面截面线；针对每一自由曲面截面线，根据其端点连线与自由曲面截面线的位置关系及自由曲面截面线的凹凸性，分三种不同情况，采用残留余量最大值最小化方法，生成其最佳包络直线；最后，以所有最佳包络直线的两端点为型值点，分别生成两条样条曲线，再以生成的两条样条曲线为准线，生成自由曲面的最佳直纹包络面。以本发明方法生成的最佳直纹包络面作为刀具驱动面，既可保证加工余量的均匀性，又能够避免加工中出现过切现象，从而在保证余量均匀且不产生过切的情况下最大限度地切除材料，显著提高了粗加工效率。本发明直纹包络面生成方法也适用于叶盆面及其它自由曲面的最佳直纹包络面的生成，从而有效地解决多约束复杂自由曲面类零件的高效粗加工问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]下面结合附图和实施方式对本发明一种自由曲面叶片最佳直纹包络面生成方法作进一步的详细说明。
[0023]图1为本发明自由曲面叶片最佳直纹包络面生成方法流程图。
[0024]图2为开式整体叶盘部分结构示意图。
[0025]图3为叶背面预处理示意图。
[0026]图4为自由曲面截面线的生成示意图。
[0027]图5为端点连线位于自由曲面截面线的包络侧时最佳包络直线的生成过程。
[0028]图6为自由曲面截面线为单凸时最佳包络直线的生成过程。
[0029]图7为自由曲面截面线为非单凸时最佳包络直线的生成过程。
[0030]图8为最佳直纹包络面的生成示意图。
[0031]图中:
[0032]1.叶背面2.叶盆面3.轮毂面4.后橼5.前橼6.叶根线7.叶尖线【具体实施方式】
[0033]本实施例是针对叶轮叶盘类零件的叶片型面四坐标插铣粗加工，提供了一种自由曲面叶片最佳直纹包络面生成方法。
[0034]参阅图1、图2，应用自由曲面叶片最佳直纹包络面生成方法对某型航空发动机开式整体叶盘的叶片进行最佳直纹包络面的生成。开式整体叶盘包括叶背面1、叶盆面2、轮毂面3、后橼4、前橼5、叶根线6、叶尖线7，其中相关的参数为:叶盘直径为550mm，叶片长度为88mm，刀具直径为12mm。其叶背面I的最佳直纹包络面生成过程包括以下步骤:
[0035]第一步，针对叶背面I进行预处理:选择通道区域内的叶背面1，找出叶背面I沿叶盘轴向的最高点和最低点，将叶背面I向包络侧偏置生成叶背偏置面，偏置距离为加工所用的刀具半径加上粗加工余量，粗加工余量取0.3?1.5mm ;然后，将叶背偏置面缩短至叶背面I与前橼5、后橼4连接处,去掉橼头部分,沿切向延长叶背偏置面,直到叶背偏置面的上边界线所有点高于最高点，叶背偏置面的下边界线所有点低于最低点，得到待包络曲面，待包络曲面即为将要直纹包络的自由曲面，如图3所示；
[0036]第二步，生成待包络曲面的自由曲面截面线，其生成规则是:根据插铣行距，沿叶盘轴向在最高点与最低点之间划分10等距离点，其中，划分的10个等距离点包括最高点和最低点，过这10个等距离点作垂直于叶盘轴向的10个等距平面，等距平面与待包络曲面的10条交线即为所要包络的自由曲面截面线，如图4所示；
[0037]第三步，自由曲面截面线为三次或三次以上样条曲线，其中，η次样条曲线在节点处η-l次连续。连接自由曲面截面线两端点得到端点连线，在端点连线所在的等距平面内，使端点连线与X轴重合，以靠近叶根的端点为原点，指向叶尖的方向为X轴正方向，垂直于X轴并指向包络侧的方向为y轴正方向，建立直角坐标系。根据端点连线与自由曲面截面线的位置关系及自由曲面截面线的凹凸性，分三种不同情况求取最佳包络直线。
[0038]1.当端点连线位于自由曲面截面线的包络侧，即自由曲面截面线上所有点的纵坐标都小于或等于端点连线上所有点的纵坐标时，则该端点连线即为所求的最佳包络直线，如图5所示。
[0039]2.当端点连线未在自由曲面截面线的包络侧，且自由曲面截面线为单凸，即自由曲面截面线上存在纵坐标大于端点连线上所有点的纵坐标的点，且自由曲面截面线上所有点的二阶导数大于零，如图6所示。对于这种情况下的自由曲面截面线最佳包络直线的具体生成过程如下:
[0040]( I)在自由曲面截面线上按照精度要求离散k个点，过这k个点中的每一点作自由曲面截面线的切线Ii (1=1, 2，…，k);
[0041](2)在切线IiQ=I)上按照精度要求离散m个点Μj(j=1，2，..，，m)；
[0042](3)求％(]_=1)与自由曲面截面线上对应的点之间的纵坐标之差Ayij:若Δyij≥O, j=j+l，进入(4);若Δyij〈0，则舍弃切线1i, i=i+l，转入(2)；
[0043](4)判断j与m的大小:若j>m,则进入(5);若j ≤m，则转入(3)；
[0044](5)求出Δ Yij (j=l, 2，...m)中的最大值并记为(Δ Υ?)ΜΧ,即(Λ Yi)max=max { Δ yi；1, Δ yi；2,...，Δ yi；m}，i=i+l ；
[0045](6)判断i与k的大小:若i>k，则进入(7);若i≤k，则转入(2)；
[0046](7)求出(Δ yi)max(i=l, 2,..., k)中的最小值并记为 Δ y,即 Δ y=min {( Δ y1)
max) ( △ ymax)...，( △ Yk) max};
[0047](8)在自由曲面截面线上加密离散点，重复⑴~(7)进行多次迭代，直到Ay无明显改善或k值足够大时，终止迭代，将最后一次迭代得到的切线记为L，则L即为所求的最佳包络直线。
[0048]3.当端点连线未在自由曲面截面线的包络侧，且自由曲面截面线不为单凸时，即自由曲面截面线上存在纵坐标大于端点连线上对应点的纵坐标的点，且自由曲面截面线上存在二阶导数不大于零的点，如图7所示。对于这种情况，可先求出最佳包络直线的生成区域，以简化后续计算量，即先从两端点向自由曲面截面线作切线，记切点分别为P、Q，则曲线PQ即为最佳包络直线的生成区域，在该区域上按照2中的方法即可生成自由曲面截面线的最佳包络直线。
[0049]第四步，按照上述的方法生成所有自由曲面截面线的最佳包络直线后，以这些最佳包络直线的两端点为型值点，构造直纹面的两条准线生成直纹面，直纹面即为所求的最佳直纹包络面，如图8所示。
[0050]以生成的最佳直纹包络面作为开式整体叶盘通道四坐标开槽粗加工中刀具的驱动面，从而生成通道开槽粗加工刀位轨迹，既可保证加工余量的均匀性，又能够避免加工中出现过切现象，在保证余量均匀且不产生过切的情况下最大限度地切除材料。本发明自由曲面叶片最佳直纹包络面生成方法可广泛应用于叶轮、叶盘等自由曲面类零件的数控加工中。
【权利要求】
1.一种自由曲面叶片最佳直纹包络面生成方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤1.对叶片进行预处理；选择通道区域内的叶背面，找出叶背面沿叶盘轴向的最高点和最低点，将叶背面向包络侧偏置生成叶背偏置面，偏置距离为加工所用的刀具半径加上粗加工余量，粗加工余量取0.3~1.5mm ;然后，将叶背偏置面缩短至叶背面与前、后橼连接处，去掉橼头部分，沿切向延长叶背偏置面，直到叶背偏置面的上边界线所有点高于最高点，叶背偏置面的下边界线所有点低于最低点，得到待包络曲面，即为将要直纹包络的自由曲面； 步骤2.沿叶盘轴向在最高点与最低点之间划分η等距离点，其中，划分的η个等距离点包括最高点和最低点，且η为大于或等于10的整数；过这η个等距离点作垂直于叶盘轴向的η个等距平面，等距平面与待包络曲面的η条交线即为所要包络的自由曲面截面线； 步骤3.自由曲面截面线为三次或三次以上的样条曲线，其中，η次样条曲线在节点处η-1次连续；连接自由曲面截面线两端点得到端点连线，在端点连线所在等距平面内，使端点连线与X轴重合，以靠近叶根的端点为原点，指向叶尖的方向为X轴正方向，垂直于X轴并指向包络侧的方向为y轴正方向，建立直角坐标系；根据端点连线与自由曲面截面线的位置关系及自由曲面截面线的凹凸性，分三种不同情况，按照最大残留余量最小的原则生成自由曲面截面线的最佳包络直线: A.当端点连线位于自由曲面截面线的包络侧，即自由曲面截面线上所有点的纵坐标都小于或等于端点连线上所有点的纵坐标时，则该端点连线即为所求的最佳包络直线； B..当端点连线未在自由曲面截面线的包络侧，且自由曲面截面线为单凸时，自由曲面截面线上存在纵坐标大于端点连线上对应点的纵坐标的点，且自由曲面截面线上所有点的二阶导数大于零；对于自由曲面截面线最佳包络直线的具体生成过程如下: (1)在自由曲面截面线上按照精度要求等弧长离散k个点，过这k个点中的每一点作自由曲面截面线的切线，得到k条切线； (2)在切线上按照精度要求等距离离散m个点； (3)求切线上离散点与自由曲面截面线上对应点之间的纵坐标之差，判断纵坐标之差是否大于或等于零，若纵坐标之差大于或等于零则进入(4);若纵坐标之差小于零，则舍弃该条切线进入(2)，继续下一条切线； (4)重复(3)，直到求出切线上所有离散点与自由曲面截面线上对应的点之间的纵坐标之差； (5)求出上述所有离散点对应的纵坐标之差中的最大值，并记为该切线所对应的纵坐标之差的最大值； (6)重复(2)~(5)，直到求出所有切线所对应的纵坐标之差的最大值； (7)求出上述所有切线对应的纵坐标之差的最大值中的最小值； (8)在自由曲面截面线上加密离散点，重复(I)~(7)进行多次迭代，直到最小值无明显改善或k值足够大时，终止迭代，则最后一次迭代得到的切线即为所求的最佳包络直线； C.当端点连线未在自由曲面截面线的包络侧，且自由曲面截面线不为单凸时，自由曲面截面线上存在纵坐标大于端点连线上对应点的纵坐标的点，且自由曲面截面线上存在二阶导数不大于零的点；可先求出最佳包络直线的生成区域简化后续计算量，即先从两端点向自由曲面截面线作切线，则自由曲面截面线上两切点之间的区域即为最佳包络直线的生成区域，在该区域上按照2中的方法即可生成自由曲面截面线的最佳包络直线； 步骤4.按照步骤3所述的方法生成所有自由曲面截面线的最佳包络直线后，以这些直线的两端点为型值点，分别构造直纹面的两条准线生成直纹面，则直纹面即为所求的最佳直纹包络面。`
【文档编号】G05B19/19GK103513606SQ201310289369
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年7月9日 优先权日:2013年7月9日
【发明者】任军学, 林谦, 李祥宇, 曾婧雯, 李珊珊, 杨俊 , 祝起凡 申请人:西北工业大学