一種自由曲面葉片最佳直紋包絡(luò)面生成方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種自由曲面葉片最佳直紋包絡(luò)面生成方法，首先對葉片進行偏置，并采用先縮短后切向延長的方法進行預(yù)處理，得到待包絡(luò)曲面；然后利用垂直于葉輪或葉盤軸向的若干等距平面截取待包絡(luò)曲面，得到自由曲面截面線；針對自由曲面截面線，根據(jù)其端點連線與自由曲面截面線的位置關(guān)系及自由曲面截面線的凹凸性，采用殘留余量最大值最小化方法，生成其最佳包絡(luò)直線；最后以所有最佳包絡(luò)直線的兩端點為型值點，分別生成兩條樣條曲線，以生成的兩條樣條曲線為準(zhǔn)線，生成自由曲面的最佳直紋包絡(luò)面。以本發(fā)明方法生成的最佳直紋包絡(luò)面作為刀具驅(qū)動面，既能保證加工余量的均勻性，又能避免加工中出現(xiàn)過切現(xiàn)象，顯著提高了粗加工效率。
【專利說明】一種自由曲面葉片最佳直紋包絡(luò)面生成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種自由曲面葉片最佳直紋包絡(luò)面生成方法，屬于數(shù)控加工【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展，在航空航天、汽車制造、造船等諸多領(lǐng)域，大量采用了自由曲面類零部件。這些復(fù)雜產(chǎn)品的自由曲面類零部件，對其制造技術(shù)的要求非常高，尤其像葉片這種多約束的復(fù)雜自由曲面，其高效加工技術(shù)更是近年來研究的熱點與難點。目前對于此類零件的粗加工，采用插銑加工的方法。插銑是一種高效的粗加工方法，加工時刀具沿刀軸方向進給運動，利用底部的切削刃進行鉆、銑組合。對于整體葉盤類零件，插銑加工時需要求出葉片的直紋插銑邊界，然后在插銑邊界內(nèi)生成插銑刀位軌跡，其涉及到自由曲面葉片直紋包絡(luò)面的生成。在現(xiàn)有公開的文獻《開式整體葉盤四坐標(biāo)高效開槽插銑工藝方法》及《整體葉輪插銑粗加工算法》中，前者采用基于最小面積原理的直紋包絡(luò)面生成方法，生成葉片的直紋包絡(luò)面作為插銑邊界，雖然能夠保證最大的材料去除量，但加工表面可能會留下不均勻的余量，導(dǎo)致后續(xù)半精加工、精加工時余量差異大，影響零件表面加工質(zhì)量；后者采用基于最小二乘發(fā)原則的直紋包絡(luò)面生成方法，生成葉片的直紋包絡(luò)面作為插銑邊界，雖然能夠保證較為均勻的加工余量，但加工過程中可能會產(chǎn)生過切，從而導(dǎo)致后續(xù)半精加工、精加工余量不足，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致零件報廢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明目的是針對葉輪、葉盤類零件的葉片型面粗加工，以加工過程中材料的去除量最大為目的，以加工后葉片表面最大殘留余量最小為原則，本發(fā)明提出一種基于殘留余量最大值最小化的自由曲面葉片最佳直紋包絡(luò)面生成方法，既要保證余量的均勻性，也要避免加工過程中的過切現(xiàn)象。
[0004]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是包括以下步驟:
[0005]步驟1.對葉片進行預(yù)處理；選擇通道區(qū)域內(nèi)的葉背面，找出葉背面沿葉盤軸向的最高點和最低點，將葉背面向包絡(luò)側(cè)偏置生成葉背偏置面，偏置距離為加工所用的刀具半徑加上粗加工余量，粗加工余量取0.3?1.5mm ;然后，將葉背偏置面縮短至葉背面與前、后櫞連接處，去掉櫞頭部分，沿切向延長葉背偏置面，直到葉背偏置面的上邊界線所有點高于最高點，葉背偏置面的下邊界線所有點低于最低點，得到待包絡(luò)曲面，即為將要直紋包絡(luò)的自由曲面；
[0006]步驟2.沿葉盤軸向在最高點與最低點之間劃分η等距離點，其中，劃分的η個等距離點包括最高點和最低點，且η為大于或等于10的整數(shù)；過這η個等距離點作垂直于葉盤軸向的η個等距平面，等距平面與待包絡(luò)曲面的η條交線即為所要包絡(luò)的自由曲面截面線.[0007]步驟3.自由曲面截面線為三次或三次以上的樣條曲線，其中，η次樣條曲線在節(jié)點處η-l次連續(xù)；連接自由曲面截面線兩端點得到端點連線，在端點連線所在等距平面內(nèi)，使端點連線與X軸重合，以靠近葉根的端點為原點，指向葉尖的方向為X軸正方向，垂直于X軸并指向包絡(luò)側(cè)的方向為y軸正方向，建立直角坐標(biāo)系；根據(jù)端點連線與自由曲面截面線的位置關(guān)系及自由曲面截面線的凹凸性，分三種不同情況，按照最大殘留余量最小的原則生成自由曲面截面線的最佳包絡(luò)直線:
[0008]1.當(dāng)端點連線位于自由曲面截面線的包絡(luò)側(cè)，即自由曲面截面線上所有點的縱坐標(biāo)都小于或等于端點連線上所有點的縱坐標(biāo)時，則該端點連線即為所求的最佳包絡(luò)直線；
[0009]2..當(dāng)端點連線未在自由曲面截面線的包絡(luò)側(cè)，且自由曲面截面線為單凸時，自由曲面截面線上存在縱坐標(biāo)大于端點連線上對應(yīng)點的縱坐標(biāo)的點，且自由曲面截面線上所有點的二階導(dǎo)數(shù)大于零；對于自由曲面截面線最佳包絡(luò)直線的具體生成過程如下:
[0010]( I)在自由曲面截面線上按照精度要求等弧長離散k個點，過這k個點中的每一點作自由曲面截面線的切線，得到k條切線；
[0011](2)在切線上按照精度要求等距離離散m個點；
[0012](3)求切線上離散點與自由曲面截面線上對應(yīng)點之間的縱坐標(biāo)之差，判斷縱坐標(biāo)之差是否大于或等于零，若縱坐標(biāo)之差大于或等于零則進入(4);若縱坐標(biāo)之差小于零，則舍棄該條切線進入(2)，繼續(xù)下一條切線；
[0013](4)重復(fù)(3)，直到求出切線上所有離散點與自由曲面截面線上對應(yīng)的點之間的縱坐標(biāo)之差；
[0014](5)求出上述所有離散點對應(yīng)的縱坐標(biāo)之差中的最大值，并記為該切線所對應(yīng)的縱坐標(biāo)之差的最大值；
[0015](6)重復(fù)⑵?(5)，直到求出所有切線所對應(yīng)的縱坐標(biāo)之差的最大值；
[0016](7)求出上述所有切線對應(yīng)的縱坐標(biāo)之差的最大值中的最小值；
[0017](8)在自由曲面截面線上加密離散點，重復(fù)⑴?(7)進行多次迭代，直到最小值無明顯改善或k值足夠大時，終止迭代，則最后一次迭代得到的切線即為所求的最佳包絡(luò)直線；
[0018]3.當(dāng)端點連線未在自由曲面截面線的包絡(luò)側(cè)，且自由曲面截面線不為單凸時，自由曲面截面線上存在縱坐標(biāo)大于端點連線上對應(yīng)點的縱坐標(biāo)的點，且自由曲面截面線上存在二階導(dǎo)數(shù)不大于零的點；可先求出最佳包絡(luò)直線的生成區(qū)域簡化后續(xù)計算量，即先從兩端點向自由曲面截面線作切線，則自由曲面截面線上兩切點之間的區(qū)域即為最佳包絡(luò)直線的生成區(qū)域，在該區(qū)域上按照2中的方法即可生成自由曲面截面線的最佳包絡(luò)直線；
[0019]步驟4.按照步驟3所述的方法生成所有自由曲面截面線的最佳包絡(luò)直線后，以這些直線的兩端點為型值點，分別構(gòu)造直紋面的兩條準(zhǔn)線生成直紋面，則直紋面即為所求的最佳直紋包絡(luò)面。
[0020]有益效果
[0021]本發(fā)明自由曲面葉片最佳直紋包絡(luò)面生成方法，首先對葉片進行偏置，并采用先縮短后切向延長的方法進行預(yù)處理，得到待包絡(luò)曲面；然后利用垂直于葉輪或葉盤軸向的若干等距平面截取待包絡(luò)曲面，得到自由曲面截面線；針對每一自由曲面截面線，根據(jù)其端點連線與自由曲面截面線的位置關(guān)系及自由曲面截面線的凹凸性，分三種不同情況，采用殘留余量最大值最小化方法，生成其最佳包絡(luò)直線；最后，以所有最佳包絡(luò)直線的兩端點為型值點，分別生成兩條樣條曲線，再以生成的兩條樣條曲線為準(zhǔn)線，生成自由曲面的最佳直紋包絡(luò)面。以本發(fā)明方法生成的最佳直紋包絡(luò)面作為刀具驅(qū)動面，既可保證加工余量的均勻性，又能夠避免加工中出現(xiàn)過切現(xiàn)象，從而在保證余量均勻且不產(chǎn)生過切的情況下最大限度地切除材料，顯著提高了粗加工效率。本發(fā)明直紋包絡(luò)面生成方法也適用于葉盆面及其它自由曲面的最佳直紋包絡(luò)面的生成，從而有效地解決多約束復(fù)雜自由曲面類零件的高效粗加工問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]下面結(jié)合附圖和實施方式對本發(fā)明一種自由曲面葉片最佳直紋包絡(luò)面生成方法作進一步的詳細說明。
[0023]圖1為本發(fā)明自由曲面葉片最佳直紋包絡(luò)面生成方法流程圖。
[0024]圖2為開式整體葉盤部分結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖3為葉背面預(yù)處理示意圖。
[0026]圖4為自由曲面截面線的生成示意圖。
[0027]圖5為端點連線位于自由曲面截面線的包絡(luò)側(cè)時最佳包絡(luò)直線的生成過程。
[0028]圖6為自由曲面截面線為單凸時最佳包絡(luò)直線的生成過程。
[0029]圖7為自由曲面截面線為非單凸時最佳包絡(luò)直線的生成過程。
[0030]圖8為最佳直紋包絡(luò)面的生成示意圖。
[0031]圖中:
[0032]1.葉背面2.葉盆面3.輪轂面4.后櫞5.前櫞6.葉根線7.葉尖線【具體實施方式】
[0033]本實施例是針對葉輪葉盤類零件的葉片型面四坐標(biāo)插銑粗加工，提供了一種自由曲面葉片最佳直紋包絡(luò)面生成方法。
[0034]參閱圖1、圖2，應(yīng)用自由曲面葉片最佳直紋包絡(luò)面生成方法對某型航空發(fā)動機開式整體葉盤的葉片進行最佳直紋包絡(luò)面的生成。開式整體葉盤包括葉背面1、葉盆面2、輪轂面3、后櫞4、前櫞5、葉根線6、葉尖線7，其中相關(guān)的參數(shù)為:葉盤直徑為550mm，葉片長度為88mm，刀具直徑為12mm。其葉背面I的最佳直紋包絡(luò)面生成過程包括以下步驟:
[0035]第一步，針對葉背面I進行預(yù)處理:選擇通道區(qū)域內(nèi)的葉背面1，找出葉背面I沿葉盤軸向的最高點和最低點，將葉背面I向包絡(luò)側(cè)偏置生成葉背偏置面，偏置距離為加工所用的刀具半徑加上粗加工余量，粗加工余量取0.3?1.5mm ;然后，將葉背偏置面縮短至葉背面I與前櫞5、后櫞4連接處,去掉櫞頭部分,沿切向延長葉背偏置面,直到葉背偏置面的上邊界線所有點高于最高點，葉背偏置面的下邊界線所有點低于最低點，得到待包絡(luò)曲面，待包絡(luò)曲面即為將要直紋包絡(luò)的自由曲面，如圖3所示；
[0036]第二步，生成待包絡(luò)曲面的自由曲面截面線，其生成規(guī)則是:根據(jù)插銑行距，沿葉盤軸向在最高點與最低點之間劃分10等距離點，其中，劃分的10個等距離點包括最高點和最低點，過這10個等距離點作垂直于葉盤軸向的10個等距平面，等距平面與待包絡(luò)曲面的10條交線即為所要包絡(luò)的自由曲面截面線，如圖4所示；
[0037]第三步，自由曲面截面線為三次或三次以上樣條曲線，其中，η次樣條曲線在節(jié)點處η-l次連續(xù)。連接自由曲面截面線兩端點得到端點連線，在端點連線所在的等距平面內(nèi)，使端點連線與X軸重合，以靠近葉根的端點為原點，指向葉尖的方向為X軸正方向，垂直于X軸并指向包絡(luò)側(cè)的方向為y軸正方向，建立直角坐標(biāo)系。根據(jù)端點連線與自由曲面截面線的位置關(guān)系及自由曲面截面線的凹凸性，分三種不同情況求取最佳包絡(luò)直線。
[0038]1.當(dāng)端點連線位于自由曲面截面線的包絡(luò)側(cè)，即自由曲面截面線上所有點的縱坐標(biāo)都小于或等于端點連線上所有點的縱坐標(biāo)時，則該端點連線即為所求的最佳包絡(luò)直線，如圖5所示。
[0039]2.當(dāng)端點連線未在自由曲面截面線的包絡(luò)側(cè)，且自由曲面截面線為單凸，即自由曲面截面線上存在縱坐標(biāo)大于端點連線上所有點的縱坐標(biāo)的點，且自由曲面截面線上所有點的二階導(dǎo)數(shù)大于零，如圖6所示。對于這種情況下的自由曲面截面線最佳包絡(luò)直線的具體生成過程如下:
[0040]( I)在自由曲面截面線上按照精度要求離散k個點，過這k個點中的每一點作自由曲面截面線的切線Ii (1=1, 2，…，k);
[0041](2)在切線IiQ=I)上按照精度要求離散m個點Μj(j=1，2，..，，m)；
[0042](3)求％(]_=1)與自由曲面截面線上對應(yīng)的點之間的縱坐標(biāo)之差A(yù)yij:若Δyij≥O, j=j+l，進入(4);若Δyij〈0，則舍棄切線1i, i=i+l，轉(zhuǎn)入(2)；
[0043](4)判斷j與m的大小:若j>m,則進入(5);若j ≤m，則轉(zhuǎn)入(3)；
[0044](5)求出Δ Yij (j=l, 2，...m)中的最大值并記為(Δ Υ?)ΜΧ,即(Λ Yi)max=max { Δ yi；1, Δ yi；2,...，Δ yi；m}，i=i+l ；
[0045](6)判斷i與k的大小:若i>k，則進入(7);若i≤k，則轉(zhuǎn)入(2)；
[0046](7)求出(Δ yi)max(i=l, 2,..., k)中的最小值并記為 Δ y,即 Δ y=min {( Δ y1)
max) ( △ ymax)...，( △ Yk) max};
[0047](8)在自由曲面截面線上加密離散點，重復(fù)⑴~(7)進行多次迭代，直到Ay無明顯改善或k值足夠大時，終止迭代，將最后一次迭代得到的切線記為L，則L即為所求的最佳包絡(luò)直線。
[0048]3.當(dāng)端點連線未在自由曲面截面線的包絡(luò)側(cè)，且自由曲面截面線不為單凸時，即自由曲面截面線上存在縱坐標(biāo)大于端點連線上對應(yīng)點的縱坐標(biāo)的點，且自由曲面截面線上存在二階導(dǎo)數(shù)不大于零的點，如圖7所示。對于這種情況，可先求出最佳包絡(luò)直線的生成區(qū)域，以簡化后續(xù)計算量，即先從兩端點向自由曲面截面線作切線，記切點分別為P、Q，則曲線PQ即為最佳包絡(luò)直線的生成區(qū)域，在該區(qū)域上按照2中的方法即可生成自由曲面截面線的最佳包絡(luò)直線。
[0049]第四步，按照上述的方法生成所有自由曲面截面線的最佳包絡(luò)直線后，以這些最佳包絡(luò)直線的兩端點為型值點，構(gòu)造直紋面的兩條準(zhǔn)線生成直紋面，直紋面即為所求的最佳直紋包絡(luò)面，如圖8所示。
[0050]以生成的最佳直紋包絡(luò)面作為開式整體葉盤通道四坐標(biāo)開槽粗加工中刀具的驅(qū)動面，從而生成通道開槽粗加工刀位軌跡，既可保證加工余量的均勻性，又能夠避免加工中出現(xiàn)過切現(xiàn)象，在保證余量均勻且不產(chǎn)生過切的情況下最大限度地切除材料。本發(fā)明自由曲面葉片最佳直紋包絡(luò)面生成方法可廣泛應(yīng)用于葉輪、葉盤等自由曲面類零件的數(shù)控加工中。
【權(quán)利要求】
1.一種自由曲面葉片最佳直紋包絡(luò)面生成方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟1.對葉片進行預(yù)處理；選擇通道區(qū)域內(nèi)的葉背面，找出葉背面沿葉盤軸向的最高點和最低點，將葉背面向包絡(luò)側(cè)偏置生成葉背偏置面，偏置距離為加工所用的刀具半徑加上粗加工余量，粗加工余量取0.3~1.5mm ;然后，將葉背偏置面縮短至葉背面與前、后櫞連接處，去掉櫞頭部分，沿切向延長葉背偏置面，直到葉背偏置面的上邊界線所有點高于最高點，葉背偏置面的下邊界線所有點低于最低點，得到待包絡(luò)曲面，即為將要直紋包絡(luò)的自由曲面； 步驟2.沿葉盤軸向在最高點與最低點之間劃分η等距離點，其中，劃分的η個等距離點包括最高點和最低點，且η為大于或等于10的整數(shù)；過這η個等距離點作垂直于葉盤軸向的η個等距平面，等距平面與待包絡(luò)曲面的η條交線即為所要包絡(luò)的自由曲面截面線； 步驟3.自由曲面截面線為三次或三次以上的樣條曲線，其中，η次樣條曲線在節(jié)點處η-1次連續(xù)；連接自由曲面截面線兩端點得到端點連線，在端點連線所在等距平面內(nèi)，使端點連線與X軸重合，以靠近葉根的端點為原點，指向葉尖的方向為X軸正方向，垂直于X軸并指向包絡(luò)側(cè)的方向為y軸正方向，建立直角坐標(biāo)系；根據(jù)端點連線與自由曲面截面線的位置關(guān)系及自由曲面截面線的凹凸性，分三種不同情況，按照最大殘留余量最小的原則生成自由曲面截面線的最佳包絡(luò)直線: A.當(dāng)端點連線位于自由曲面截面線的包絡(luò)側(cè)，即自由曲面截面線上所有點的縱坐標(biāo)都小于或等于端點連線上所有點的縱坐標(biāo)時，則該端點連線即為所求的最佳包絡(luò)直線； B..當(dāng)端點連線未在自由曲面截面線的包絡(luò)側(cè)，且自由曲面截面線為單凸時，自由曲面截面線上存在縱坐標(biāo)大于端點連線上對應(yīng)點的縱坐標(biāo)的點，且自由曲面截面線上所有點的二階導(dǎo)數(shù)大于零；對于自由曲面截面線最佳包絡(luò)直線的具體生成過程如下: (1)在自由曲面截面線上按照精度要求等弧長離散k個點，過這k個點中的每一點作自由曲面截面線的切線，得到k條切線； (2)在切線上按照精度要求等距離離散m個點； (3)求切線上離散點與自由曲面截面線上對應(yīng)點之間的縱坐標(biāo)之差，判斷縱坐標(biāo)之差是否大于或等于零，若縱坐標(biāo)之差大于或等于零則進入(4);若縱坐標(biāo)之差小于零，則舍棄該條切線進入(2)，繼續(xù)下一條切線； (4)重復(fù)(3)，直到求出切線上所有離散點與自由曲面截面線上對應(yīng)的點之間的縱坐標(biāo)之差； (5)求出上述所有離散點對應(yīng)的縱坐標(biāo)之差中的最大值，并記為該切線所對應(yīng)的縱坐標(biāo)之差的最大值； (6)重復(fù)(2)~(5)，直到求出所有切線所對應(yīng)的縱坐標(biāo)之差的最大值； (7)求出上述所有切線對應(yīng)的縱坐標(biāo)之差的最大值中的最小值； (8)在自由曲面截面線上加密離散點，重復(fù)(I)~(7)進行多次迭代，直到最小值無明顯改善或k值足夠大時，終止迭代，則最后一次迭代得到的切線即為所求的最佳包絡(luò)直線； C.當(dāng)端點連線未在自由曲面截面線的包絡(luò)側(cè)，且自由曲面截面線不為單凸時，自由曲面截面線上存在縱坐標(biāo)大于端點連線上對應(yīng)點的縱坐標(biāo)的點，且自由曲面截面線上存在二階導(dǎo)數(shù)不大于零的點；可先求出最佳包絡(luò)直線的生成區(qū)域簡化后續(xù)計算量，即先從兩端點向自由曲面截面線作切線，則自由曲面截面線上兩切點之間的區(qū)域即為最佳包絡(luò)直線的生成區(qū)域，在該區(qū)域上按照2中的方法即可生成自由曲面截面線的最佳包絡(luò)直線； 步驟4.按照步驟3所述的方法生成所有自由曲面截面線的最佳包絡(luò)直線后，以這些直線的兩端點為型值點，分別構(gòu)造直紋面的兩條準(zhǔn)線生成直紋面，則直紋面即為所求的最佳直紋包絡(luò)面。`
【文檔編號】G05B19/19GK103513606SQ201310289369
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月9日
【發(fā)明者】任軍學(xué), 林謙, 李祥宇, 曾婧雯, 李珊珊, 楊俊 , 祝起凡 申請人:西北工業(yè)大學(xué)