基于整体叶轮叶片形状的精铣变进给速度优化方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于整体叶轮叶片形状的精铣变进给速度优化方法，包括：根据整体叶轮叶片的几何形状，生成基于球头半径为RT的球头刀叶片精加工的刀位轨迹源文件，该刀位轨迹源文件记录有加工坐标系下的刀位点坐标及其对应的刀轴矢量，导入叶轮的单个叶片模型，通过叶片上的点到叶轮中心的距离判断出流道与叶片的交线，提取交线并按照等弦高将该交线离散成W个点，并且这W个点组成点集U，设定叶片的顶端到末端纵深加速比例ω，对步骤（1）中生成的刀位轨迹源文件依次进行逐行读取和解析，以提取（1）中生成的刀位轨迹源文件的全部切削路径的刀位点信息。本发明能够克服现有方法中存在的加工效率低、加工质量差以及刀具磨损严重的技术问题。
【专利说明】基于整体叶轮叶片形状的精铣变进给速度优化方法
【技术领域】
[0001]本发明属于多轴联动数控机械加工领域，更具体地，涉及一种基于整体叶轮叶片形状的精铣变进给速度优化方法。
【背景技术】
[0002]整体叶轮作为高性能复杂曲面零件主要采用多轴联动数控加工制造，其几何结构与曲面形状的复杂性，导致这类零件采用多轴加工时的专用刀具、工艺优化、数控编程和机床运动规划等环节十分复杂，严重制约了多轴数控加工质量与效率，以及高额的成本。导致这些关键基础件的加工能力远远不能满足国家重大工程需求。
[0003]目前，在高性能复杂曲面多轴联动加工领域，由于刀具、工艺、编程以及机床动态特性等方面的问题而导致的零件加工质量差、加工效率低已成为制约其加工效果的关键瓶颈，同时这些问题也造成加工过程稳定性和完整性不好，导致多轴联动机床的加工效能远未得到充分发挥。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于整体叶轮叶片形状的精铣变进给速度优化方法，其目的在于，根据叶轮单个叶片的几何结构及曲面形状特征，来对精铣加工刀位轨迹的进给进行优化，从而克服现有方法中存在的加工效率低、加工质量差以及刀具磨损严重的技术问题。
[0005]为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于整体叶轮叶片形状的精铣变进给速度优化方法，包括以下步骤:
[0006]( I)根据整体叶轮叶片的几何形状，生成基于球头半径为Rt的球头刀叶片精加工的刀位轨迹源文件，该刀位轨迹源文件记录有加工坐标系下的刀位点坐标X，y，z,及其对应的刀轴矢量i，j，k;
[0007]( 2)对步骤(I)中生成的刀位轨迹源文件依次进行逐行读取和解析，以提取(I)中生成的刀位轨迹源文件的全部切削路径的刀位点信息，并获取刀位轨迹源文件中所有切削路径的数量N;
[0008](3)对于所有N条切削路径中的每一条切削路径的进给速度进行优化；具体为:
[0009](3-1)读取每一条切削路径中每一个刀位点信息，包括刀位点坐标[x，y，zr，其中
q表示该条切削路径的第q个刀位点，以及第q个刀位点对应的刀轴矢量其中T表示转置矩阵；
[0010](3-2)根据刀位点信息计算每一条切削路径上的刀位点对应刀触点处的叶片厚度及悬长；
[0011](3-3)获取刀位点基于对应刀触点处叶片厚度优化后的进给速度，并根据该进给速度和该刀位点对应刀触点处的悬长获取该刀位点的最终进给，具体包括以下子步骤:
[0012](3-3-1)获取划分的圆角区内刀触点对应的刀位点的进给速度Flmax,以及平滑区最大厚度处对应的刀位点的进给速度F2max，通过线性插值法得到其余厚度值δω，δΘ2...δΘ3, δρι，δ^..处对应的刀位点的进给速度，并通过这些进给速度得到该条切削路径中每个刀位点基于对应刀触点处叶片厚度优化后的进给速度Fqtl ；
[0013](3-3-2)根据每个刀位点基于对应刀触点处叶片厚度优化后的进给速度Fqtl和该刀位点对应刀触点处的悬长I,获取该刀位点的最终进给F,，具体为:
[0014]Fq= η.Fq0
[0015]其中η是比例系数，且
[0016]
【权利要求】
1.一种基于整体叶轮叶片形状的精铣变进给速度优化方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)根据整体叶轮叶片的几何形状，生成基于球头半径为Rt的球头刀叶片精加工的刀位轨迹源文件，该刀位轨迹源文件记录有加工坐标系下的刀位点坐标X，y，z,及其对应的刀轴矢量i，j，k; (2)对步骤(1)中生成的刀位轨迹源文件依次进行逐行读取和解析，以提取(I)中生成的刀位轨迹源文件的全部切削路径的刀位点信息，并获取刀位轨迹源文件中所有切削路径的数量N ； (3)对于所有N条切削路径中的每一条切削路径的进给速度进行优化；具体为: (3-1)读取每一条切削路径中每一个刀位点信息，包括刀位点坐标[X，y，z] %其中q表示该条切削路径的第q个刀位点，以及第q个刀位点对应的刀轴矢量P I feg，其中T表示转置矩阵； (3-2)根据刀位点信息计算每一条切削路径上的刀位点对应刀触点处的叶片厚度及悬长; (3-3)获取刀位点基于对应刀触点处叶片厚度优化后的进给速度，并根据该进给速度和该刀位点对应刀触点处的悬 长获取该刀位点的最终进给，具体包括以下子步骤: (3-3-1)获取划分的圆角区内刀触点对应的刀位点的进给速度Flmzx,以及平滑区最大厚度处对应的刀位点的进给速度F2max，通过线性插值法得到其余厚度值δω，δ Q2...δ Qs,δΡ1, δ^..处对应的刀位点的进给速度，并通过这些进给速度得到该条切削路径中每个刀位点基于对应刀触点处叶片厚度优化后的进给速度Fqtl ； (3-3-2)根据每个刀位点基于对应刀触点处叶片厚度优化后的进给速度Fqtl和该刀位点对应刀触点处的悬长I,获取该刀位点的最终进给F,，具体为:
Fq = η.Fq0
其中n是比例系数，且
(Imax — Ie J t.) + Ia I| =--—--
^max 其中ω表示叶片的顶端到末端纵深加速比例，且有ω > I ; (3-3-3)重复(3-3-2)步骤，直到得到该条切削路径中所有刀位点的进给速度为止。
2.根据权利要求1所述的精铣变进给速度优化方法，其特征在于，还包括在步骤(1)之后，导入叶轮的单个叶片模型，通过叶片上的点到叶轮中心的距离判断出流道与叶片的交线，提取交线并按照等弦高将该交线离散成W个点，并且这W个点组成点集U。
3.根据权利要求2所述的精铣变进给速度优化方法，其特征在于，步骤(3-2)包括以下子步骤:(3-2-1)计算该条切削路径中每个刀位点对应的刀触点，具体为:根据(3-1)中的刀位点[X，1，z]q以及刀轴矢量P I友]^计算对应的刀心点坐标然后将刀心点 投影在叶片曲面上，即可得到刀触点; (3-2-2)计算该条切削路径中每个刀位点对应刀触点处的叶片厚度；具体为:首先通过计算两个相邻的刀触点之间的距离查找出该刀触点集的四个关键点K1、K2、K3、K4，其中K1与K4之间的连线及K2与K4之间的连线将刀触点形成的封闭曲线分割成四个部分，两端的圆角区及中间的平滑区，然后，计算刀触点K1与K4，K2与K3之间的距离分别为dkl、dk2，则刀触点K1与K4处叶片的厚度均为δ kl=dkl，刀触点K2与K3处叶片的厚度均为δ ^=Clk27K1与K2之间的刀触点为Qs，其中s为K1与K2之间刀触点的总数，K3与K4之间刀触点为P。PfPr，其中r为K3与K4之间刀触点的总数；(3-2-3)计算该条切削路径中每个刀位点对应刀触点处的叶片悬长，具体为计算刀触点到点集U的最短距离Imin，并以此距离作为叶片在该刀触点对应的悬长值lq，且在计算第一个切削路径中的刀位点对应刀触点处的悬长时得到所有刀触点的最大悬长Imax ο
4.根据权利要求3所述的精铣变进给速度优化方法，其特征在于， 若s=r，计算刀触点Q1到刀触点P1的距离Cl1，刀触点Q2到刀触点P2的距离(V..刀触点Qs到刀触点Ps的距离ds ;则刀触点Q1与P1处叶片的厚度S Q1、δ P1均等于Cl1，刀触点Q2与P2处叶片的厚度δ Q2、δ ρ2均等于(V..刀触点Qs与Ps处叶片的厚度δ Qs、δ Ps均等于ds,同时比较各厚度SQ1，
δρι，δ V Sps的大小，以得到该条切削路径中所有刀位点对应刀触点处叶片的最大厚度δ max ; 若s古r,通过K1与K2之间的刀触点Qp QfQs构造三次B样条曲线，并通过等弦高方法在该曲线上离散出r个点Q' 1、Q'P然后再计算点Q' i到刀触AP1的距离d' i，点Q' 2到刀触点己的距离d' 2…点Q' ^到刀触点已的距离cT r，即可得到叶片在K3与K4之间的刀触点Pr对应处的厚度δρ1=(Τ 1； δΡ2 = Cli 2- Spr = Clf r;最后通过线性插值，得到K1与K2之间的刀触点QpQ^hQs处叶片的厚度δ Q1，δ f δ Qs ;同时比较各厚度SQ1，Sq2…SQs，δρ1，δ^..的大小，以得到该条切削路径中所有刀位点对应刀触点处叶片的最大厚度δ_。
5.根据权利要求3所述的精铣变进给速度优化方法，其特征在于， 关键点K1与K4之间的圆角区及K2、K3之间的圆角区内的刀触点对应的刀位点的进给均为Flmax,平滑区最厚度为S max对应的刀位点的进给为F2max ； K1与K2之间的平滑区的刀触点Q1AfQs对应的刀位点的进给速度是通过如下线性差值公式得到:
6.根据权利要求5所述的精铣变进给速度优化方法，其特征在于，当[λ； V,ix,y.,Zfdc的距离远远小于[I .,ζ}Μ?ε到[X, V,zf/c 1的距离时，|x,y,z]^为关键点。
【文档编号】B23Q15/12GK103586738SQ201310610918
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月26日 优先权日:2013年11月26日
【发明者】代星, 鄢龙志, 丁汉, 唐祥武, 张小明, 张家军 申请人:华中科技大学