航空发动机机匣零件铣削毛坯自动生成方法
【专利摘要】一种航空发动机机匣零件铣削毛坯自动生成方法，其特征是首先对航空发动机机匣零件进行特征识别，得到机匣零件特征的几何信息；然后进行机匣和凸台轮廓信息提取，得到机匣和凸台的回转轮廓；根据机匣铣削所需余量和车削刀具宽度等工艺信息，对凸台轮廓进行偏置和合并，得到广义凸台轮廓；再根据机匣回转轮廓和广义凸台轮廓搜索机匣毛坯轮廓，并根据机匣车削刀具圆角信息，对轮廓凹连接的转折处设置圆角过渡，构建出机匣零件铣削毛坯回转轮廓线，自动生成机匣铣削毛坯。本发明能够自动、正确地生成航空发动机机匣铣削毛坯，生成效率高、可靠性强。
【专利说明】航空发动机机匣零件钱削毛坯自动生成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种CAD/CAM技术，尤其是一种航空发动机机匣机械数控加工技术，具体地说是一种航空发动机机匣零件铣削毛坯自动生成方法。
【背景技术】
[0002]CAD、CAPP, CAM系统分别在现代产品设计、工艺设计和数控编程方面发挥了很大的作用。在完成产品设计后进入工艺设计阶段时，往往需要根据产品零件模型反求零件的毛坯模型，作为零件工艺设计的基础。但现有的CAD、CAM软件不能自动生成某一加工工序的毛坯，如某步工序采用与前步不同的工艺，加工只对零件的局部进行时，要得到局部加工的毛坯，只能通过手工建模的方法。考虑前后两步的加工工艺，自动获得当前工序毛坯，在CAD、CAM集成中具有非常重要的意义。
[0003]机匣是航空发动机的重要零件之一，是整个航空发动机的“基座”:其内部是主轴和叶片，外部连接各种附件，包括油管、冷却管、控制系统等，对强度和精度的要求都很高。机匣结构上是以回转轮毂面为主体的圆环结构，周向分布柱状岛屿凸台，零件最薄处仅为2-3mm厚，属多岛屿复杂薄壁结构件。
[0004]在机匣的数控加工中，其表面凸台的成形往往采用铣削的方法，机匣铣削前的过渡毛坯通常为车削后的回转件。在铣削加工编程前，需要根据机匣零件模型构建机匣的铣削毛坯。目前构建机匣铣削毛坯主要靠工艺人员手工完成，建模过程复杂，耗时长，而且铣削所需余量的设置有很大的随意性。对一层凸台的尺寸不完全相同的情况，往往通过人眼观察或简单测量的方法确定回转草图的最大尺寸，并需要进行多次测量或修改，以保证合理的偏置余量，过程繁琐，效率低下。
[0005]特征是加工工艺知识和经验的载体，能够有效继承加工工艺知识和经验，基于特征可以实现快速高效的工艺规划。特征识别技术是产品设计与工艺设计之间的桥梁，目前特征识别技术根据发动机机匣加工的工艺特点，将航空发动机机匣零件加工特征总结为机匣环形槽和环形槽凸台，基于种子面扩展的方法，对机匣零件环形槽和凸台特征进行高效识别，获得工艺决策的有效信息。航空发动机机匣特征识别技术，为航空发动机机匣零件铣削毛坯的自动生成奠定了基础。
[0006]本发明公开了一种航空发动机机匣零件统削毛还自动生成方法，属于CAD/CAM领域。该方法首先对航空发动机机匣零件进行特征识别，或直接读取机匣零件的特征信息，得到机匣零件特征的几何信息；然后进行机匣和凸台轮廓信息提取，得到机匣和凸台的回转轮廓；根据机匣铣削所需余量和车削刀具宽度等工艺信息，对凸台轮廓进行偏置和合并，得到广义凸台轮廓；再根据机匣回转轮廓和广义凸台轮廓搜索机匣毛坯轮廓，并根据机匣车削刀具圆角信息，对轮廓凹连接的转折处设置圆角过渡，构建出机匣零件铣削毛坯回转轮廓线，自动生成机匣铣削毛坯。该方法能够自动、正确地生成航空发动机机匣铣削毛坯，有效解决传统毛坯构建操作繁琐、经验依赖性强的缺点，并且可以精确设置车削刀具圆角和铣削所需余量等工艺参数，生成效率高、可靠性强，生成的毛坯既可以作为车削加工的最终零件模型，又可作为铣削的初始毛坯，在实际生产中具有重要的意义。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是针对目前航空发动机机匣零件铣削毛坯模型构建效率低、精确性差的缺陷的问题，发明一种基于特征技术的航空发动机机匣零件铣削毛坯自动生成的方法。
[0008]本发明的技术方案是:
一种航空发动机机匣零件铣削毛坯自动生成的方法，其特征是它包括以下步骤:
步骤1，识别或读取机匣特征，获得机匣的面几何信息；
步骤2，创建机匣回转轴线和草图平面，提取机匣轮廓线；
步骤3，提取凸台回转轮廓线，将其旋转到草图平面，并按铣削所需余量进行偏置；
步骤4，根据车削刀具宽度，合并相邻凸台轮廓之间的距离小于刀具宽度的凸台轮廓，得到广义凸台轮廓；
步骤5，根据机匣轮廓线和广义凸台轮廓线，搜索机匣毛坯外轮廓，并按车削刀具圆角信息，在轮廓凹连接的转折处设置圆角过渡，得到机匣毛坯草图轮廓；
步骤6，以机匣毛坯草图轮廓生成回转体，得到机匣铣削毛坯；
所述的创建机匣回转轴线和草图平面，提取机匣轮廓线的方法为:
提取一个机匣环形槽底面的回转轴线，作为机匣轴线，以机匣轴线与该环形槽底面上的一点创建平面，作为机匣毛坯的草图平面，草图平面与机匣面求交得到机匣轮廓线。
[0009]所述的提取凸台回转轮廓线的方法包括如下步骤:
1)提取顶面和侧面的方向线。以凸台顶面中心点与机匣轴线作平面，作为凸台交平面，凸台交平面与凸台顶面和侧面相交，交线分别为顶面方向线和侧面方向线；
2)提取凸台顶面和侧面轮廓控制点。用二分法对凸台顶面外环边进行离散，得到凸台顶面外环边的特征点，将凸台顶面外环边特征点旋转到凸台交平面，找出到顶面方向线垂直距离最大的点作为顶面轮廓控制点，找出到顶面中心点沿顶面方向线距离最大的点，作为凸台侧面轮廓控制点；
3)以顶面轮廓控制点为起点，以顶面方向线为方向，侧面轮廓控制点到顶面中心点沿顶面方向线的距离为长度向两边延伸作直线为顶面最大轮廓线；以顶面最大轮廓线的两端点为起点，侧面方向线为方向，作两直线与机匣环形槽底面相交，两直线即为侧面最大轮廓线，顶面和侧面最大轮廓线的组合即为凸台回转轮廓线。
[0010]所述的根据车削刀具宽度，合并相邻凸台轮廓之间的距离小于刀具宽度的凸台轮廓，得到广义凸台轮廓的方法为:
两两比较草图平面上凸台轮廓顶线和侧线的端点坐标，若两条线端点两两重合，则删除一条重合线；若两条线端点都不重合，且某两个端点距离小于车削刀具宽度的工艺要求，则作直线连接两个端点，所作直线作为轮廓的一部分加入凸台轮廓线中。去掉重合线，加入连接直线后的凸台轮廓线组合，即为广义凸台轮廓。
[0011]所述的根据机匣轮廓线和广义凸台轮廓线，搜索机匣毛坯外轮廓，并按车削刀具圆角信息，在轮廓凹连接的转折处设置圆角过渡，得到机匣毛坯草图轮廓的方法包括如下步骤: 1)将广义凸台轮廓线与机匣轮廓线以轮廓分支点分解，得到分解轮廓线；
2)沿逆时针方向对分解轮廓线进行搜索。具体方法为，以与机匣外轮廓上端点相连的轮廓边为起始边，设为当前轮廓边，找到与当前轮廓边逆时针前进方向端点相连的边，求出其与当前轮廓边的逆时针夹角，夹角最小的边即为外轮廓边，将其设为下一轮搜索的当前边；若最小夹角小于180度，则前后两外轮廓边之间为凹连接，在两边之间按车削刀具圆角信息设置圆角过渡，圆角线作为外轮廓的一部分存储，如此循环，直到当前边与机匣外轮廓下端点相连，搜索结束，得到机匣毛坯外轮廓。
[0012]本发明的有益效果是:
本发明能够根据机匣特征自动、正确地生成航空发动机机匣铣削毛坯，有效解决了传统毛坯构建操作繁琐、经验依赖性强的缺点，并且可以精确设置车削刀具圆角和铣削所需余量等工艺参数，具有生成效率高、可靠性强的优点，生成的毛坯既可以作为车削加工的最终零件模型，又可作为铣削的初始毛坯，在实际生产中具有重要的意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本发明的航空发动机机匣零件铣削毛坯自动生成方法流程图。
[0014]图2为本发明的航空发动机机匣整体外形和特征定义示意图。图中A为环形槽顶面，B为环形槽侧面，C为环形槽底角面，D为环形槽底面，E为机匣端面，F为机匣内表面，TF为凸台顶面，SF为凸台侧面，CF为凸台底角面。
[0015]图3为本发明的航空发动机机匣轮廓提取示意图。图中CA为机匣轴线，SP为草图平面，COL为机匣外轮廓，CIL为机匣内轮廓。
[0016]图4为本发明的凸台轮廓提取示意图。图中:a为凸台轮廓示意图，其中MP为凸台顶面中心点，IP为凸台交平面，TL为凸台顶面方向线，SL为凸台侧面方向线，FP为凸台顶面外环边特征点，TML为凸台顶面最大轮廓线，SML为凸台侧面最大轮廓线。b为凸台顶面外环边特征点旋转到凸台交平面示意图，其中TCP为凸台顶面轮廓控制点，SCP1、SCP2为凸台侧面轮廓控制点，Dsl为SCPl到MP的距离，Ds2为SCP2到MP的距离；c为凸台轮廓线旋转和偏置示意图，其中SPL为凸台草图轮廓线，BPL为凸台偏置轮廓线。
[0017]图5为本发明用二分法对凸台顶面外环边进行离散的流程图。
[0018]图6为本发明获取广义凸台轮廓的流程图。
[0019]图7为本发明的广义凸台轮廓的示意图。图中CSL为机匣环形槽侧面与草图平面的交线，Cline为连接不同凸台轮廓的直线，COL为机匣外轮廓线，CIL为机匣内轮廓线，EBL为广义凸台轮廓。
[0020]图8为本发明的广义凸台轮廓和机匣外轮廓按路径分支点分解的流程图。
[0021]图9为本发明的最小夹角法逆时针搜索机匣毛坯外轮廓的流程图。
[0022]图10为本发明搜索机匣毛坯外轮廓的示意图。其中:图1Oa为分解后的广义凸台轮廓和机匣外轮廓，其中CPT为轮廓路径分支点，DPL为轮廓分界线，UEP为搜索起点，即机匣外轮廓上端点，SD为分支点处轮廓选择的方向。图1Ob为搜索得到的机匣毛坯外轮廓，其中CRL为轮廓凹连接转折处圆角过渡线，CBO为得到的机匣毛坯外轮廓。图1Oc为支点处逆时针最小夹角法路径选择原理图，其中MO为当前轮廓路径，路径1、2、3为三个分支路径，3’为圆弧路径3的切线方向，Z Α0Β, Z AOC、Z AOD分别为三个分支路径与当前轮廓路径的夹角。
[0023]图11为本发明的机匣毛坯轮廓示意图。图中CSP为机匣毛坯轮廓。
[0024]图12为本发明的机匣零件铣削毛坯的最终效果图。
【具体实施方式】
[0025]下面是结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0026]一种基于特征的航空发动机机匣铣削毛坯自动生成方法，其流程如图1所示，它包含以下各步骤:
1、识别或读取机匣特征，获得机匣的面几何信息。
[0027]通过识别或读取机匣特征，得到机匣的面几何信息，如图2所示，图2中A为环形槽顶面、B为环形槽侧面，C为环形槽底角面、D为环形槽底面，E为机匣端面，F为机匣内表面；CF为凸台底角面，SF为凸台侧面，TF为凸台顶面。航空发动机机匣特征的具体定义与识别方法可参见申请号为201410188103.5，发明名称为“航空发动机机匣特征识别方法”的中国专利。
[0028]2、提取机匣轴线，创建草图平面，提取机匣轮廓线。
[0029]提取任一机匣环形槽底面的回转轴线，作为机匣的轴线，如图3中CA所示。过机匣轴线和机匣环形槽底面上的一点创建一个平面，作为草图平面，如图3中SP所示。草图平面与机匣内表面相交，得到机匣内轮廓线，如图3中CIL所示，草图平面与机匣端面、机匣环形槽顶面、侧面、底角面、底面相交，得到机匣外轮廓线，如图3中COL所示。
[0030]3、提取凸台的回转轮廓线，将凸台回转轮廓线旋转到草图平面，得到草图轮廓线，将草图轮廓线按工艺要求进行偏置。
[0031]I)提取顶面和侧面的方向线。以凸台顶面中心点(图4a中MP所示)与机匣轴线作平面IP，IP与凸台顶面和侧面相交，得到顶面方向线和侧面方向线，如图4a中TL、SL所示，顶面和侧面方向线代表凸台顶面和侧面相对机匣的方向。
[0032]2)用二分法以一定精度e(e=0.05-0.10mm)对凸台顶面外环边进行离散，得到凸台顶面外环边的特征点。流程图如图5所示，获取顶面外环的所有边，存入边列表EdgeList，将所有边的端点存入离散点列表PointList，对边列表EdgeList中每条边，若端点距离大于离散精度e，则提取边的中点，存入PointList中，然后将这条边从中点处分成两段EdgeU Edge2存入EdgeList列表,将当前边从EdgeList中删除,将EdgeList中下一条边设为当前边；若当前边两端点的距离小于离散精度e，则直接转到下一条边，如此循环，直到EdgeList中所有边端点距离都小于离散精度e，PointList中的点即为凸台顶面外环边的特征点，如图4a中FP所示。离散精度e越小，得到离散点的数目越多，离散越精细，e的取值可通过交互界面由工艺人员设定。
[0033]3)将凸台顶面外环边特征点旋转到平面IP，如图4b所示，找出到顶面方向线TL垂直距离最大的点作为凸台顶面轮廓控制点，如图4b中TCP所示；找出到顶面中心点MP沿顶面方向线TL距离最大的点，作为凸台侧面轮廓控制点，如图4b中SCP1、SCP2所示，SCP1、SCP2到顶面中心点沿顶面方向线的距离分别为Dsl、Ds2。
[0034]4)以顶面轮廓控制点TCP为起点，以顶面方向线TL为方向，Dsl、Ds2为距离向两边延伸作直线为顶面最大轮廓线，如图4a中TML所示；以TML的两端点为起点,侧面方向线SL为方向，作两直线与机匣环形槽底面相交，得到侧面最大轮廓线，如图4a中SML所示。凸台顶面和侧面最大轮廓线的组合即为凸台回转轮廓线。
[0035]5)将顶面最大轮廓线与侧面最大轮廓线旋转到草图平面，得到凸台草图轮廓线，如图4c中SPL所示。
[0036]6)将凸台草图轮廓线SPL，按交互界面用户输入的铣削所需余量值进行等距偏置，得到凸台偏置轮廓线，如图4c中BPL所示，将凸台偏置轮廓线存入列表LayerEdge中。
[0037]4、去掉草图平面中重合的凸台轮廓线，将层与层之间距离过小的轮廓线合并，得到广义凸台轮廓线。
[0038]由于一层凸台中往往含有多个几何形状完全相同的凸台，草图平面上有多条重合的偏置轮廓线，本步骤通过比较轮廓线的端点坐标将重复的线去掉，同时将层与层之间距离过小的轮廓线合并，得到广义凸台轮廓线，流程图如图6所示。将机匣环形槽侧面与草图平面的交线(如图7中CSL所示)加入LayerEdge中,用以判断凸台偏置轮廓与机匣环形槽侧面的距离。对LayerEdge中的边两两比较，若两条边端点两两重合，则将两条边的后一条从LayerEdge中删除；若两条边端点都不重合，且端点距离小于交互界面用户输入的车削刀具宽度的要求，则作直线CLine将两个端点连接，如图7中Cline所示，Cline存储到LayerEdge中。最后得到的LayerEdge中的边的组合即为广义凸台轮廓线，如图7中EBL所示(机匣内外轮廓线CIL、C0L之外的部分)。
[0039]5、将广义凸台轮廓线与机匣外轮廓线以轮廓分支点分解，得到分解轮廓线。
[0040]机匣外轮廓线COL存入LayerEdge中，对LayerEdge中的边进行分解,流程图如图8所示。对LayerEdge中的每条边与LayerEdge中其他边求交,若交元素为点则将其存储到CutPoint列表中，若交元素为线段,贝U取交元素的端点，存储到CutPoint列表中，CutPoint中的点即为轮廓分支点，如图1Oa中CPT所示；当前边与所有其他边求交后，若CutPoint中元素个数不为0，则用CutPoint中的点分割当前边，得到的多段边存储到CutEdge中；对LayerEdge中所有边分解完成后，CutEdge中的边即为分解轮廓线，如图1Oa中DPL所示。
[0041]6、沿逆时针搜索机匣毛坯外轮廓，同时在凹连接的机匣毛坯外轮廓边之间按车削工艺要求设置圆角过渡，得到机匣毛坯外轮廓；机匣毛坯外轮廓与机匣内轮廓合并，得到机匣毛坯草图轮廓。
[0042]沿逆时针搜索机匣毛坯外轮廓的流程图如图9所示:
O以机匣外轮廓的上端点(如图1Oa中UEP所示)为搜索起点，遍历CutEdge列表，找到与起点相连的边设置为当前边Pedge,将Pedge从CutEdge列表中删除,遍历CutEdge列表，找到与Pedge相连的边。
[0043]2)按最小夹角法选择多分支路径。最小夹角法多分支路径的选择方法如图1Oc所示，MO为已经确定的当前轮廓路径，沿着MO方向(逆时针前进)在O点遇到3条分支路径，路径1、路径2、路径3，选择其中一条路径作为新一轮搜索的轮廓路径；三条路径与当前轮廓MO的逆时针夹角分别为Z A0B、Z A0C、Z AOD (圆弧路径3的方向用切线3’代替)；Z AOB最小，选择对应路径I为新的轮廓路径继续搜索。机匣外轮廓在分支点的路径选择如图1Oa中方向SD所示。按所述路径选择方法,从与Pedge相连的边中找出与Pedge逆时针夹角最小的边Medge,将与Pedge相连的边从CutEdge列表中移除。
[0044]3)若Pedge与Medge的逆时针夹角小于180度,则Pedge与Medge之间为凹连接，按交互界面用户输入的车削刀具圆角的要求在两边间生成圆角过渡线Corner,如图1Ob中CRL所示,将Corner和Pedge存入Profile列表；若Pedge与Medge逆时针夹角大于180度，则直接把Pedge存入Profile列表。
[0045]4)将Medge设为新的当前轮廓Pedge,判断Pedge是否与终止点(机匣外轮廓的下端点)相连，若相连，将Pedge存入Profile列表，搜索结束；若不相连，则返回步骤2)继续搜索，直到搜索结束。得到的Profile列表中的边的组合即为机匣毛坯外轮廓，如图1Ob中CBO所示。
[0046]5)将机匣毛坯外轮廓与机匣内轮廓合并，得到封闭轮廓，即为机匣毛坯草图轮廓，如图11中CSP所示。
[0047]7、以机匣草图轮廓生成回转体，得到机匣铣削毛坯。
[0048]以机匣轴线CA (见图3)为旋转轴，以机匣毛坯草图轮廓(图11)生成回转体，得到航空发动机机匣零件铣削毛坯，最终效果如图12所示。
[0049]本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
【权利要求】
1.一种航空发动机机匣零件铣削毛坯自动生成的方法，其特征是它包括以下步骤: 步骤1，识别或读取机匣特征，获得机匣的面几何信息； 步骤2，创建机匣回转轴线和草图平面，提取机匣轮廓线； 步骤3，提取凸台回转轮廓线，将其旋转到草图平面，并按铣削所需余量进行偏置； 步骤4，根据车削刀具宽度，合并相邻凸台轮廓之间的距离小于刀具宽度的凸台轮廓，得到广义凸台轮廓； 步骤5，根据机匣轮廓线和广义凸台轮廓线，搜索机匣毛坯外轮廓，并按车削刀具圆角信息，在轮廓凹连接的转折处设置圆角过渡，得到机匣毛坯草图轮廓； 步骤6，以机匣毛坯草图轮廓生成回转体，得到机匣铣削毛坯。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的创建机匣回转轴线和草图平面，提取机匣轮廓线是指:提取一个机匣环形槽底面的回转轴线，作为机匣轴线，以机匣轴线与该环形槽底面上的一点创建平面，作为机匣毛坯的草图平面，草图平面与机匣面求交得到机匣轮廓线。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的提取凸台回转轮廓线的方法包括以下步骤: 1)提取顶面和侧面的方向线；以凸台顶面中心点与机匣轴线作平面，作为凸台交平面，凸台交平面与凸台顶面和侧面相交，交线分别为顶面方向线和侧面方向线； 2)提取凸台顶面和侧面轮廓控制点；用二分法对凸台顶面外环边进行离散，得到凸台顶面外环边的特征点，将凸台顶面外环边特征点旋转到凸台交平面，找出到顶面方向线垂直距离最大的点作为顶面轮廓控制点，找出到顶面中心点沿顶面方向线距离最大的点，作为凸台侧面轮廓控制点； 3)以顶面轮廓控制点为起点，以顶面方向线为方向，侧面轮廓控制点到顶面中心点沿顶面方向线的距离为长度向两边延伸作直线为顶面最大轮廓线；以顶面最大轮廓线的两端点为起点，侧面方向线为方向，作两直线与机匣环形槽底面相交，两直线即为侧面最大轮廓线，顶面和侧面最大轮廓线的组合即为凸台回转轮廓线。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的广义凸台轮廓的确定方法是采用两两比较草图平面上凸台轮廓顶线和侧线的端点坐标，若两条线端点两两重合，则删除一条重合线；若两条线端点都不重合，且某两个端点距离小于车削刀具宽度的工艺要求，则作直线连接两个端点，所作直线作为轮廓的一部分加入凸台轮廓线中；去掉重合线，加入连接直线后的凸台轮廓线组合，即为广义凸台轮廓。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的机匣毛坯外轮廓的搜索方法包括以下步骤: 1)将广义凸台轮廓线与机匣轮廓线以轮廓分支点分解，得到分解轮廓线； 2)沿逆时针方向对分解轮廓线进行搜索，以与机匣外轮廓上端点相连的轮廓边为起始边，设为当前轮廓边，找到与当前轮廓边逆时针前进方向端点相连的边，求出其与当前轮廓边的逆时针夹角，夹角最小的边即为外轮廓边，将其设为下一轮搜索的当前边；若最小夹角小于180度，则前后两外轮廓边之间为凹连接，在两边之间按车削刀具圆角信息设置圆角过渡，圆角线作为外轮廓的一部分存储，如此循环，直到当前边与机匣外轮廓下端点相连，搜索结束，得到机匣毛坯外轮廓。
【文档编号】G05B19/4097GK104199383SQ201410381573
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月5日 优先权日:2014年8月5日
【发明者】李迎光, 郝小忠, 张帅, 马斯博 申请人:南京航空航天大学