叶片五轴加工数控程序评价及优化方法

1.本发明涉及数控加工控制的技术领域，尤其涉及叶片五轴加工数控程序评价及优化方法。


背景技术：

2.叶片类零件作为航空航天、能源、轮机发电等领域的重要回转部件，通常由复杂曲线曲面拟合而成，造型难度大。由于其应用于高精度领域，叶片的加工质量将直接影响大型设备的能量转换效率，故对叶片的加工制造技术提出了非常高的要求。高精度叶片通常在五轴机床上进行加工，先对叶片的整个加工过程进行路径规划，再通过ug软件加工模块内置的后处理器将叶片刀位文件转化为数控代码，数控代码中包含了叶片加工过程的所有走刀位置，根据切削过程的平稳性判断数控代码的质量。
3.叶片类零件的数控加工程序存在多个评价指标：程序通用性评价指标，如在改变叶片曲面加工的走刀行距时，只需简单修改某个参数而不用重新编写整个程序；稳定性评价指标，如加工叶片时的刀具半径或者位置发生变化，不需要修改程序便可以完成整个加工；此外还有程序的可读性、运行成本等评价指标。但以上的指标都是基于叶片在加工过程中质量稳定的基础上进行的评价，叶片类零件作为薄壁型复杂曲面零件的代表，在叶身的进出气边与叶盆叶背的连接处存在巨大的曲率突变，刀具姿态在此处的可能会出现剧烈的变化，导致移动轴速度、转动轴角速度以及加速度和切削力等动力学参数发生较大的变化，叶片表面出现划痕或过切现象，导致整个叶片的报废，从而对企业造成巨大的损失。
4.因此，在五轴加工的过程中要充分考虑叶片曲面的曲率突变，通过进一步分析移动轴和旋转轴的动力学特性，得到曲率变化急剧处易发生突变的动力学参数，并采用算法对动力学参数进行优化以达到加工曲面平滑光顺的目的。因此，数控程序的质量决定了最终叶片产品的性能，对数控程序进行评价并减少速度、加速度和切削力等动力学参数的突变以保证五轴切削加工的均匀性是目前亟须解决的问题。同时，切削过程的平稳性是评价叶片五轴加工nc程序的关键指标，建立完备的评价体系来评价nc程序的质量是叶片加工的关键。


技术实现要素：

5.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
6.鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
7.因此，本发明解决的技术问题是：现有的叶片五轴数控程序加工过程中刀轴矢量变化剧烈，曲率变化较大处存在叶片整体不光顺，零件加工质量不符合要求的问题。
8.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案，包括：
9.采用路径规划算法对叶片加工路径进行整体规划并获取nc程序；
10.根据所述nc程序的评价标准建立刀轴整体矢量的优化算法；
11.利用优化算法通过ug软件后置处理生成刀轴矢量优化后的数控程序；
12.解析nc程序代码获取旋转轴有效数据，遍历所有相邻刀触点，判断动力学参数突变情况，得到最优程序实现最优评价。
13.作为本发明所述的叶片五轴加工数控程序评价及优化方法的一种优选方案，其中：所述路径规划算法，包括：
[0014][0015]
其中，c为沿着刀具路径的刀轴矢量的总变化量，t
j1
为初始刀具的刀轴矢量参数，为k处的刀轴矢量的变化量，k为刀位点数目，w为相邻刀轴间的角速度变化量，为i 1处的刀轴矢量的变化量。
[0016]
作为本发明所述的叶片五轴加工数控程序评价及优化方法的一种优选方案，其中：nc程序信息包括：三个平移轴的位置变化，a、b两个旋转轴的位置，角度变化量，刀触点，刀位点和进给速度。
[0017]
作为本发明所述的叶片五轴加工数控程序评价及优化方法的一种优选方案，其中：评价标准包括：旋转轴的角速度和角加速度变化量。
[0018]
作为本发明所述的叶片五轴加工数控程序评价及优化方法的一种优选方案，其中：所述旋转轴的角速度、角加速度，包括：
[0019]
角速度表示为：
[0020][0021]
其中，f为机床进给率，da为a轴转角变化量，dl为相邻刀位点间的距离，dt为时间的变化量；
[0022]
角加速度表示为：
[0023][0024]
其中，ω为角速度，f为机床进给率，da为a轴转角变化量，dl为相邻刀位点间的距离，dt为时间的变化量。
[0025]
作为本发明所述的叶片五轴加工数控程序评价及优化方法的一种优选方案，其中：刀轴整体矢量的优化算法，包括：以机床旋转轴的角加速度最小为优化目标，利用多元函数极值条件，通过指定关键刀轴矢量的方式进行求解，对超限区域的刀轴矢量局部修正；
[0026]
最小的刀轴矢量变化量，表示为：
[0027][0028][0029]
其中，c为沿着刀具路径的刀轴矢量的总变化量，t
j1
为初始刀具的刀轴矢量参数，
为k处的刀轴矢量的变化量，δsi为刀位点cli与刀位点cl
i 1
之间的距离，ti为i处的刀轴变化量，t
i 1
为i 1处的刀轴变化量，w为相邻刀轴间的角速度变化量，λ为相邻刀位点之间刀轴矢量角速度变化的阈值，λ的取值为沿刀具路径的刀轴矢量整体变化的平均值。
[0030]
作为本发明所述的叶片五轴加工数控程序评价及优化方法的一种优选方案，其中：ug软件后置处理包括：
[0031]
在刀具离散可达方向锥的范围内进行刀轴矢量优化，利用沿刀具路径的刀轴矢量总的变化量评判角加速度变化的程度评价程序的好坏；
[0032]
当刀轴矢量总的变化量大于阀值时，角加速度变化大，程序差；
[0033]
当刀轴矢量总的变化量小于阀值时，角加速度变化小，程序优。
[0034]
作为本发明所述的叶片五轴加工数控程序评价及优化方法的一种优选方案，其中：获取旋转轴有效数据，包括：刀轴姿态和相邻刀轴之间的角度变化。
[0035]
作为本发明所述的叶片五轴加工数控程序评价及优化方法的一种优选方案，其中：判断动力学参数突变情况包括:
[0036]
当曲率突变处的相邻刀轴矢量夹角小于刀轴矢量整体变化的平均值时，叶片在曲率突变整体光顺；
[0037]
当曲率突变处的相邻刀轴矢量夹角大于刀轴矢量整体变化的平均值时，叶片在曲率突变非光顺，需要优化。
[0038]
作为本发明所述的叶片五轴加工数控程序评价及优化方法的一种优选方案，其中：得到最优程序实现最优评价包括：
[0039]
通过指定关键刀轴矢量的方式进行求解，对超限区域的刀轴矢量局部修正，从刀具初始点开始，延伸至下个刀具与叶片曲面的接触点为止，通过遍历所有相邻刀触点生成最短路径，完成曲率突变处的整体光顺，达到最优评价。
[0040]
本发明的有益效果：本发明提供的叶片五轴加工数控程序评价及优化方法，基于叶片的五轴加工工艺特点，建立了nc程序的评价及优化方法，以数控仿真加工的结果为基础，将叶片曲率突变处旋转轴的角速度及角加速度变化量作为评价依据，建立刀轴矢量光顺度指标，通过刀轴矢量整体优化算法改变非光顺处的刀具位姿，实现了叶片曲率变化处的整体光顺，提高了nc程序的质量和叶片的加工精度。
附图说明
[0041]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
[0042]
图1为本发明一个实施例所述的叶片五轴加工数控程序评价及优化方法的叶片五轴加工数控程序评价方法流程图；
[0043]
图2为本发明一个实施例所述的叶片五轴加工数控程序评价及优化方法的双摆头五轴机床加工叶片示意图；
[0044]
图3为本发明一个实施例所述的叶片五轴加工数控程序评价及优化方法的优化前
的相邻刀轴矢量位姿角度变化量示意图；
[0045]
图4为本发明一个实施例所述的叶片五轴加工数控程序评价及优化方法的优化后的相邻刀轴矢量位姿角度变化量示意图；
[0046]
图5为本发明一个实施例所述的叶片五轴加工数控程序评价及优化方法的3个相邻刀位点示意图；
[0047]
图6为本发明一个实施例所述的叶片五轴加工数控程序评价及优化方法的优化前a轴角加速度与刀位点关系图；
[0048]
图7为本发明一个实施例所述的叶片五轴加工数控程序评价及优化方法的优化后a轴角加速度与刀位点关系图。
具体实施方式
[0049]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
[0050]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0051]
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0052]
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0053]
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0054]
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0055]
实施例1
[0056]
参照图1，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了叶片五轴加工数控程序评价及优化方法，包括：
[0057]
s1:采用路径规划算法对叶片加工路径进行整体规划并获取nc程序；
[0058]
更进一步的，路径规划算法，包括：
[0059][0060]
其中，c为沿着刀具路径的刀轴矢量的总变化量，t
j1
为初始刀具的刀轴矢量参数，为k处的刀轴矢量的变化量，k为刀位点数目，w为相邻刀轴间的角速度变化量，为i 1处的刀轴矢量的变化量。
[0061]
更进一步的，nc程序信息包括：三个平移轴的位置变化，a、b两个旋转轴的位置，角度变化量，刀触点，刀位点和进给速度。
[0062]
s2:根据nc程序的评价标准建立刀轴整体矢量的优化算法；
[0063]
更进一步的，评价标准包括：旋转轴的角速度和角加速度变化量。
[0064]
应说明的是，相邻刀触点的球头铣刀离散可达姿态数量众多，计算量大，截取典型叶片叶身曲率突变处的刀轴矢量变化作为参考依据，以相邻刀轴矢量之间的矢量夹角及加工时间评价数控程序，提高五轴机床加工叶片的加工精度，减少废品率。
[0065]
更进一步的，旋转轴的角速度、角加速度，包括：
[0066]
角速度表示为：
[0067][0068]
其中，f为机床进给率，da为a轴转角变化量，dl为相邻刀位点间的距离，dt为时间的变化量；
[0069]
角加速度表示为：
[0070][0071]
其中，ω为角速度，f为机床进给率，da为a轴转角变化量，dl为相邻刀位点间的距离，dt为时间的变化量。
[0072]
更进一步的，刀轴整体矢量的优化算法，包括：以机床旋转轴的角加速度最小为优化目标，利用多元函数极值条件，通过指定关键刀轴矢量的方式进行求解，对超限区域的刀轴矢量局部修正；
[0073]
最小的刀轴矢量变化量，表示为：
[0074][0075][0076]
其中，c为沿着刀具路径的刀轴矢量的总变化量，t
j1
为初始刀具的刀轴矢量参数，为k处的刀轴矢量的变化量，δsi为刀位点cli与刀位点cl
i 1
之间的距离，ti为i处的刀轴变化量，t
i 1
为i 1处的刀轴变化量，w为相邻刀轴间的角速度变化量，λ为相邻刀位点之间刀轴矢量角速度变化的阈值，λ的取值为沿刀具路径的刀轴矢量整体变化的平均值。
[0077]
应说明的是，具体的评价体系是根据刀轴矢量在相邻刀位点处的角加速度变化大小来衡量的，若球头铣刀在相邻刀位点处夹角很小即刀轴方向不发生改变，为0的理想状态
时，刀轴矢量光顺度越高，加工程序就越好，反之需要优化；通过相邻刀位点处的刀具姿态和角加速度变化量检索到变化量最小的角加速度，得到最优的nc程序。
[0078]
s3:利用优化算法通过ug软件后置处理生成刀轴矢量优化后的数控程序；
[0079]
更进一步的，ug软件后置处理包括：
[0080]
在刀具离散可达方向锥的范围内进行刀轴矢量优化，利用沿刀具路径的刀轴矢量总的变化量评判角加速度变化的程度评价程序的好坏；
[0081]
当刀轴矢量总的变化量大于阀值时，角加速度变化大，程序差；
[0082]
当刀轴矢量总的变化量小于阀值时，角加速度变化小，程序优。
[0083]
应说明的是，通过优化算法将nc程序的质量问题转化为相邻刀具矢量变化角度的求解问题，达到了刀具姿态角度变化小、叶片关键曲率突变处整体光顺的效果，提高了nc程序的质量和叶片类零件的加工效率
[0084]
s4:解析nc程序代码获取旋转轴有效数据，遍历所有相邻刀触点，判断动力学参数突变情况，得到最优程序实现最优评价；
[0085]
更进一步的，判断动力学参数突变情况包括:
[0086]
当曲率突变处的相邻刀轴矢量夹角小于刀轴矢量整体变化的平均值时，叶片在曲率突变整体光顺；
[0087]
当曲率突变处的相邻刀轴矢量夹角大于刀轴矢量整体变化的平均值时，叶片在曲率突变非光顺，需要优化。
[0088]
应说明的是，相邻刀触点的离散可达铣削角相同，曲率突变处刀具均采用相同的姿态，相邻刀触点在该刀具方向上连续且无干涉，叶片加工曲线曲面整体光顺度良好。
[0089]
更进一步的，得到最优程序实现最优评价包括：
[0090]
通过指定关键刀轴矢量的方式进行求解，对超限区域的刀轴矢量局部修正，从刀具初始点开始，延伸至下个刀具与叶片曲面的接触点为止，通过遍历所有相邻刀触点生成最短路径，完成曲率突变处的整体光顺，达到最优评价。
[0091]
应说明的是，基于刀轴矢量整体优化算法，通过分析非光顺处的刀位点信息，遍历与之相邻的刀具姿态，进行刀具与叶片的干涉检测，若未发生干涉则保留此对刀具姿态，否则对此刀位点进行标定并修刀具姿态，直到达成评价标准，优化算法能够精准评价nc程序的质量，提高复杂叶片类零件加工的精度和效率。
[0092]
实施例2
[0093]
参照图2～7，为本发明的第二个实施例，为验证有益效果，采用等截面法对刀具路径进行规划，利用ug加工模块创建刀具及工序，对叶身进行整体仿真加工，进行科学验证。
[0094]
叶片五轴加工装置如图2所示：刀具主轴100的三个直线轴符合右手笛卡尔坐标原则，只进行平移运动；球头铣刀200安装在刀具主轴100上，用于叶片的加工，刀具可根据叶片加工面的不同进行调换；待加工叶片700安装在叶片夹具300上，整个固定于b轴回转轴600中，b轴回转轴600固定于机床工作台上，可做小于360
°
摇摆运动；a轴回转轴500同样也固定在机床工作台400上，可使工作台400做360
°
的回转运动；a轴回转轴500和b轴回转轴600正交于工作台400上，且分别平行于x轴和y轴；b轴回转轴600的摆动会改变a轴回转轴500的方向，a轴回转轴500的转动无法改变b轴回转轴600的方向。
[0095]
加工过程中3个连续的刀位点如图5所示，刀点位经后处理模块得到每一层切削过
程的具体刀位信息，平移轴及a、b转轴坐标变换信息。
[0096]
通过图3和图4可以看出，球头铣刀101a从刀触点cc1到下一个刀触点cc2的刀具姿态，加工前后经过了叶片叶身的一个曲率突变，刀轴变化矢量的夹角较大；101b在刀触点cc1处的刀轴矢量方向，102b为在刀触点cc2处的刀轴矢量方向,由于101b为初始刀具位置，刀具102b在经过刀轴矢量整体优化后刀具姿态做了较大的改变，刀轴矢量参数由t
j2
变为t
j 12
，两刀轴矢量的夹角w2(t
j1
,t
j2
)相较于优化前整体变小，相邻刀触点加工前后时间间隔变短，刀具路径就越短，加工过程效率越高。
[0097]
结合图6和图7，采用每隔20个刀位点选取一个刀位点的方法，以刀位点编号为横坐标，以a轴角速度为纵坐标。通过刀位点编号和a轴角速度的关系能够直观地看出传统方法的加速度在所截取的刀位点之间发生了较大突变，切削过程不稳定；本发明方法a轴的角加速度相对平缓，并没有发生较大的突变，整体切削过程趋于平稳，达到了刀具姿态角度变化小、叶片关键曲率突变处整体光顺的效果。
[0098]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。