一种叶片砂带磨削数控加工的刀位轨迹规划方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于数控加工中的刀轴控制方法，具体涉及一种叶片砂带磨削数控加工的 刀位轨迹规划方法。
【背景技术】
[0002] 叶片为薄壁类自由曲面，曲率变化剧烈，在经过数控铣削加工过后，还需要抛磨表 面，目前通常采用多轴数控砂带磨床进行表面磨削加工。
[0003] 在叶片砂带磨削中，砂带接触轮与工件表面为线接触，为了提高叶片加工的型面 几何精度和表面质量，需要同时控制接触线的矢量方向与型面法矢方向才能在不破坏叶片 型面轮廓的情况下完成磨削加工，叶片砂带磨削必须在通常的联动方式下再增加一个联动 轴，才能达到较好的磨削效果。
[0004] 现有的多轴联动砂带磨削加工中，刀具轨迹的规划大多是采用等参数线的规划方 式：在待加工曲面对应的参数域中，选择等U参数线或者等V参数线方式规划出一系列的初 始点，并将相邻两条参数线起始点以直线相连，由此即可获得一条连续的参数域的刀具路 径。将参数域刀具路径投影到模型空间就得到了实际的加工轨迹。但是，这种路径存在一 个缺点，即没有充分考虑刀轴方向对加工的影响，常常会因为刀轴位置和方向的原因而发 生干涉、过切，从而影响表面质量，对叶片型面流线造成破坏，影响叶片的性能。
【发明内容】
[0005] 本发明旨在针对现有技术中存在的问题，提出一种叶片砂带磨削数控加工的刀位 轨迹规划方法，其通过对刀具的轴向进行相应控制，从而消除加工中的干涉或过切问题，而 且可以优化加工表面质量，提尚加工广品的性能。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用的具体技术方案为：
[0007] -种叶片砂带磨削数控加工的刀位轨迹规划方法，包括如下步骤：
[0008] (1)生成刀具轨迹导动曲线，计算刀触点；
[0009] 根据加工曲面的几何特征，采用等参数线或者截面线等方式得到初始刀具轨迹导 动曲线，计算刀触点。
[0010] (2)根据初始刀具轨迹计算无干涉的刀位点；
[0011] 通过刀触点P (Px，PY，Pz)计算刀位点0 (0X，0Y，Oz)的公式为：
[0013] 式中，N是叶片曲面上该刀触点的单位法向量MN1, Nj, Nk)，R为刀具半径，kh为考 虑叶片型面接触点因加工精度和加工余量而作的法向调整量。
[0014] (3)根据刀触点的曲面法矢计算砂带支撑轴矢量；
[0015] 砂带支撑轴矢量计算公式为：VN= r，其中，Vn为砂带支撑轴矢量，r为叶片型面法 线矢量。
[0016] (4)计算接触轮轴向矢量；
[0017] 截面线曲率大小反应了砂带接触轮与叶片的贴合程度，通过截面交线的曲率来确 定砂轮轴线方向，即法曲率，计算公式为：
[0019] (5)所有初始刀具轨迹的刀位点构造完成之后，即完成叶片砂带磨削轨迹规划。
[0020] 作为本发明的改进，还可以对接触轮轴向矢量进行去噪处理，得到平滑过渡的接 触轮轴向矢量。
[0021] 作为本发明的改进，所述去噪处理即对脉冲噪声点进行滤除，对于接触轮轴线矢 量噪声点的非起始位置，其具体为：
[0022] 首先统计在该刀位点之前的噪声点个数Jn i，然后计算接触轮轴线矢量Djlj 与接触轮轴线矢量D1+1之间的弦长偏差δ ηι，如果δηι〈#2,则判断接触轮轴线矢量〇1为非 脉冲噪声点；如果δ m>eri，则判断接触轮轴线矢量D1S脉冲噪声点；如果er 2〈 δ ni〈eri，则 计算轴线矢量D1到轴线矢量与D1+2的弦长偏差δ δ ηι，如果δ Sm>eri，则判断轴线矢 量D1S脉冲噪声点；否则，认为轴线矢量D i为非脉冲噪声点。
[0023] 作为本发明的改进，所述去噪处理即对脉冲噪声点进行滤除，对于接触轮轴线矢 量噪声点的初始位置，其具体为：
[0024] 如果δ ^er2，则判断接触轮轴线矢量D1为非脉冲噪声点；如果δ ^er1，则判断接 触轮轴线矢量D1S脉冲噪声点；如果er 2〈 δ ^er1，则计算轴线矢量D1到轴线矢量D 1+1与D 1+2的弦长偏差S S1，如果δ δ Aer1，则判断轴线矢量D1S脉冲噪声点；否则，认为轴线矢量 D1为非脉冲噪声点；
[0025] 其中，弦长偏差 δ $ : δ i = ID「(D1 JD1 J /2 I。
[0026] 本发明在获得初始刀具轨迹几何概念的基础上，首先根据刀触点计算出无干涉的 刀位点，对于每一个刀触点，然后根据刀触点的曲面法矢计算砂带支撑轴矢量，最后根据刀 触点的曲面最小曲率计算接触轮轴线方向矢量，因为计算的砂带轴线矢量可能出现变化大 的情况，故需要对得到的接触轮轴线矢量进行去噪处理，去除脉冲噪声点，从而得到光滑的 刀具轨迹。
[0027] 总体而言，通过本发明具有以下有益效果：
[0028] (1)根据刀触点的曲面法矢和曲面最小曲率分别计算了砂带支撑轴矢量以及接触 轮轴向矢量，从而可以精确控制刀轴，实现对加工质量的提升。
[0029] (2)对接触轮轴线方向矢量进行了去噪处理，去除脉冲噪声点，从而可以进一步优 化加工轨迹，提高加工产品表面质量。
【附图说明】
[0030] 图1为按照本发明实施例所构建的刀具轨迹规划方法的流程示意图；
[0031] 图2(a)为按照本发明实施例所构建的刀具轨迹规划方法中明显非初始噪声点判 断示意图，2(b)为不明显初始噪声起始点判断示意图；
[0032] 图3 (a)为按照本发明实施例所构建的刀具轨迹规划方法明显初始噪声起始点判 断判断示意图，3(b)为不明显初始噪声点判断示意图。
【具体实施方式】
[0033] 以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本 发明，凡是采用本发明的相似方法以及相似变化，均应列入本发明的保护范围。
[0034] 本实施例以六轴联动砂带磨削叶片加工为例进行具体介绍，但本发明的实施并不 限于机床结构，对于其他相似结构的数控机床同样适用。
[0035] (1)根据叶片模型，生成刀具轨迹导动曲线，计算刀触点。
[0036] 常用磨削方式有纵向磨削、横向磨削和螺旋磨削三种，纵向磨削和横向磨削的方 式可以选择曲面参数线来计算刀具导动曲线，也可以选择平面与加工区面求交得到截面线 的方式来计算刀具导动曲线。根据加工工艺需要选择单一或者多种磨削方式共同完成砂带 磨削加工。
[0037] 得到刀具导动曲线，进而即可计算刀触点，即接触轮与被加工曲面的接触点。
[0038] (2)计算砂带接触轮的中心坐标即刀位点；
[0039] 数控砂带磨削加工叶片程序的运动轨迹实际上是接触轮中心轨迹曲线，接触轮 中心点坐标通过接触点沿法向偏置接触轮的半径R得到。如图1所示，P点为刀触点，坐 标为P(px，py，Pz)，〇点为接触轮的中心点，坐标设为〇(〇 x，〇y，Oz)，N是该P点的单位法向量 Nj, Nk)，则0点的坐标为：
[0041] 其中，R为刀具半径，kh为考虑叶片型面接触点因加工精度和加工余量而作的法 向调整量，其可以根据实际情况具体选择。
[0042] (3)计算砂带支撑轴矢量
[0043] 砂带支撑轴是砂带的支撑机构，砂带支撑轴矢量的作用是控制磨削浮动压力的作 用方向。在砂带磨削过程中，接触轮与叶片型面的接触姿态唯一确定，为确保这一姿态不 变，本实施例中砂带支撑轴矢量优选为叶片型面上刀触点的法失方向，即Vn= η。
[0044] 其中，Vn为砂带支撑轴矢量，η为叶片型面单位法线矢量。
[0045] (4)计算接触轮轴线矢量；
[0046] 在砂带磨削过程中，考虑砂带接触轮表面与叶片型面局部几何特性的匹配，在刀 位点处砂带接触轮与叶片型面的贴合程度最高，在无浮动压力下，砂带与工件接触位置理 想状态为线接触，加工过程中保持或者近似保持这种线接触状态，将对叶片加工质量和加 工效率有很大提高。
[0047] 实际上，在叶片型面的每个刀位点处，砂带接触轮可以绕叶片型面法失方向做360 度旋转，从而可以得到一系列曲面截交线。截面线曲率大小反应了砂带接触轮与叶片的贴 合程度，本实施例中优选通过分析截交线曲率来确定接触轮轴线方向。
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