五坐标加工

2025-02-01

五坐标加工（精选6篇）

五坐标加工篇1

0 引言

作为航空发动机的关键部件,整体叶轮广泛应用于航天航空等领域,其数控加工品质直接影响发动机的动力性能和机械效率[1,2]。因此,加工出高品质的整体叶轮成为国内外重点研究课题之一。高性能整体叶轮由于叶片型面复杂,导致刀位计算和无干涉刀轴矢量的计算都有一定的难度。主要表现在:1)整体叶轮叶片曲面造型复杂,多由非可展直纹面和自由曲面组成,一般需要五轴联动数控机床加工。2)整体叶轮结构复杂,叶片扭曲度大,流道深,相邻叶片的间距较小,整体叶轮加工除了要考虑刀具与被加工叶片曲面之间可能发生的干涉以外,还必须考虑刀具与相邻叶片曲面发生干涉的情况。

国内外学者整体叶轮数控加工的刀具轨迹规划方面做了大量的工作[1,2,3],其中绝大部分刀位轨迹规划算法都是针对球头刀而提出,随着现代生产对曲面的加工品质和加工效率的要求越来越高,传统的球头刀加工已远远不能满足加工要求。近年来采用具有非球头刀加工整体叶轮开始受到重视。文献[4]中基于鼓锥形刀的等残留高度提出了刀具轨迹的计算方法,表明在同等加工条件下,利用鼓锥形刀比用球头刀加工整体叶轮的效率可显著提高。

与球头刀具相比,鼓形刀具的曲率可以很大,还可设计成变曲率轮廓,更适合于加工复杂曲面[5]。在此提出了一种用鼓形刀加工整体叶轮的无干涉刀位轨迹生成算法,并开发了相应的软件功能。该算法对扭曲度大、容易发生碰撞干涉的叶片曲面,在生成高效的无干涉刀位轨迹方面具有相当的灵活性。

1 鼓形刀几何参数的确定

采用鼓形刀具数控加工叶片曲面时,合理设计鼓形刀的几何参数是避免鼓形刀具和叶片曲面之间发生局部干涉的前提之一。本文以具有单一曲率的鼓形刀具为对象进行研究,与球头刀相比,切削刃部分的曲率可以设计得更大。这样,对于同样的残留高度,可增大加工行距,使总的刀具轨迹长度变短,从而可以提高整体叶轮的数控加工效率。

鼓形刀几何参数确定的原则是:能够保证鼓形刀和被加工曲面相接触的同时,存在一个姿态使得鼓形刀和被加工对象不发生局部干涉。

如图1所示,鼓形刀鼓形最大旋转半径为R,鼓形刀母线的曲率半径为Re,鼓形刀沿轴向长度为Le。设鼓形刀和整体叶轮叶片曲面在P点接触,nc为叶片曲面在P点的单位法向矢量。设叶片曲面在P处对应的两个主曲率方向的单位矢量为e1和e2,叶片曲面在P点以弧长参数形式r(b,f)表示,(e1,e2,nc)构成接触点P处的局部坐标系。将鼓形刀中心点Tc定位在沿单位法矢nc,与P点距离为R的偏置点上;在P处的局部坐标系内,由微分几何[6,7],得鼓形刀表面的P点处局部二阶近似为

nT=0.5(keb2+kcf2) (1)

ke=1/Re (2)

kc=1/R (3)

式中:ke,kc分别为鼓形刀母线的曲率和最大旋转半径对应的最小径向曲率。被加工曲面在P点处局部二阶近似为

ns=0.5(k1b2+k2f2) (4)

式中:k1和k2分别是叶片曲面在P点处沿着e1方向和e2方向的两个主曲率。

设H为鼓形刀具表面距离叶片曲面的法向高度,即

H=nT-ns=0.5[(ke-k1)b2+(kc-k2)f2] (5)

如果鼓形刀和叶片曲面不发生干涉,则需要满足对任意的(b,f)都有H≥0,即要求ke>k1且kc>k2。

算法描述:首先将整体叶轮叶片曲面离散成足够多的离散点{Pi},i=1,2,…,n,再对每点进行分析,计算叶片曲面在该点的最大、最小曲率{k1i}和{k2i},则设K1=max{k1i},K2=max{k2i},i=1,2…,n。这样只要取kc≥K1,ke≥K2,则以此为几何参数的鼓形刀加工整体叶轮叶片曲面一定不会产生局部干涉。

2 鼓形刀刀具轨迹生成算法

刀具轨迹生成的思路是先确定刀触点,再根据鼓形刀的几何参数和刀轴矢量计算相应的刀位点。首先将整体叶轮叶片曲面的参数线作为刀触点轨迹,以小的等参数步长对轨迹进行离散;其次再计算离散轨迹线段的实际误差,剔除不必要的刀触点;再次插入关键的刀轴矢量初值,并通过样条曲线拟合来平滑所有的刀轴矢量;最后确定刀位点位置,从而得到加工效率高的刀具轨迹。

2.1 刀触点坐标的计算

刀触点是指在加工过程中刀具表面与加工曲面相接触的点。如图2所示,设当前的刀触点为p(ti),由该点通过弦截法[8]计算下一刀触点p(ti+1),并使两点之间加工误差δ不大于加工许可误差Ei。

设走刀方向为参数增加方向,即ti+1>ti,保证ti+1在一个相对较小的初始区间范围。计算走刀步长的具体操作步骤如下:

1) 将参数线离散成等分的一些离散点p(tj),j=1,2…,n。并设初始刀触点为p(ti)。

2) 假定下一刀触点的位置为p(ti+1),通过计算得到两点之间的线段距离d,并求出线段中点T。

3) 令t=(ti+ti+1)/2,得到参数线上点p(t),并计算线段中点T和参数线上点p(t)之间的距离,即加工曲面时所出现的误差δ。

4) 如果δEi,则确定下一个刀触点p(ti+1)为记录点P(u)。

2.2 刀轴矢量初始值的设置

在计算刀轴矢量时,由于相邻两个刀触点一般非常接近,其干涉环境类似,刀轴矢量变化不大,甚至可以视为相同。没有必要在每个刀触点位置都根据干涉碰撞情况计算其最优刀轴矢量,这样将降低加工效率。所以在曲面曲率变化剧烈的地方或者易发生碰撞干涉的地方设置一些关键刀轴矢量。通过后续的干涉检查,修正刀轴矢量,在生成刀位文件的过程中,使刀轴矢量在这些关键刀轴矢量间依次平滑过渡,从而生成全局平滑无干涉的刀轴矢量。

a) 如图3(a)为整体叶轮叶片间的截面线,其特点为在叶片前后缘处,曲率变化剧烈,叶盆、叶背处是由两条自由曲线组成,在实际中,由于整体叶轮叶片距离小,流道较深,所以叶盆、叶背处最容易发生干涉碰撞,根据叶片截面线的特点,刀轴矢量位置设置的基本原则是:

1) 在曲率变化剧烈处。从叶片的截面线可以看出,叶片的前后缘处曲率变化最为剧烈,如图3(b)中①③④⑥,当鼓形刀的有效切削半径小于或者接近进给方向的曲率半径的时候,由刀具的摆动误差会迅速增大,在整体叶轮表面造成啃切的现象,所以,为了避免这种情况的出现,在这四处选择插入关键的刀轴矢量。

2) 在易发生干涉碰撞处。从叶片的截面线可以看出,叶盆、叶背处曲线较为平坦,但是由于整体叶轮的流道较深,较易发生干涉碰撞,因此,为了避免全局干涉碰撞的情况出现,在②⑤处插入两个关键的刀轴矢量是非常有必要的。

b) 针对关键刀轴矢量设置过程中的一些情况,做如下说明:

1) 在同一个关键位置不能插入两个不同的刀轴矢量。如果在刀轴矢量不同,将导致刀具在该关键位置停留一段较长的时间,刀具将会产生振动,影响加工品质和效率。

2) 对于鼓形刀来说,保证其最大旋转半径的圆上的某一点与关键位置点相重合,同时把刀轴矢量设置在与走刀方向相垂直的平面内,这样有利于对残留高度的计算。

2.3 刀位点坐标的计算

刀位点数据是描述刀具在加工过程中精确的数据,通常是通过刀触点数据根据刀具几何参数推算出来的。假设鼓形刀具母线上的某一点T和端点p(ti)相重合,如图4所示,刀位点坐标计算的具体步骤如下:

1) 已知叶片曲面在端点p(ti)处的法矢和鼓形刀在点T与加工端点p(ti)相重合时的刀轴矢量,通过计算得到刀轴矢量和曲面法矢的夹角φ。

2) 计算鼓形刀母线圆心A到刀轴矢量所在直线与undefined交点的距离,如式(6):

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3) 计算刀触点T到交点B的距离,如式(7):

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4) 计算得到曲面在端点p(ti)处的法矢与刀轴矢量的交点在工作坐标系的点矢rB:

undefined

式中,rT是刀触点T在工作坐标系的点矢,i是曲面在端点p(ti)处的法矢的单位向量。

5) 计算得到刀位点D和曲面法矢与刀轴矢量交点B的距离:

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6) 最后得到刀位点在工作坐标系下的点矢rD:

undefined

式中,k是刀轴矢量的单位向量。

2.4 干涉检查

在确定好加工中的某一个姿态后,即设计好鼓形刀几何参数和确定加工时的刀轴矢量初始值,还需要通过干涉检查来调整刀轴矢量以达到避免全局干涉,检查全局干涉主要是两个方面:一是考查鼓形刀具与被加工整体叶轮叶片曲面是否存在干涉;二是考查鼓形刀具与被加工叶片的相邻叶片曲面是否存在干涉。二者交替进行,直到不存在干涉。这两个方面内容可统一看成是求刀轴矢量离散点到叶片曲面最小距离的干涉检查问题。具体流程图如图5所示:

2.5 干涉刀位的修正

一旦发现干涉,就要对刀轴矢量进行调整,即如果检查出干涉,首先,刀轴矢量就要根据干涉情况沿着法线方向旋转一定角度,其旋转的公式为[9]:

T′=T×cosθ+T×nc×T·sinθ (11)

式中:T′是旋转后的刀轴矢量,T是存在干涉时的刀轴矢量,θ是旋转角度,nc是叶片曲面的外法矢。

通过多次旋转刀轴矢量,最后得出无干涉刀轴矢量,再根据刀位坐标计算方法就可以得出新的刀位数据。

3 实例验证

应用本文的整体叶轮鼓形刀刀位轨迹生成的算法,开发了整体叶轮五坐标数控精加工软件模块,生成了鼓形刀数控加工的刀位轨迹,然后在残留高度相同的情况下,采用球头刀生成数控加工的刀位轨迹,并将其两者的刀位轨迹数目和刀位轨迹长度进行了对比,如表1所示。其中采用的鼓形刀的几何尺寸为:鼓形刀鼓形的最大旋转半径为R=4mm,鼓形刀母线的曲率半径为Re=20mm,鼓形刀沿轴向长度为Le=10mm。选择球头刀具的半径为R=4mm。结果表明,鼓形刀五坐标数控加工整体叶轮的刀位轨迹数少,刀位轨迹长度短。在其他的加工条件一样的前提下,刀位轨迹长度短意味着数控加工效率的提高。

应用本文方法,得到如图6的叶轮鼓形刀刀具轨迹图,图7为数控加工仿真图。

4 结论

1) 用微分几何方法分析了数控加工整体叶轮时鼓形刀和叶片曲面的接触状态,得到了能避免局部干涉鼓形刀最优的几何参数,即通过计算叶片曲面上点的最大法曲率的最大值来确定鼓形刀具的母线半径,通过计算叶片曲面上的最小法曲率来确定鼓形刀具的最大旋转半径。

2) 采用弦截法计算最大的走刀步长,从而确定刀触点,插入关键的刀轴矢量,采用样条函数来插值以得到平滑的刀轴矢量,根据确定的鼓形刀具的几何参数和刀轴矢量推算出刀位点的点矢。

3) 用UG/Open API二次开发技术开发了整体叶轮鼓形刀五坐标数控精加工模块,通过该模块可以生成刀具轨迹,进而得到刀位文件。

摘要：研究了用鼓形刀具进行整体叶轮五坐标数控加工的编程技术。根据鼓形刀具的几何特点,设计了一种无干涉的鼓形刀刀位轨迹生成算法,开发出整体叶轮五坐标数控加工程序生成功能模块。通过算例,证明设计的鼓形刀无干涉刀位轨迹算法是切实可行的,与球头刀相比,对于同样的残留高度,可以增大加工行距,使刀轨长度变短,可提高整体叶轮数控加工的效率。

关键词：整体叶轮,鼓形刀,数控加工

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五坐标加工篇2

整体叶轮是各类航空发动机的关键部件, 随着发动机性能要求的提高, 整体叶轮的形状也更趋复杂。目前整体叶轮加工一般采用铸造加工、电火花加工、电解加工及数控铣削加工等方法[1], 其中, 五坐标数控加工以其柔性好、零件表面质量高、效率高、生产周期短等优点而成为整体叶轮加工常采用的方法[2]。编制高质量的数控加工程序便成为数控加工整体叶轮过程中非常重要的一个环节。在编程过程中, 由于整体叶轮所具有的复杂结构, 所以刀轴矢量的生成及其光顺便成为其重中之重, 这也是零件加工过程中避免发生碰撞干涉的基础。

本文研究了开式整体叶轮五坐标数控编程过程中刀轴矢量的生成问题, 根据样条函数插值方法, 生成了全局光顺无干涉刀轴矢量, 并通过仿真实例验证了所提出方法的有效性。

1 开式整体叶轮的数控加工

本文研究的一类开式整体叶轮为整体叶轮的一种, 如图1所示, 与之相对的是闭式整体叶轮, 即所谓的带箍整体叶轮。开式整体叶轮与闭式整体叶轮各自的设计特点决定了其数控加工方式的不同, 即开式整体叶轮可以环绕叶片走刀, 同时加工叶盆与叶背, 而闭式整体叶轮则只能分别加工叶盆和叶背。由于环绕叶片加工需要刀具通过叶轮流道, 因此其刀轴矢量生成要更加复杂, 难度更大。

文献[3,4]研究了刀轴矢量干涉碰撞检测方法, 但没有涉及当发生碰撞干涉后如何对刀轴矢量进行调整;文献[5]研究了刀轴矢量的碰撞检测以及调整方法;文献[6]采用C-space方法来计算无干涉刀轴矢量, 但没有指明如何构建刀轴矢量的C-space结构。以上方法只研究某一个无干涉刀轴矢量的生成, 没有涉及全局刀轴矢量的生成及其光滑过渡问题。文献[7]首先采用C-space方法搜索每一个刀位点的无干涉刀轴矢量, 然后在每个刀轴矢量C-space范围内, 根据相邻刀轴矢量最小转动原则, 计算全局最优刀轴矢量。一方面该方法采用了过多的迭代, 导致计算效率严重下降, 另一方面该方法仍然不能保证相邻刀轴矢量之间的光滑过渡。文献[8]采用线性插值的方法计算两个关键刀轴之间的刀轴矢量, 文献[9,10]分别采用四元数的方法对两个关键刀轴矢量之间的刀轴进行光滑过渡。这些方法只适用于两个关键刀轴矢量之间的光滑过渡, 而不能处理多个关键刀轴矢量之间的过渡问题。

现有的很多研究[4,11]多注重某一个刀轴矢量的无干涉条件, 在刀位文件生成过程中, 计算每一个刀触点所对应的无干涉刀轴矢量。一方面这没有考虑到全局刀轴矢量的光顺问题, 另一方面由于相邻两个刀触点非常接近, 因此其干涉环境也类似, 其刀轴矢量完全可以相同或者变化不大, 因此没有必要计算每个刀触点所对应的无干涉刀轴矢量。笔者引入动画制作中经常采用的设置关键帧的思想, 在曲面的一些关键位置, 例如曲面曲率变化剧烈的地方或者碰撞干涉比较严重的地方, 在不发生干涉碰撞的条件下设置一些关键刀轴矢量。在生成刀位文件的过程中, 使刀轴矢量在这些关键刀轴矢量间依次平滑过渡, 从而生成全局光顺无干涉的刀轴矢量。

2 全局光顺无干涉刀轴矢量的生成

本研究以如图1所示某整体叶轮为例。设叶片径向为v参数方向, 叶片截面方向为u参数方向, 参数范围均为 (0, 1) 。走刀方式为沿叶片截面方向, 环绕叶片旋转走刀。这样走刀可以同时加工叶盆和叶背, 能够有效抑制叶片的加工变形。为简化问题, 只选取v=0.5一条等参数线进行计算, 设该曲线为

p=p (u) (1)

这样处理不影响对问题的说明。

2.1 关键刀轴矢量的选取

关键刀轴矢量需要根据加工零件特征通过交互来选取。因为目前特征识别技术还不是十分成熟, 在五坐标数控加工中仍然需要一定的人机交互。

根据该零件特征, 选取6个位置插入关键刀轴矢量, 分别是叶片前后缘两侧以及叶盆、叶背的中间位置;并根据各个位置的碰撞干涉情况, 调整其刀轴矢量。

设置好的关键刀轴矢量为ki, i=0, 1, 2, …, 5, 且使‖ki‖=1 。图2中的细实线即代表设置好的关键刀轴矢量。

2.2 关键刀轴矢量的插值

采用样条函数来插值这些关键刀轴矢量。由于本文所采用整体叶轮叶片曲面在截面方向是闭合的, 因此拟采用三次周期闭合样条函数。插值前, 在原有的关键刀轴矢量集合尾部增加一个与k0完全相同的刀轴矢量。此时关键刀轴矢量变为ki, i=0, 1, 2, …, 6。同时设ki对应于p=p (u) 上的参数为ui, i=0, 1, 2, …, 6。

在插值之前, 需要对ki进行参数化。为了保证当刀具轨迹计算到ui时, 通过样条函数计算得到的刀轴矢量为ki, 可设ki对应的参数为ui。但这会由于参数化的不均匀而造成刀轴矢量过渡的不光顺, 如图3所示。因此本文插值点的参数化仍然采用目前常用的积累弦长参数化方法。本文中的弦长不采用距离方法, 而将关键刀轴矢量之间的积累角度作为参数, 即有

式中, Δθ为ki与ki-1之间的夹角。

设插值后得到的样条函数为

k=k (s) (3)

现在的问题是通常si并不等于ui, 因此若以u参数代入该样条函数, 在ui处得到的并不是ki。因此, 需要将u参数与s参数作一个映射, 使si与ui对应起来, 从而可以通过u参数来查询样条函数的值。而此时样条函数的参数s成为刀轴矢量函数与u参数之间的媒介。

本文仍然采用样条函数插值的方法。此时的待插值为si (i=0, 1, 2, …, 6) , 设si对应的参数为ui。在对每个插值点进行参数化后还需要加入每个插值点处的切矢条件。令

这样做的目的是为了保证s为u的单调增函数。采用三次样条函数对si进行插值, 以u为参数, 设插值结果为

s=s (u) (5)

通过u参数计算得到s, 再代入到式 (3) 中, 从而生成了全局光顺的刀轴矢量, 如图4所示。

3 刀轴矢量的连续性证明

由式 (3) 、式 (5) 根据链式法则可得

$\frac{d k}{d u} = \frac{d k}{d s} \frac{d s}{d u}$ (6)

令 $\dot{k} = \frac{d k}{d s}, \dot{s} = \frac{d s}{d u}$ , 则可得

$d k = \dot{k} \dot{s} d u$ (7)

设刀具进给步长为dl, 进给速度为f, 根据弧长微分公式[11]可得到:

$\begin{array}{l} d u = \frac{d l}{| \dot{p} |} \\ \dot{p} = \frac{d p}{d u} \end{array}$

又

dl=fdt

则有

$d u = \frac{f d t}{| \dot{p} |}$ (8)

代入式 (7) 得到:

$\frac{d k}{d t} = \frac{\dot{k} \dot{s}}{| \dot{p} |} f$ (9)

设刀轴转动速度为n, 则 $n = | \frac{d k}{d t} |$ , 令N为最大允许转动速度, 则有

$n = \frac{| \dot{k} | \dot{s}}{| \dot{p} |} f \leq Ν$ (10)

从而可推出:

$f \leq \frac{| \dot{p} |}{| \dot{k} | \dot{s}} Ν$ (11)

由式 (11) 可知, 应适当选择进给速度f, 以防止刀轴转动速度超过机床最大转动速度。

式 (9) 对时间求导可得

$\frac{d^{2} k}{d t^{2}} = \frac{(\ddot{k} \dot{s}^{2} + \dot{k} \ddot{s}) - \dot{k} \dot{s} (\dot{p} \cdot \ddot{p})}{| \dot{p} |^{2}} f + \frac{\dot{k} \dot{s}}{| \dot{p} |} a$ (12)

$\ddot{k} = \frac{d^{2} k}{d s^{2}} \ddot{s} = \frac{d^{2} s}{d u^{2}} \ddot{p} = \frac{d^{2} p}{d u^{2}}$

式中, a为进给加速度。

在叶片曲面中, p=p (u) 一般为三次连续函数。由于在插值过程中采用的均是三次函数, 因此k=k (s) 以及s=s (u) 至少三次连续, 可知刀轴矢量转动速度以及转动加速度皆为连续的。这将有效地降低加工过程中机床的振动, 从而提高零件的加工质量。

4 干涉检查以及刀轴矢量调整

以上所述首先保证了刀轴矢量全局的光顺, 并且各个关键刀轴矢量不与叶片发生干涉碰撞, 但是这并不能保证相邻关键刀轴矢量之间的刀轴不与叶片发生干涉, 因此, 在按照样条函数计算刀轴矢量的同时, 需要进行干涉检查以及调整。具体做法如下:当前刀位点位于某两个关键刀轴矢量之间时, 若有干涉发生, 则记录下开始发生干涉的位置的u参数, 记为Ustart, 以及干涉结束位置的u参数, 记为Uend;然后在 (Ustart+Uend) /2处再插入一个关键刀轴矢量, 并重复之前的插值工作, 直至无干涉发生。但事实上, 只要初始关键刀轴矢量选择合适, 可以完全避免该步骤。例如本文所研究的开式整体叶轮, 按照前述选择方法, 可生成全局无干涉光顺的刀轴矢量。

5 刀位点的生成

刀位点包含刀尖点坐标以及刀轴矢量, 由刀位点形成的刀位文件经过后处理便可以输至数控机床用于加工。由于叶片曲面为自由曲面, 故应采用球头刀进行加工。

设当前刀位点所对应曲面参数为 (u, v) , 通过计算, 可得到叶片曲面该点处法矢, 沿法矢向外偏置一个刀具半径距离, 便得到球头刀刀心坐标。同时, 由参数 (u, v) , 根据前述方法得到该点处刀轴矢量, 沿刀轴矢量反方向延长一个刀具半径距离可得到刀尖点坐标, 这样便得到了刀位点。加工精度由偏置距离来保证, 即刀心点坐标影响刀具切入曲面的深度。图5所示为刀位点计算示意图, 图中, k为刀轴矢量, n为该点法矢, pc为刀触点, pt为刀尖点。

6 仿真实例

本文所使用的开式整体叶轮为某航空用整体叶轮。该零件结构复杂, 数控加工干涉严重, 因此其刀轴矢量研究非常关键。

采用文献[9,10]生成的刀轴矢量 (如图6所示) 。其刀轴转动速度与加速度曲线分别如图7、图8所示。图8中, A为最大转动加速度。文献[8]中方法与其类似, 即只能保证相邻两个刀轴矢量之间的光滑过渡, 而不能处理多个刀轴矢量之间的过渡。其问题在于在关键刀轴矢量处, 其刀轴转动速度以及加速度均发生突变, 甚至会超出机床的工作能力, 这会引起机床的振动从而影响加工质量。而本文方法则可以解决该问题。

图9所示为按式 (9) 计算出的刀轴转动速度曲线。其中的进给速度f采用定值。图9中出现两处速度突起, 这是因为当加工到叶片的前后缘处时, 由于要在很短的距离内转过很大的角度 (接近180°) , 因此转动速度迅速升高。一方面导致转动速度容易超出机床的限制, 另一方面也会造成转动加速度突然加大。因此在生成刀位文件时, 在加工到叶片前后缘处时, 应设置较低的进给速度, 这样也能避免因转动速度过大而造成的前后缘啃切现象。

图10所示为设置了不同进给速度的转动速度曲线。由图10可见, 在前后缘处, 刀轴转动速度明显降低。图11为其转动加速度图。与文献[9,10]中方法相比, 本文方法不存在速度与加速度的突变, 使刀轴变化连续, 有利于刀轴转动的平稳, 从而减小机床振动, 提高加工质量。

使用Vericut软件进行切削仿真, 图12所示为切削过程中的刀具以及毛坯, 图中只显示了一个叶片的加工。仿真结果表明, 采用本文的方法, 完全避免了加工过程中的干涉, 并且刀具运行平稳。

7 结论

本文研究了开式整体叶轮全局光顺刀轴矢量生成方法。在分析已有方法存在不足的基础上, 引入动画制作过程中设置关键帧的思想, 提出采用在刀具轨迹上设置关键刀轴矢量, 采用样条函数对其进行插值的方法来生成全局光顺无干涉的刀轴矢量, 推导了曲面参数与样条函数自变量之间的关系, 并证明了刀轴转动速度以及转动加速度的连续性, 从而保证了机床的平稳运行。

摘要：研究了一类开式整体叶轮五坐标数控加工刀轴矢量规划问题, 分析了现有刀轴矢量生成方法的不足, 借鉴动画制作中设置关键帧的思想, 提出了一种新的全局光顺刀轴矢量生成方法。首先根据该类的几何特征, 在满足不与相邻叶片以及被加工叶片发生碰撞干涉的前提下, 设置一些关键刀轴矢量, 然后采用样条函数对设置的刀轴矢量进行插值。在生成刀位文件的过程中, 通过将曲面上的参数与样条函数的自变量进行某种映射, 从而得到样条函数值, 并将该值作为该刀位点的刀轴矢量。仿真实例表明, 该方法实现了全局刀轴矢量的光顺, 实现了转动速度以及加速度的连续, 避免了因刀轴矢量突变而引起的机床振动, 改善了曲面的加工质量。

关键词：开式整体叶轮,五坐标数控加工,刀轴矢量,光顺

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五坐标加工篇3

随着科学技术的飞速发展, 数控机床的性能也有了非常大的提高, 对数控机床本身的约束也越来越小, 加工的自由度越来越大。如何提高其加工效率与加工精度一直是人们研究的热点问题。利用数控程序的高效性, 可大大提高生产率, 而结合计算机技术是实现这种结果的必要条件。三维自由度曲面通常采用球头铣刀加工, 但球头铣刀头部切削速度为零, 刀槽很浅, 切削条件差。

本研究提出四坐标侧铣方法加工叶轮等不可展直纹面理论, 并结合径流式叶轮机械轴—径型叶轮抛物面叶片的成型设计计算方法。

1四坐标侧铣方法加工叶轮

四坐标侧铣方法加工叶轮示意图, 如图1所示。

设叶轮曲面的方程为[1]:r=r (u, v) , 法线矢量n=n (u, v) 。设叶轮曲面绕其自身轴线转过θ角, 法向矢量也绕其自身轴线转过θ角, 则刀具圆柱面方程为:x=ξ, y=Rcosθ, z=Rsinθ;刀具法向矢量为[2,3]:ncx=0, ncy=cosθ, ncz=sinθ。

当刀具与叶轮接触, 即: $\frac{n_{c x}}{n_{x}^{(0)}} = \frac{n_{c y}}{n_{y}^{(0)}} = \frac{n_{c z}}{n_{z}^{(0)}}$ , 求解下列方程:

$\begin{array}{l} \begin{array}{l} n_{x}^{(0)} = 0 \\ n_{x} (u, v) \cos η - n_{y} (u, v) \sin η = 0 \end{array} (1) \\ n_{z} (u, v) \cos θ = [n_{x} (u, v) \sin η + n_{y} (u, v) \cos η] \sin θ (2) \end{array}$

由式 (1) 可求得η, 由式 (2) 可求得θ。

设刀具中心坐标为xc, yc, zc, 则:x=ξ+xc;y=Rcosθ+yc;z=Rcosθ+zc。

刀具与工件处于加工位置时, 如图2所示。由于刀具与工件接触点坐标相同, 则:

xcosη-ysinη=ξ+xc (3)

xsinη+ysinη=Rcosθ+yc (4)

z=Rsinθ+zC (5)

由式 (4) 、式 (5) 可求得yC和zC。

由于圆柱面沿轴线移动是沿曲面自身运动。对外界不产生影响, 故ξ可取为常数, 不妨取0, xc大小不影响接触条件, 要根据叶根曲面不干涉来确定。

2数控实验

数控实验的设备:MAHO 600C四轴数控加工中心, 如图3所示。

工件装夹:在加工中心圆型工作台上安装三爪卡盘 (三爪卡盘的回转中心与加工中心圆型工作台回转中心同轴) 。工件中心通过芯棒, 芯棒一端用三爪卡盘加紧、芯棒另一端用螺母紧固并固定工件。

刀具对刀示意图[4,5,6], 如图4、图5所示。

3数控程序

加工工件 (叶轮) 的数控程序清单如下 (采用相对坐标系编程) :

4结束语

本研究按相对接触条件确定圆柱刀具与工件的相对位置, 相对于端铣加工, 可大幅度减小切削余量。该方法与径流式叶轮机械轴—径型叶轮抛物面叶片的成型设计计算方法结合, 使设计计算和加工计算更方便, 加工效率更高。

参考文献

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[3]吴坚, 赵东福.用矢量差分法加工涡流增压器叶片及误差分析[J].机电工程, 1999, 16 (5) :90-92.

[4]曹利新.基于五坐标数控圆柱形刀具线接触加工自由曲面的几何学原理[J].机械工程学报, 2003, 39 (7) :134-137.

[5]MARCINAK K.Influence of surface shape on admissibletool positions in 5-axis face milling[J].Computer-AidedDesign, 1987, 19 (5) :24-30.

五坐标加工篇4

关键词：数控加工,工件坐标系,效率

1 引言

由于采用了计算机控制系统和数控机床,使得数控加工具有加工自动化程度高、精度高、质量稳定、加工效率高的优势,在生产中被广泛应用。工艺分析和加工工艺的制定(如划分工序、选取零件的定位基准、装夹方案、刀具和切削用量选择、工件坐标系的确定等)在数控加工中起到了关键的作用,直接决定了数控加工质量的好坏与成败。

工件坐标系是用来确定工件几何形体上各要素的位置而设置的坐标系,工件原点的位置是人为设定的,它是由编程人员在编制程序时根据工件的特点选定的,所以也称编程原点。考虑到对刀方便,数控车床加工零件的工件原点一般选择在工件右端面,但有时采用这种方案却很难实现零件的加工要求。结合一盘形端盖零件的加工,笔者采用将工件原点选择在工件左端面,能实现零件的高效、精确加工。

2 应用实例

零件如图1所示,前面已安排工序完成了准108的外圆的加工,中心工艺孔直径为准50,圆盘厚度为220-0.21,来料坯料如图2所示。现要求完成两侧端面、两侧准95沉孔及中心准52的通孔的数控车削加工。

综合考虑零件尺寸及车床和三爪卡盘尺寸,采用三爪卡盘正爪不能装夹,所以采用图3所示反爪定位夹紧方案,由于两端面都需要加工,若将工件原点放在工件右端面O点,则200-0.039不好保证,所以采用了将工件原点放在工件左端面O′点的方案。由于工件的端面及准95沉孔及中心准52的通孔都需要加工,综合考虑工件的装夹情况及走刀路线,决定采用一把机夹镗孔刀来实现各个部位的加工。

工件原点的建立通过车削试件对刀实现,以配置西门子802C系统的数控车床为例,具体操作为:安装好刀具后,镗削一试件内孔并精确测量出试切直径(准X),进入刀具X向对刀界面,输入试切直径(准X)并按“测量”键,完成X方向对刀;试切试件端面,沿X向退刀,精确测量试件长度(L),进入刀具Z向对刀补偿界面,输入试切试件长度(L)并按“测量”键,即可完成Z方向对刀,这样便建立了O′点处的工件坐标原点。

由于端面准95沉孔轴向尺寸小而径向尺寸较大,所以采用轴向吃刀,径向切削的分层加工方法,可减小空行程,提高加工效率。通过程序实现零件的厚度尺寸控制,加工质量和效率都得到了保证,若采用正爪装夹或将工件原点放在工件右端面O点,则很难做到厚度尺寸的控制。参考程序如下:

根据设备情况,可在一台车床上完成所有件第一侧加工后再更换程序进行第二侧的加工,也可以第一侧和第二侧分别采用两台车床进行加工。

3 结语

数控加工工艺与普通机床加工工艺之间有较大差别,涉及的内容也较广。数控加工程序的编制不仅要考虑零件的工艺过程安排,而且还要考虑工件的装夹方式、工件坐标系的确定、刀具选择、切削用量、走刀路线等方面。要求编程人员熟悉数控设备的性能、特点、运动方式、刀具系统、切削规范等并结合零件的加工要求合理确定,才能高效精确加工产品,充分发挥数控设备的效用。

参考文献

[1]顾京.数控机床加工程序编制[M].北京:机械工业出版社,1999.

五坐标加工篇5

1.1 三个坐标的基本概念

机床坐标系就是用机床零点作为原点的坐标系。机床原点是机床上的一个固定的点，由制造厂家确定。因此机床坐标系是数控机床安装调试时便设定好的固定坐标系。编程坐标系是编程人员根据零件图样及加工工艺等建立的坐标系，其工件原点即为编程原点。编程坐标系是供编程使用的，确定编程坐标系时不必考虑工件毛坯在机床上的实际位置。工件坐标系就是以确定工件原点为基准而建立的坐标系，数控机床在加工工件的运行过程中就是在工件坐标系中运行的。

1.2 三个坐标系的关系

一般机床坐标系原点是固定的，而编程坐标系原点可自行设定。编程坐标系中各轴的方向应与所使用的数控机床相应的坐标轴方向一致。一般通过对刀操作来确定编程原点在机床坐标系中的坐标是多少。对刀的过程就是建立编程坐标系与机床坐标系之间的关系的过程。把对刀后设置的坐标系即为工件坐标系。

2 数控加工的三个坐标系的确定方法

2.1 机床坐标系的确定

数控机床上的坐标系是采用右手直角笛卡尔坐标系。机床开机后，一般采用“回零”操作来确定机床坐标系的原点。机床各坐标轴及其正方向的确定原则是：先确定Z轴，以平行于机床主轴的刀具运动坐标为Z轴。再确定X轴，X轴为水平方向且垂直于Z轴并平行于工件的装夹面。在确定了X、Z轴的正方向后，即可按右手定则定出Y轴正方向。上述坐标轴正方向，均是假定工件不动，刀具相对于工件作进给运动而确定的方向，即刀具运动坐标系。

2.2 编程坐标系的确定

工件原点一般按如下原则选取：车床的工件原点一般设在主轴中心线上，多定在工件的左端面或右端面。铣床的工件原点，一般设在工件外轮廓的某一个角上或工件对称中心处，进刀深度方向上的零点，大多取在工件表面。对于形状较复杂的工件，有时为编程方便可根据需要通过相应的程序指令随时改变新的工件坐标原点;对于在一个工作台上装夹加工多个工件的情况，在机床功能允许的条件下，可分别设定编程原点独立地编程。

2.3 工件坐标系的确定

加工原点是零件被装夹好后，相应的编程原点在机床坐标系中的位置。工件坐标系的确定在FANUC系统中通常有以下三种方法：

第一种是通过对刀将刀偏值写入参数从而获得工件坐标系。这种方法操作简单，可靠性好，它通过刀偏与机械坐标系紧密的联系在一起，只要不断电、不改变刀偏值，工件坐标系就会存在且不会变，即使断电，重启后回参考点，工件坐标系还在原来的位置。第二种是用G50设定坐标系，对刀后将刀移动到G50设定的位置才能加工。对刀时先对基准刀，其他刀的刀偏都是相对于基准刀的。

第三种方法是MDI参数，运用G54～G59可以设定六个坐标系，这种坐标系是相对于参考点不变的，与刀具无关。这种方法适用于批量生产且工件在卡盘上有固定装夹位置的加工。

3 数控机床的对刀操作方法

在进行零件加工时必须将编程原点转化为加工原点，确定好加工原点的位置后，在数控系统中给予设定。而机械坐标系是机床唯一的基准，所以必须要弄清楚程序原点在机械坐标系中的位置，这通常由对刀过程中完成。对刀是数控加工中的主要操作和重要技能。对刀的准确性决定了零件的加工精度，同时，对刀效率还直接影响数控加工效率。本文针对FANUC数控系统介绍几种常用的对刀操作方法：

1）直接用刀具试切对刀

步骤如下：

(1)用外圆车刀先试车一外圆，记住当前X坐标，测量外圆直径后，用X坐标减外圆直径，所的值输入offset界面的几何形状X值里。

(2)用外圆车刀先试车一外圆端面，记住当前Z坐标，输入offset界面的几何形状Z值里。

(3)其它刀具分别尽可能接近试切过的外圆面和端面，把第一把刀的X方向测量值和Z0直接键入到offset工具补正/形状界面里相应刀具对应的刀补号X、Z中，按测量即可。

(4)刀具刀尖半径值可直接进入编辑运行方式输入到offset工具补正/形状界面里相应刀具对应的刀补号R中。

2）用G50设置工件零点

步骤如下：

(1)用外圆车刀先试车一外圆，测量外圆直径后，把刀沿Z轴正方向后退一些，切端面到中心(X轴坐标减去直径值)。

(2)选择MDI方式，输入G50 X0 Z0，启动START键，把当前点设为零点。

(3)选择MDI方式，输入G0 X150 Z150，使刀具离开工件进刀加工。

(4)、(5)步骤同方法1的步骤(4)、(5)。

3）用G54-G59设置工件零点

步骤如下：

(1)用外圆车刀先试车一外圆，测量外圆直径后，把刀沿Z轴正方向退点，切端面到中心。

(2)把当前的X和Z轴坐标直接输入到G54----G59里, 程序直接调用如:G54X50Z50。

(3)、(4)步骤同方法1的步骤(4)、(5)。

4 结论

要弄清楚程序原点在机械坐标系中的位置, 先要清楚对刀操作的过程, 而对刀操作必须搞清楚机床的三个坐标系之间的关系。因此在数控编程和加工中, 只有弄清出基本坐标关系和掌握对刀操作, 才能用数控机床加工出合格的零件。

参考文献

[1]顾京主编.数控加工编程及操作.

[2]楼章华主编.数控编程与加工.

五坐标加工篇6

随着数控加工技术不断朝高速、超高速、高精密、多轴联动及工艺的复合化加工的方向发展, 数控五坐标铣削加工应用的范围将不断扩大。五坐标铣削加工不再仅限于叶轮、叶片等复杂零件的加工, 对于涉及空间曲面的凸凹模、大型整体零件的结构特征应用范围逐渐扩大, 通过利用立铣刀的侧刃和底刃, 五坐标铣削加工可以避免球头刀的零速切削、零件的多次定位装夹等缺陷, 可在很大程度上提高产品的加工效率和质量。开发出FANUC五坐标数控铣床专用后置处理程序, 并加工出惯性平台台体等复杂零件, 证明了本文提出的方法是可行的。

一、后置处理程序的作用

后置处理程序将CAM系统通过铣床的CNC系统与铣床数控加工紧密结合起来。后置处理最重要的是将CAM软件生成的刀位轨迹转化为适合数控系统加工的NC程序, 通过读取刀位文件, 根据铣床运动结构及控制指令格式, 进行坐标运动变换和指令格式转换。通用后置处理程序是在标准的刀位轨迹以及通用的CNC系统的运动配置及控制指令的基础上进行处理的, 它包含铣床坐标运动变换、非线性运动误差校验、进给速度校验、数控程序格式变换及数控程序输出等方面的内容。只有采用正确的后置处理系统才能将刀位轨迹输出为相应数控系统铣床能正确进行加工的数控程序, 因此编制正确的后置处理程序是五坐标数控铣削编程与加工的前提条件之一。

二、五坐标数控铣床的铣床运动学求解

铣床运动学求解, 主要包括转动轴转动角度计算和经过转动后的3个移动坐标X、Y、Z值的求解。对于不同类型运动关系的数控铣床, 运动学求解算法是不同的。下面以较复杂的FANUC五坐标数控铣床为例来讨论后置处理坐标转换及回转角度计算方法。FANUC五坐标数控铣床的运动坐标包括3个移动坐标X、Y、Z和2个转动坐标A、C, A、C回转轴交于一点。

1、A、C转角的计算

工作台 (工件) 相对刀具转动, 其转角以顺时针方向为正方向。将刀轴矢量a绕轴顺时针转动C角到 (-Yc) (+Zc) 平面上, 再将刀轴矢量绕Xc轴顺时针转动A角到与Zc坐标方向一致, 这样, 转动可以保证。这样就完成了刀轴矢量的转换, 即刀具相对于工件的转动或摆动。对于FANUC五坐标数控铣床, 为实现以上转换, 工作台的动作为工作台绕C回转轴顺时针转动C角, 工作台A回转轴顺时针转动A角。

2、铣床运动坐标X、Y、Z的计算

求刀具参考点经工作台 (工件) 转动后在铣床加工坐标系Or XYZ中的位置坐标, 即铣床的运动坐标X、Y、Z。

(1) 将CAM加工坐标系Om XYZ平移到铣床加工坐标系OrXYZ, 变换矩阵为

(2) 刀轴矢量绕Z轴旋转C角, 变换矩阵为

(3) 刀轴矢量绕X轴旋转A角, 变换矩阵为

则

将式 (4) 展开可得

五坐标加工的铣床运动坐标是刀具相对于铣床加工坐标系的坐标, 而不是刀具相对于CAM加工坐标系的坐标, 这也是本步计算的依据。一般情况下, 由于CAM加工坐标系能够较为方便地移动及设置, 为了减少参数设置及计算方便, 将CAM加工坐标系Om XYZ与铣床加工坐标系OrXYZ设置为同一坐标系, Om Or=d=0即。由此, 式 (5) 便可简化为式 (6) , 亦即

三、CAM加工坐标系设置与FANUC五坐标数控铣床专用后置处理程序实现

1、CAM加工坐标系设置

刀位文件是相对CAM坐标原点和坐标轴生成的。CAM加工坐标系的原点就是铣床上的程序零点 (对刀点) , CAM加工坐标系的3个轴的方向就是铣床刀轨的方向, 所以在确定CAM加工坐标系的方向和原点位置时, 应当从现场加工的实际需要出发, 保证毛坯在铣床上的位置便于装夹、找正和加工。

对于多轴 (4轴或5轴) 联动加工, 由于刀位文件数据需要通过后置处理程序进行坐标转换, CAM加工坐标系的设置需反映铣床部分信息及数据。

后置处理数据坐标转换是围绕铣床加工坐标系坐标原点和坐标轴进行的, 对于双转台五坐标加工中心, 铣床加工坐标系原点只有设在A、C旋转轴的交点, 才能实现数据坐标转换后加工程序的正确性。为保证与铣床加工坐标系一致, CAM加工坐标系坐标原点要设置在沿C旋转轴、距工作台端面向下一个旋转轴偏置值处。

2、FANUC五坐标数控铣床专用后置处理程序的实现

FANUC五坐标数控铣床属双转台五坐标加工中心, 配置了FANUC SERIES 18I控制系统。根据解释执行的原则, 后置处理程序采用面向对象的方法开发, 采用公式 (1) 、 (2) 、 (6) 进行坐标转换部分程序设计;根据铣床控制系统要求进行代码转换部分程序设计。程序读入刀位文件中的数据, 经过坐标转换和代码转换, 将数控程序输出到相应文件中。

四、结语

本文对五坐标数控铣床运动学求解进行了较为详细的论述, 推导出该类铣床后置处理转角计算公式和坐标转换计算公式。并且实现了FANUC五坐标数控铣床专用后置处理程序。在该设备上加工惯性平台台体等复杂零件的应用表明, 本文开发的专用后置处理程序生成的数控程序可以满足FANUC五坐标数控铣床加工的需要。

摘要：程序的编写是CAD/CAM系统中最能明显发挥效益的环节之一。后置处理是编程技术的重要环节。

关键词：数控编程,算法研究,后处理

参考文献

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[4]刘立.数控铣床编程与操作.北京理工大学出版社, 2006.8.

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