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

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

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。

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

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。

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：

（1）根据整体叶轮叶片的几何形状，生成基于球头半径为R_T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（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，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]^q，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；

（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F_1max， 以及平滑区最大厚度处对应的刀位点的进给速度F_2max，通过线性插值法得 到其余厚度值δ_Q1，δ_Q2…δ_Qs，δ_P1，δ_P2…δ_Pr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F_q0；

（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F_q0和该刀位点对应刀触点处的悬长l_q获取该刀位点的最终进给F_q，具体 为：

Fq=η·F_q0

其中η是比例系数，且

$\eta =\frac{(l_{\max }-l_q)\omega +l_q}{l_{\max }}$

其中ω表示叶片的顶端到末端纵深加速比例，且有ω≥1；

（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。

优选地，本发明的方法还包括在步骤（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。

优选地，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，y，z]^q以及刀轴矢量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d_k1、d_k2，则刀触点K₁与K₄处叶片的厚度均为δ_k1=d_k1，刀触点K₂与K₃处叶片的厚度均为δ_k2=d_k2， K₁与K₂之间的刀触点为Q₁、Q₂…Q_s，其中s为K₁与K₂之间刀触点的总数，K₃与K₄之间刀触点为P₁、P₂…P_r，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l_min，并以此距离作为叶片 在该刀触点对应的悬长值l_q，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l_max。

优选地，若s=r，计算刀触点Q₁到刀触点P₁的距离d₁，刀触点Q₂到刀 触点P₂的距离d₂…刀触点Q_s到刀触点P_s的距离d_s；则刀触点Q₁与P₁处叶片 的厚度δ_Q1、δ_P1均等于d₁，刀触点Q₂与P₂处叶片的厚度δ_Q2、δ_P2均等 于d₂…刀触点Q_s与P_s处叶片的厚度δ_Qs、δ_Ps均等于d_s，同时比较各厚度 δ_Q1,δ_Q2…δ_Qs，δ_P1，δ_P2…δ_Ps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≠r，通过K₁与K₂之间的刀触点Q₁、Q₂…Q_s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′₁Q′₂...Q′_r然后再计算点Q′₁到刀触点P₁的距离d′₁，点Q′₂到刀触点P₂的距离d′₂…点Q′_r到刀触点P_r的距 离d′_r即可得到叶片在K₃与K₄之间的刀触点P₁、P₂…P_r对应处的厚度 δ_P1=d′₁,δ_P2=d′₂…δ_Pr=d′_r;最后通过线性插值，得到K₁与K₂之间 的刀触点Q₁、Q₂…Q_s处叶片的厚度δ_Q1，δ_Q2…δ_Qs；同时比较各厚度δ_Q1， δ_Q2…δ_QS，δ_P1，δ_P2…δ_Pr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。

优选地，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F_1max，平滑区最厚度为δ_max对应的刀位点的进 给为F_2max；

K₁与K₂之间的平滑区的刀触点Q₁、Q₂…Q_s对应的刀位点的进给速度是通 过如下线性差值公式得到：

${F_Q}_t=\frac{({\delta }_{\max }-{\delta }_{\mathrm{Qt}})(F_{2\max }-F_{1\max })}{{\delta }_{\max }-{\delta }_{k1}}$

其中t∈N且1≤t≤s；

K₃与K₄之间的平滑区的刀触点P₁、P₂…P_r对应的刀位点的进给速度是通 过如下线性差值公式得到：

$F_{\mathrm{Pw}}=\frac{({\delta }_{\max }-{\delta }_{\mathrm{Pw}})(F_{2\max }-F_{1\max })}{{\delta }_{\max }-{\delta }_{k1}}$

其中w∈N且1≤w≤r。

优选地，当到的距离远远小于到 的距离时，为关键点。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够 取得下列有益效果：

（1）本发明加工效率高：由于采用了根据悬长来优化进给速度的方法， 靠近整体叶轮叶片顶端部分进给速度快，靠近流道部分进给快，在保证加 工表面质量的同时也提高了整体的进给速度，因此本发明能够实现高加工 效率。

（2）本发明加工质量良好：由于采用了基于整体叶轮叶片厚度及悬长 来优化的进给速度，从而充分考虑了整体叶轮叶片薄壁大悬长的特点—— 加工的弱刚性，从而能够减小因为加工的弱刚性容易产生颤振而引起的振 纹，从而提高了加工表面质量。

（3）本发明减小刀具磨损：由于采用了基于整体叶轮叶片厚度及悬长 来优化的进给速度，充分考虑了整体叶轮叶片薄壁大悬长的特点——加工 的弱刚性，从而能够减小因为加工的弱刚性容易产生的颤振，优化了刀具 在加工过程中的受力情况，从而减小了刀具磨损，延长了刀具的使用寿命。

（4）本发明降低了整体叶轮加工的成本：由于提高了加工效率，延长 了刀具的寿命，降低了工时成本与刀具成本，从而降低了加工成本。

（5）本发明优化范围广：从整体叶轮结构分类上来讲，无论是轴向叶 轮还是离心式叶轮都能使用本发明方法进行进给优化，从整体叶轮的材料 上来讲，无论是钛合金、高温还是铝合金叶轮都是使用本发明方法进行进 给优化。

附图说明

图1是计算刀位点对应刀触点处叶片厚度及悬长的示意图。

图2是本发明基于整体叶轮叶片形状的精铣变进给速度优化方法的流 程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。

叶轮叶片精加工作为整体叶轮加工中最为关键的一步，也是反应我国 航空叶轮加工技术落后于国外叶轮加工技术最突出的一点。针对叶片精铣 加工，能够从以下两个方面进行改进与提高：刀位轨迹的规划、切削参数 的选取。本发明针对切削参数中进给速度来进行优化以提高精加工的质量 及效率。

本发明的整体思路在于通过基于整体叶轮叶片形状来对叶片精铣加工 工艺路径进行优化，具体考虑到每个刀位点对应刀触点处叶片的厚度及悬 长，通过一个比例因子来对该刀位点的进给来进行优化。

如图1所示，本发明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：

（1）根据整体叶轮叶片的几何形状，生成基于球头半径为R_T的球头刀 叶片精加工的刀位轨迹源文件；具体而言，根据整体叶轮叶片的几何形状 和加工工艺要求在MAX-PAC软件中用球头刀规划好整体叶轮叶片的精加工 轨迹，并根据该加工轨迹导出描述刀位点坐标及刀轴矢量的刀位轨迹源文 件，后缀名为.cls，且其行格式为：

FEDRAT/F

GOTO/x，y，z,i,j,k

FEDRAT/F表示接下来的一个或多个刀位点进给速度为F，GOTO/标示符 后前三项数据x，y，z为加工坐标系下的刀位点坐标，后三项数据i，j，k 为其对应的刀轴矢量；

（2）在UG软件中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；具体而言，W大于步骤（1）中得 到的刀位轨迹源文件中每条切削路径中的刀位点数量；

（3）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，并获 取刀位轨迹源文件中所有切削路径的数量N；

（4）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：

（4-1）读取每一条切削路径中每一个刀位点信息，包括GOTO/语句中 的前三项参数[x，y，z]^q，其中q表示该条切削路径的第q个刀位点，以及后 三项数据：即第q个刀位点对应的刀轴矢量，其中T表示转置矩 阵；

（4-2）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；具体包括以下子步骤：

（4-2-1）计算该条切削路径中每个刀位点对应的刀触点；

具体而言，根据（4-1）中的刀位点[x，y，z]^q以及刀轴矢量计 算对应的刀心点坐标计算公式如下：

$x_{\mathrm{dx}}^q=x_{\mathrm{dw}}^q+R_T·i_q;$

$y_{\mathrm{dx}}^q=y_{\mathrm{dw}}^q+R_T·j_q;$

$z_{\mathrm{dx}}^q=z_{\mathrm{dw}}^q+R_T·k_q;$

然后将刀心点投影在叶片曲面上，即可得到刀触点 上式中，R_T为球头刀的球头半径。

（4-2-2）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；

具体而言，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，即当到的距离远远小于到 的距离时，认定即为关键点K，使用同种方法查找出四 个关键点K₁、K₂、K₃、K₄；如图1所示，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d_k1、d_k2，则 刀触点K₁与K₄处叶片的厚度均为δ_k1=d_k1，刀触点K₂与K₃处叶片的厚度均为 δ_k2=d_k2；

K₁与K₂之间的刀触点为Q₁、Q₂…Q_s，其中s为K₁与K₂之间刀触点的总 数，K₃与K₄之间刀触点为P₁、P₂…P_r，其中r为K₃与K₄之间刀触点的总数；

若s=r，计算刀触点Q₁到刀触点P₁的距离d₁，刀触点Q₂到刀触点P₂的 距离d₂…刀触点Q_s到刀触点P_s的距离d_s；则刀触点Q₁与P₁处叶片的厚度 δ_Q1、δ_P1均等于d₁，刀触点Q₂与P₂处叶片的厚度δ_Q2、δ_P2均等于d₂… 刀触点Q_s与P_s处叶片的厚度δ_Qs、δ_Ps均等于d_s，同时比较各厚度δ_Q1， δ_Q2…δ_Qs，Q_P1，δ_P2…δ_Ps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≠r，通过K₁与K₂之间的刀触点Q₁、Q₂…Q_s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′₂…Q′_r，然后再计算点Q′₁到刀触点P₁的距离d′₁，点Q′₂到刀触点P₂的距离d′₂…点Q′_r到刀触点P_r的距 离d′_r，即可得到叶片在K₃与K₄之间的刀触点P₁、P₂…P_r对应处的厚度 δ_P1=d′₁，δ_P2=d′₂…δ_Pr=d′_r;最后通过线性插值，得到K₁与K₂之间 的刀触点Q₁、Q₂…Q_s处叶片的厚度δ_Q1，δ_Q2…δ_Qs；同时比较各厚度δ_Q1， δ_Q2…δ_Qs，δ_P1，δ_P2…δ_Pr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。

（4-2-3）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；

具体而言，如图1所示，计算刀触点到点集U的最短距离l_min， 并以此距离作为叶片在该刀触点对应的悬长值l_q，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l_max；

（4-3）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；

具体而言，

（4-3-1）首先获取步骤（4-2-2）中划分的圆角区内刀触点（包括K₁、 K₂、K₃、K₄)对应的刀位点的进给速度F_1max，以及平滑区最大厚度处（厚 度为δ_max）对应的刀位点的进给速度F_2max，通过线性插值法得到其余厚 度值δ_Q1，δ_Q2…δ_Qs，δ_P1，δ_P2…δ_Pr处对应的刀位点的进给速度；

具体而言，K₁与K₄之间的圆角区（包括K₁、K₄）及K₂、K₃之间的圆角 区（包括K₂、K₃）内的刀触点对应的刀位点的进给均为F_1max，平滑区最大 厚度处（厚度为δ_max）对应的刀位点的进给为F_2max；

K₁与K₂之间的平滑区的刀触点Q₁、Q₂…Q_s对应的刀位点的进给速度是通 过如下线性差值公式得到：

${F_Q}_t=\frac{({\delta }_{\max }-{\delta }_{\mathrm{Qt}})(F_{2\max }-F_{1\max })}{{\delta }_{\max }-{\delta }_{k1}}$

其中t∈N且1≤t≤s；

k₃与K₄之间的平滑区的刀触点P₁、P₂…P_r对应的刀位点的进给速度是通 过如下线性差值公式得到：

$F_{\mathrm{Pw}}=\frac{({\delta }_{\max }-{\delta }_{\mathrm{Pw}})(F_{2\max }-F_{1\max })}{{\delta }_{\max }-{\delta }_{k1}}$

其中w∈N且1≤w≤r；

由此得到了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F_q0。

（4-3-2）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F_q0和该刀位点对应刀触点处的悬长l_q获取该刀位点的最终进给F_q，具体 为：

F_q=η·F_q0

其中η是比例系数，且

$\eta =\frac{(l_{\max }-l_q)\omega +l_q}{l_{\max }}$

其中ω表示叶片的顶端到末端纵深加速比例，且有ω≥1；

（4-3-3）重复（4-3-2）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。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。