本发明涉及加工技术加工技术领域，为一种复杂曲面表面加工轨迹的生成方法。
背景技术：
随着科学技术的发展，现代工业领域对机械结构和零部件的使用性能和服役寿命提出了更高的要求，不仅要求其具有更高的使用性能、更长的服役寿命，而且要求其能够适应更严苛的服役环境。众所周知，材料的强度、耐热性、耐腐蚀性、耐摩擦磨损等性能是决定机械结构和零部件使用性能和寿命的关键因素。因此，如何提高材料的这些性能已经日趋成为先进制造技术领域的重大课题。
在大多数情况下，材料的破坏是从表面开始的。例如，表面是疲劳裂纹萌生的重要部位。据统计，由于疲劳而失效的机械结构约占失效结构的90％。此外，腐蚀和磨损也多始于表面。全世界每年生产的钢铁约有10％因表面腐蚀而变为铁锈，30％的机电设备因此而损坏，因磨损造成的能源损失占能耗的1/3，工业发达国家因磨损造成的经济损失高达数百亿美元，我国因磨损而损耗的钢材多达五百万吨。提高材料的表面性能，可以在很大程度上降低这些损耗的发生。因此，对表面进行再加工处理，对是一种改善材料表面性能的方式。然而对叶片等表面为复杂曲面的零部件，加工表面时的加工轨迹缺少可靠生成方法。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供一种解决或部分解决上述问题的复杂曲面表面加工轨迹的生成方法。
为达到上述技术方案的效果，本发明的技术方案为：一种复杂曲面表面加工轨迹的生成方法，包含以下步骤：所述方法基于多轴机床的各个坐标系，将复杂曲面表面加工的轨迹作为生成目标，为一种程序化生成方法；所述方法采用多轴机床作为加工的工具，加工前建立多轴机床的控制原则，设定工件的加工区域，所述复杂曲面表面加工的轨迹等于加工头轨迹，确定加工中心，在曲面上的中心曲面上规划加工路线，加工中心点的轨迹为加工路线的动态形成；
所述多轴机床的电机包含进给电机z，转动电机φ，同步电机y，左侧电机l，右侧电机r；对多轴机床建立各个坐标系，所述各个坐标系的设定参数为，z轴为工件进给方向，x轴为平行于地面、与工件进给方向垂直、并与左侧电机l和右侧电机r在同一条直线上，y轴垂直于地面、垂直于x轴、y轴的交点，θ转向为绕z轴转动，d厚度为使用多轴机床的两侧加工头跟踪得到工件的厚度，两侧加工头分别位于左侧电机l，右侧电机r上控制输入量为所述多轴机床中的电机的速度以及电机的位置；所述各个坐标系的设定参数、所述控制输入量为控制参量；所述电机的速度为其的频率成正比，等于加工速度，所述电机的位置为其在所述多轴机床上的相对位置；安装多轴机床上的叶片，并将其移动到在所述零位置上，使用距离传感器来检测所述叶片的安装位置，并通过所述叶片上的一个位置点来判断所述叶片的位置安装的精度；
所述控制原则为，建立工件的三维立体模拟模型，在三维立体模拟模型中将工件的复杂曲面完整重现，加工的走刀路线为连续的z字形；对多轴机床的两侧加工头末端的轨迹进行跟踪，同时对各个电机进行控制，设定工件的零位置为多轴机床的坐标系中各轴都平行的位置；
设定工件的加工区域，即为将所述加工区域的纵深、加工进给量设定好，并将所述加工的走刀路线中纵深、进给量的具体数值设定好，所述加工区域的纵深等于所述加工的走刀路线中纵深；当所述两侧加工头的位置对应，所述加工区域的两侧加工路线也对应；
所述加工头轨迹被抽象为所述各个坐标系上的坐标值相对时间的函数，其由所述加工路线上的点以及所述加工速度通过样条曲线插补拟合得到，包含左侧加工轨迹、右侧加工轨迹、中间加工轨迹；所述加工头轨迹基于所述多轴机床的各个坐标系，可被分解为，所述左侧加工轨迹表示为左侧加工横坐标函数x1(t)及右侧加工纵坐标函数y1(t)、右侧加工轨迹表示为右侧加工横坐标函数x2(t)及右侧加工纵坐标函数y2(t)、中间加工轨迹表示为中间加工纵坐标函数z(t)及转向函数θ(t)，其中所述左侧加工横坐标函数x1(t)及所述右侧加工纵坐标函数y1(t)分别表示所述左侧加工轨迹的横坐标相对时间的变化、所述左侧加工轨迹的纵坐标相对时间的变化，所述右侧加工横坐标函数x2(t)及所述右侧加工纵坐标函数y2(t)分别表示所述右侧加工轨迹的横坐标相对时间的变化、所述右侧加工轨迹的纵坐标相对时间的变化，所述中间加工纵坐标函数z(t)表示所述中间加工轨迹在所述z轴上坐标相对时间的变化，所述转向函数θ(t)表示中间加工轨迹的角度θ转向上绕z轴逆时针转动的角度相对时间的变化，t为时间的变量，其中，还满足x2(t)-x1(t)＝d(t)，所述d厚度的函数表示为d(t),满足y1(t)＝y2(t)，所述右侧加工纵坐标函数y1(t)、所述右侧加工纵坐标函数y2(t)采用同步控制器控制两者的走向，通过所述加工头轨迹来对所述多轴机床进行控制；
复杂曲面表面加工的模式为层层加工，所述层层加工为对复杂曲面表面一层层逐渐加工，将所述中间加工轨迹的所述中间加工纵坐标函数z(t)作为进给量，两侧加工头在x轴与y轴组成的平面上运动，并且两侧加工头在y轴上保持一致，形成了加工水平线；工件的加工区域中加工侧边区域中，所述加工侧边区域将所述左侧加工轨迹、所述右侧加工区域、所述中间加工区域包含在内，所述左侧电机l、所述右侧电机r加工的所述左侧加工轨迹中所述左侧加工横坐标函数x1(t)及所述右侧加工纵坐标函数y1(t)、所述右侧加工轨迹中所述右侧加工横坐标函数x2(t)及所述右侧加工纵坐标函数y2(t)以及所述转角电机加工的所述中间加工轨迹中所述转向函数θ(t)不断变化，所述进给电机z加工的所述中间加工轨迹中所述中间加工纵坐标函数z(t)保持不变，如果所述中间加工纵坐标函数z(t)变化，加工一层后，再加工下一层；工件的加工区域中其余区域，所述加工头轨迹的变化更大；所述工件的加工区域包含所述加工侧边区域以及所述其余区域；
对于所述工件的加工区域中所述加工侧边区域，加工截面e设定为当进给高度z(t)＝ze时，ze表示所述加工截面e在z轴上的坐标值，并维持其的值不变时，所述两侧加工头将处于的同一个加工平面；所述加工截面e为一个闭合曲线，由左侧曲线le1、右侧曲线le2、中心曲线le0组成，所述两侧加工头沿着所述闭合曲线移动；
所述确定加工中心，先求取所述加工截面e的中心曲线le0，所述中心曲线le0上的点到所述左侧曲线le1和所述右侧曲线le2的距离都相等，对所有加工截面e求取中心曲线，所有所述中心曲线构成中心曲面，所述中心曲面到所述工件的复杂曲面的两侧曲面距离相等；所述两侧加工头在y轴上的值采用所述同步控制器同步确定，两侧加工头在工件上的加工点形成了加工水平线，并且，工件的转角在不断变化；加工中心点e为所述加工水平线与所述加工截面e的中心曲线垂直的交点，所述加工中心点e处的切线方向为θ转向，在所述加工中心点e处的法线到所述左侧曲线le1和所述右侧曲线le2的总距离被命名为所述加工中心点e处的厚度，标记为de，由所述加工中心点e处的法线到所述左侧曲线le1的距离de1和所述加工中心点e处的法线到所述右侧曲线le2的距离le2组成，可以从所述加工中心点e求得两侧加工头在各自的加工点位置，e1表示所述加工截面e的左侧曲线的下标，e2表示所述加工截面e的右侧曲线的下标；
在曲面上的中心曲面上规划加工路线，所述加工路线与加工的走刀路线相似，为连续的z字形相似，在所述加工路线上的点使用坐标系上的坐标表示，为[xe，ye，ze]，其中，xe为所述加工路线上的点在x轴上的坐标，ye为所述加工路线上的点在y轴上的坐标，ze为所述加工路线上的点在z轴上的坐标，所述加工路线上的点到所述左侧曲线le1的距离表示为de1(xe，ye，ze)和所述加工中心点e处的法线到所述右侧曲线de2的距离表示为de2(xe，ye，ze)，所述加工路线的切线方向角为θe(xe，ye，ze)，与加工运动速度结合，得到所述加工中心点的轨迹f(xe(t)，ye(t)，ze(t))以及所述加工中心点的切线方向值θe(t)，所述加工中心点的轨迹为加工路线的动态形成，与所述时间t、所述加工运动速度相关；
所述进给电机决定中间加工轨迹z(t),并且z(t)＝ze(t)，所述同步电机y决定右侧加工轨迹的函数y2(t)，左侧加工轨迹的函数y1(t)、右侧加工轨迹的函数y2(t)两者保持一致，即为y1(t)＝y2(t)＝ye(t)；
其中，xe(t)为加工路线上的点在x轴上的坐标相对时间t的变化量；ye(t)为加工路线上的点在y轴上的坐标相对时间t的变化量；ze(t)为加工路线上的点在z轴上的坐标相对时间t的变化量；
所述左侧电机l、所述右侧电机r负责求解坐标点[xe(t)，ye(t)，ze(t)]到左侧曲线le1的距离de1(t)，坐标点[xe(t)，ye(t)，ze(t)]到右侧曲线de2的距离de2(t)，左侧加工轨迹的函数x1(t)满足x1(t)＝xe(t)-de1(t)，右侧加工轨迹的函数x2(t)满足x2(t)＝xe(t)+de2(t)；所述转角电机负责求解所述中间加工轨迹的角度θ转向上绕z轴逆时针转动的角度相对时间的变化θ(t)，并且满足θ(t)＝-θe(t)。
本发明的有益成果为：本发明提供了一种复杂曲面表面加工轨迹的生成方法，本方法通过表面强化处理改善零部件表面性能，作为提高其使用寿命的有效手段，而作为零部件生产加工的最终步骤，在不破坏结构的同时，如何对形状各异的零部件表面、复杂曲面进行加工，本方法在实施例中以航空发动机叶片为例，以多轴机床各坐标系作为控制参量，对复杂曲面表面加工的轨迹，给出了程序化生成方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明加工截面的示意图；
图2是本发明中零位置及左、右侧曲面定义的示意图；
图3是本发明加工点位置的示意图；
图4是本发明确定叶缘段端点的示意图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行详细的说明。应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，能实现同样功能的产品属于等同替换和改进，均包含在本发明的保护范围之内。具体方法如下：
实施例1：建立机床的坐标系，具体设置如下：
坐标系的各种参数作为机床控制量：
x方向，平行于地面、与工件进给方向垂直；
y方向，垂直于地面；
z方向，工件进给方向；
θ转向，绕z方向转动；
d厚度，两侧加工头跟踪叶片工件厚度；
控制输入量：电机的速度和位置；
机床包含进给电机z，转动电机φ，同步电机y，左侧电机l，右侧电机r；
控制方法具体流程如下：
首先，建立叶片的数字模型，进行走刀路线为z字形，双侧加工头末端进行轨迹，在这其中，机床的各个电机进行控制。
如图1航空发动机叶片在零位置时，该叶片主要由左侧曲面s1和右侧曲面s2组成。加工路线如下：
对于两侧曲面s1和s2来说，每一侧的加工区域包含三个：两侧边纵深20mm区域，榫头连接纵深20mm区域，而加工进给量应小于0.1mm，该值与加工头有关，与加工精度密切相关，且会影响加工速度。按照之字形折线加工路线。其中，纵深h＝20mm，以及进给量d<0.1mm。两侧路径互相对应，是保证两侧加工头位置加工对应的前提。
加工轨迹如下：
加工过程中，加工头中心点轨迹被抽象为坐标值对时间的函数，该函数可以由加工路线上的点，以及加工速度，通过样条曲线插补拟合得到，可分解为，
左侧加工轨迹x1(t)，y1(t)
右侧加工轨迹x2(t)，y2(t)
中间加工轨迹z(t)，θ(t)
其中，加工轨迹是相对于机床坐标系的。其中，
x2(t)-x1(t)＝d(t)
y1(t)＝y2(t)
由于y1(t)＝y2(t)采用同步控制器，可归结为一个输入量y(t)，因此为五个输入量x1(t)，x2(t)，y(t)，z(t)，θ(t)。由此可完成整个机床的控制。
叶片零位置的标定
每次加工安装叶片正确后，需要将叶片移动到零位置后再开始运行控制。由于安装有一定误差，需要检测是否安装正确，可通过两侧距离传感器，检测叶片某一位置点是否正确来判断叶片整体安装精度。
实施例2：对控制量x1(t)，x2(t)，y(t)，z(t)，θ(t)的计算(核心算法)：
加工过程描述为：这是一个一层一层加工的模式，对于每一个进给量z，两侧加工头在x-y平面不断运动，且两侧加工头的y值同步保持一致，形成一个加工水平线。
当加工侧边区域时，两侧电机的x和y值以及转角电机的θ不断变化，进给电机z值保持不变或进给运动，加工一层后z值变化进给，再加工下一层；当加工榫头区域时，同样运动，但x值和y值以及θ的变化行程更大。
(1)加工截面e
加工侧面区域e时，对于某一个进给高度z(t)＝ze值，两侧加工头处于同一个平面e。注意到，该截面e为一个闭合曲线所描述，由左侧曲线le1和右侧曲线le2组成。加工头大多数时候都沿着这两个曲线上运动。如图2
(2)加工中心，中心曲线及中心曲面
加工中心指的是，对应于每一个z值，在x-y平面上，两侧加工头与叶片工件存在对应点，该对应关系决定了轨迹的生成方法。由于叶片截面非对称不规则，不能简单确定加工中心位置。因此，本发明以截面的中心曲线为参考基准进行加工。
首先，求截面e的中心曲线le0，该曲线上的点到le1和le2的距离相等(点到曲线距离)。注意，距离并非为加工厚度d。由所有加工截面中的中心曲线可以构成一个中心曲面，该曲面到两侧曲面s1和s2的“距离”相等。
由于加工过程中，两侧加工头的y值同步确定，两侧加工点形成一个加工水平线。本实施例中，要求工件转角不断变化，使得，加工水平线与加工截面的中心曲线在交点处垂直，该交点正是加工中心位置，该加工中心点e处的切线方向为θe，即是转角方向。加工中心点e处的法线在曲线le1和le2之间的距离，称为该加工中心点e处的厚度，标记为de，由de1和de2组成。通过厚度，可以从加工中心点位置e求得两侧加工点位置。
(4)加工轨迹生成
首先在中心曲面上规划加工路线，折线，并得到路径点上各点[xe，ye，ze]的厚度de1(xe，ye，ze)和de2(xe，ye，ze)以及其切线方向角θe(xe，ye，ze)。
配合加工运动速度，可以得到加工中心点的轨迹f(xe(t)，ye(t)，ze(t))以及θe(t)，其中，进给电机：z(t)＝ze(t)同步电机：y(t)＝ye(t)，两侧电机需要求解[xe(t)，ye(t)，ze(t)]处的厚度de1(t)和de2(t)，则x1(t)＝xe(t)-de1(t)，x2(t)＝xe(t)+de2(t)；转角电机：θ(t)＝-θe(t)。
(5)近叶缘段轨迹逼近
如图4，对某一加工截面，其叶缘段放大后可见叶身区域曲率变化较平缓，叶缘处近似为一个圆弧，圆弧半径约为3mm。加工区域为除去圆弧的叶身区域。。ab,bc,cd,de,ef为连续线段，其中d、e、f确定的曲率半径r1≤3mm，a、b、c确定的曲率半径r2>>3mm。根据曲率变化规律，叶缘处曲率半径远小于叶身区域，所以可根据截面曲线二阶导数极值确定加工区域端点，可使近叶缘段加工轨迹逼近末端终点，提高轨迹精度。
操作流程如下：
通过输入数字模型，得到加工轨迹，然后对叶片的安装继续宁确认，如果没有安装好，重新安装确认，安装好的话，进行零点标定，最后进行加工，加工后进行叶片的卸载。
本发明的有益成果为：本发明提供了一种复杂曲面表面加工轨迹的生成方法，
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明之较佳实施例，并非用以限定本发明的权利要求保护范围。同时以上说明，对于相关技术领域的技术人员应可以理解及实施，因此其他基于本发明所揭示内容所完成的等同改变，均应包含在本权利要求书的涵盖范围内。