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1、(10)申请公布号 CN 103513606 A (43)申请公布日 2014.01.15 CN 103513606 A (21)申请号 201310289369.4 (22)申请日 2013.07.09 G05B 19/19(2006.01) B23C 3/18(2006.01) (71)申请人 西北工业大学 地址 710072 陕西省西安市友谊西路 127 号 (72)发明人 任军学 林谦 李祥宇 曾婧雯 李珊珊 杨俊 祝起凡 (74)专利代理机构 西北工业大学专利中心 61204 代理人 陈星 (54) 发明名称 一种自由曲面叶片最佳直纹包络面生成方法 (57) 摘要 本发明公开了一种自。
2、由曲面叶片最佳直纹包 络面生成方法， 首先对叶片进行偏置， 并采用先缩 短后切向延长的方法进行预处理， 得到待包络曲 面 ； 然后利用垂直于叶轮或叶盘轴向的若干等距 平面截取待包络曲面， 得到自由曲面截面线 ； 针 对自由曲面截面线， 根据其端点连线与自由曲面 截面线的位置关系及自由曲面截面线的凹凸性， 采用残留余量最大值最小化方法， 生成其最佳包 络直线 ； 最后以所有最佳包络直线的两端点为型 值点， 分别生成两条样条曲线， 以生成的两条样条 曲线为准线， 生成自由曲面的最佳直纹包络面。 以 本发明方法生成的最佳直纹包络面作为刀具驱动 面， 既能保证加工余量的均匀性， 又能避免加工中 出现过。
3、切现象， 显著提高了粗加工效率。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书4页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103513606 A CN 103513606 A 1/2 页 2 1. 一种自由曲面叶片最佳直纹包络面生成方法， 其特征在于包括以下步骤 : 步骤 1. 对叶片进行预处理 ； 选择通道区域内的叶背面， 找出叶背面沿叶盘轴向的最高 点和最低点， 将叶背面向包络侧偏置生成叶背偏置面， 偏置距离为加工所用的刀具半径加 上粗加工余量， 粗加工余量取 0.3 1.5mm 。
4、； 然后， 将叶背偏置面缩短至叶背面与前、 后橼连 接处， 去掉橼头部分， 沿切向延长叶背偏置面， 直到叶背偏置面的上边界线所有点高于最高 点， 叶背偏置面的下边界线所有点低于最低点， 得到待包络曲面， 即为将要直纹包络的自由 曲面 ； 步骤 2. 沿叶盘轴向在最高点与最低点之间划分 n 等距离点， 其中， 划分的 n 个等距离 点包括最高点和最低点， 且 n 为大于或等于 10 的整数 ； 过这 n 个等距离点作垂直于叶盘轴 向的 n 个等距平面， 等距平面与待包络曲面的 n 条交线即为所要包络的自由曲面截面线 ； 步骤 3. 自由曲面截面线为三次或三次以上的样条曲线， 其中， n 次样条曲。
5、线在节点处 n-1 次连续 ； 连接自由曲面截面线两端点得到端点连线， 在端点连线所在等距平面内， 使端 点连线与 x 轴重合， 以靠近叶根的端点为原点， 指向叶尖的方向为 x 轴正方向， 垂直于 x 轴 并指向包络侧的方向为 y 轴正方向， 建立直角坐标系 ； 根据端点连线与自由曲面截面线的 位置关系及自由曲面截面线的凹凸性， 分三种不同情况， 按照最大残留余量最小的原则生 成自由曲面截面线的最佳包络直线 : A. 当端点连线位于自由曲面截面线的包络侧， 即自由曲面截面线上所有点的纵坐标都 小于或等于端点连线上所有点的纵坐标时， 则该端点连线即为所求的最佳包络直线 ； B 当端点连线未在自由。
6、曲面截面线的包络侧， 且自由曲面截面线为单凸时， 自由曲面 截面线上存在纵坐标大于端点连线上对应点的纵坐标的点， 且自由曲面截面线上所有点的 二阶导数大于零 ； 对于自由曲面截面线最佳包络直线的具体生成过程如下 : （1） 在自由曲面截面线上按照精度要求等弧长离散k个点， 过这k个点中的每一点作自 由曲面截面线的切线， 得到 k 条切线 ； （2） 在切线上按照精度要求等距离离散 m 个点 ； （3） 求切线上离散点与自由曲面截面线上对应点之间的纵坐标之差， 判断纵 坐标之差 是否大于或等于零， 若纵坐标之差大于或等于零则进入 (4) ； 若纵坐标之差小于零， 则舍弃 该条切线进入 (2)， 。
7、继续下一条切线 ； （4） 重复 (3)， 直到求出切线上所有离散点与自由曲面截面线上对应的点之间的纵坐标 之差 ； （5） 求出上述所有离散点对应的纵坐标之差中的最大值， 并记为该切线所对应的纵坐 标之差的最大值 ； （6） 重复 (2) (5)， 直到求出所有切线所对应的纵坐标之差的最大值 ； （7） 求出上述所有切线对应的纵坐标之差的最大值中的最小值 ； （8） 在自由曲面截面线上加密离散点， 重复 (1) (7) 进行多次迭代， 直到最小值无明 显改善或 k 值足够大时， 终止迭代， 则最后一次迭代得到的切线即为所求的最佳包络直线 ； C. 当端点连线未在自由曲面截面线的包络侧， 且自。
8、由曲面截面线不为单凸时， 自由曲 面截面线上存在纵坐标大于端点连线上对应点的纵坐标的点， 且自由曲面截面线上存在二 阶导数不大于零的点 ； 可先求出最佳包络直线的生成区域简化后续计算量， 即先从两端点 向自由曲面截面线作切线， 则自由曲面截面线上两切点之间的区域即为最佳包络直线的生 权 利 要 求 书 CN 103513606 A 2 2/2 页 3 成区域， 在该区域上按照 2 中的方法即可生成自由曲面截面线的最佳包络直线 ； 步骤4.按照步骤3所述的方法生成所有自由曲面截面线的最佳包络直线后， 以这些直 线的两端点为型值点， 分别构造直纹面的两条准线生成直纹面， 则直纹面即为所求的最佳 直。
9、纹包络面。 权 利 要 求 书 CN 103513606 A 3 1/4 页 4 一种自由曲面叶片最佳直纹包络面生成方法 技术领域 0001 本发明涉及一种自由曲面叶片最佳直纹包络面生成方法， 属于数控加工技术领 域。 背景技术 0002 随着数控加工技术的发展， 在航空航天、 汽车制造、 造船等诸多领域 , 大量采用了 自由曲面类零部件。 这些复杂产品的自由曲面类零部件， 对其制造技术的要求非常高， 尤其 像叶片这种多约束的复杂自由曲面， 其高效加工技术更是近年来研究的热点与难点。目前 对于此类零件的粗加工， 采用插铣加工的方法。 插铣是一种高效的粗加工方法， 加工时刀具 沿刀轴方向进给运动。
10、， 利用底部的切削刃进行钻、 铣组合。对于整体叶盘类零件， 插铣加工 时需要求出叶片的直纹插铣边界， 然后在插铣边界内生成插铣刀位轨迹， 其涉及到自由曲 面叶片直纹包络面的生成。在现有公开的文献 开式整体叶盘四坐标高效开槽插铣工艺方 法 及 整体叶轮插铣粗加工算法 中， 前者采用基于最小面积原理的直纹包络面生成方法， 生成叶片的直纹包络面作为插铣边界， 虽然能够保证最大的材料去除量， 但加工表面可能 会留下不均匀的余量， 导致后续半精加工、 精加工时余量差异大， 影响零件表面加工质量 ； 后者采用基于最小二乘发原则的直纹包络面生成方法， 生成叶片的直纹包络面作为插铣边 界， 虽然能够保证较为均。
11、匀的加工余量， 但加工过程中可能会产生过切， 从而导致后续半精 加工、 精加工余量不足， 严重时甚至导致零件报废。 发明内容 0003 本发明目的是针对叶轮、 叶盘类零件的叶片型面粗加工， 以加工过程中材料的去 除量最大为目的， 以加工后叶片表面最大残留余量最小为原则， 本发明提出一种基于残留 余量最大值最小化的自由曲面叶片最佳直纹包络面生成方法， 既要保证余量的均匀性， 也 要避免加工过程中的过切现象。 0004 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是包括以下步骤 : 0005 步骤 1. 对叶片进行预处理 ； 选择通道区域内的叶背面， 找出叶背面沿叶盘轴向的 最高点和最低点， 将叶背面向包。
12、络侧偏置生成叶背偏置面， 偏置距离为加工所用的刀具半 径加上粗加工余量， 粗加工余量取 0.3 1.5mm ； 然后， 将叶背偏置面缩短至叶背面与前、 后 橼连接处， 去掉橼头部分， 沿切向延长叶背偏置面， 直到叶背偏置面的上边界线所有点高于 最高点， 叶背偏置面的下边界线所有点低于最低点， 得到待包络曲面， 即为将要直纹包络的 自由曲面 ； 0006 步骤 2. 沿叶盘轴向在最高点与最低点之间划分 n 等距离点， 其中， 划分的 n 个等 距离点包括最高点和最低点， 且 n 为大于或等于 10 的整数 ； 过这 n 个等距离点作垂直于叶 盘轴向的 n 个等距平面， 等距平面与待包络曲面的 n。
13、 条交线即为所要包络的自由曲面截面 线 ； 0007 步骤 3. 自由曲面截面线为三次或三次以上的样条曲线， 其中， n 次样条曲线在节 说 明 书 CN 103513606 A 4 2/4 页 5 点处 n-1 次连续 ； 连接自由曲面截面线两端点得到端点连线， 在端点连线所在等距平面内， 使端点连线与 x 轴重合， 以靠近叶根的端点为原点， 指向叶尖的方向为 x 轴正方向， 垂直于 x 轴并指向包络侧的方向为 y 轴正方向， 建立直角坐标系 ； 根据端点连线与自由曲面截面线 的位置关系及自由曲面截面线的凹凸性， 分三种不同情况， 按照最大残留余量最小的原则 生成自由曲面截面线的最佳包络直线。
14、 ： 0008 1. 当端点连线位于自由曲面截面线的包络侧， 即自由曲面截面线上所有点的纵坐 标都小于或等于端点连线上所有点的纵坐标时， 则该端点连线即为所求的最佳包络直线 ； 0009 2 当端点连线未在自由曲面截面线的包络侧， 且自由曲面截面线为单凸时， 自由 曲面截面线上存在纵坐标大于端点连线上对应点的纵坐标的点， 且自由曲面截面线上所有 点的二阶导数大于零 ； 对于自由曲面截面线最佳包络直线的具体生成过程如下 : 0010 （1） 在自由曲面截面线上按照精度要求等弧长离散k个点， 过这k个点中的每一点 作自由曲面截面线的切线， 得到 k 条切线 ； 0011 （2） 在切线上按照精度要。
15、求等距离离散 m 个点 ； 0012 （3） 求切线上离散点与自由曲面截面线上对应点之间的纵坐标之差， 判断纵坐标 之差是否大于或等于零， 若纵坐标之差大于或等于零则进入 (4) ； 若纵坐标之差小于零， 则 舍弃该条切线进入 (2)， 继续下一条切线 ； 0013 （4） 重复 (3)， 直到求出切线上所有离散点与自由曲面截面线上对应的点之间的纵 坐标之差 ； 0014 （5） 求出上述所有离散点对应的纵坐标之差中的最大值， 并记为该切线所对应的 纵坐标之差的最大值 ； 0015 （6） 重复 (2) (5)， 直到求出所有切线所对应的纵坐标之差的最大值 ； 0016 （7） 求出上述所有切。
16、线对应的纵坐标之差的最大值中的最小值 ； 0017 （8） 在自由曲面截面线上加密离散点， 重复 (1) (7) 进行多次迭代， 直到最小值 无明显改善或 k 值足够大时， 终止迭代， 则最后一次迭代得到的切线即为所求的最佳包络 直线 ； 0018 3. 当端点连线未在自由曲面截面线的包络侧， 且自由曲面截面线不为单凸时， 自 由曲面截面线上存在纵坐标大于端点连线上对应点的纵坐标的点， 且自由曲面截面线上存 在二阶导数不大于零的点 ； 可先求出最佳包络直线的生成区域简化后续计算量， 即先从两 端点向自由曲面截面线作切线， 则自由曲面截面线上两切点之间的区域即为最佳包络直线 的生成区域， 在该区。
17、域上按照 2 中的方法即可生成自由曲面截面线的最佳包络直线 ； 0019 步骤4.按照步骤3所述的方法生成所有自由曲面截面线的最佳包络直线后， 以这 些直线的两端点为型值点， 分别构造直纹面的两条准线生成直纹面， 则直纹面即为所求的 最佳直纹包络面。 0020 有益效果 0021 本发明自由曲面叶片最佳直纹包络面生成方法， 首先对叶片进行偏置， 并采用先 缩短后切向延长的方法进行预处理， 得到待包络曲面 ； 然后利用垂直于叶轮或叶盘轴向的 若干等距平面截取待包络曲面， 得到自由曲面截面线 ； 针对每一自由曲面截面线， 根据其端 点连线与自由曲面截面线的位置关系及自由曲面截面线的凹凸性， 分三种。
18、不同情况， 采用 残留余量最大值最小化方法， 生成其最佳包络直线 ； 最后， 以所有最佳包络直线的两端点为 说 明 书 CN 103513606 A 5 3/4 页 6 型值点， 分别生成两条样条曲线， 再以生成的两条样条曲线为准线， 生成自由曲面的最佳直 纹包络面。以本发明方法生成的最佳直纹包络面作为刀具驱动面， 既可保证加工余量的均 匀性， 又能够避免加工中出现过切现象， 从而在保证余量均匀且不产生过切的情况下最大 限度地切除材料， 显著提高了粗加工效率。本发明直纹包络面生成方法也适用于叶盆面及 其它自由曲面的最佳直纹包络面的生成， 从而有效地解决多约束复杂自由曲面类零件的高 效粗加工问题。
19、。 附图说明 0022 下面结合附图和实施方式对本发明一种自由曲面叶片最佳直纹包络面生成方法 作进一步的详细说明。 0023 图 1 为本发明自由曲面叶片最佳直纹包络面生成方法流程图。 0024 图 2 为开式整体叶盘部分结构示意图。 0025 图 3 为叶背面预处理示意图。 0026 图 4 为自由曲面截面线的生成示意图。 0027 图 5 为端点连线位于自由曲面截面线的包络侧时最佳包络直线的生成过程。 0028 图 6 为自由曲面截面线为单凸时最佳包络直线的生成过程。 0029 图 7 为自由曲面截面线为非单凸时最佳包络直线的生成过程。 0030 图 8 为最佳直纹包络面的生成示意图。 0。
20、031 图中 : 0032 1. 叶背面 2. 叶盆面 3. 轮毂面 4. 后橼 5. 前橼 6. 叶根线 7. 叶尖线 具体实施方式 0033 本实施例是针对叶轮叶盘类零件的叶片型面四坐标插铣粗加工， 提供了一种自由 曲面叶片最佳直纹包络面生成方法。 0034 参阅图 1、 图 2， 应用自由曲面叶片最佳直纹包络面生成方法对某型航空发动机开 式整体叶盘的叶片进行最佳直纹包络面的生成。开式整体叶盘包括叶背面 1、 叶盆面 2、 轮 毂面 3、 后橼 4、 前橼 5、 叶根线 6、 叶尖线 7， 其中相关的参数为 : 叶盘直径为 550mm， 叶片长 度为 88mm， 刀具直径为 12mm。其叶。
21、背面 1 的最佳直纹包络面生成过程包括以下步骤 : 0035 第一步， 针对叶背面 1 进行预处理 ： 选择通道区域内的叶背面 1， 找出叶背面 1 沿 叶盘轴向的最高点和最低点， 将叶背面 1 向包络侧偏置生成叶背偏置面， 偏置距离为加工 所用的刀具半径加上粗加工余量， 粗加工余量取 0.3 1.5mm ； 然后， 将叶背偏置面缩短至 叶背面 1 与前橼 5、 后橼 4 连接处， 去掉橼头部分， 沿切向延长叶背偏置面， 直到叶背偏置面 的上边界线所有点高于最高点， 叶背偏置面的下边界线所有点低于最低点， 得到待包络曲 面， 待包络曲面即为将要直纹包络的自由曲面， 如图 3 所示 ； 0036。
22、 第二步， 生成待包络曲面的自由曲面截面线， 其生成规则是 : 根据插铣行距， 沿叶 盘轴向在最高点与最低点之间划分10等距离点， 其中， 划分的10个等距离点包括最高点和 最低点， 过这10个等距离点作垂直于叶盘轴向的10个等距平面， 等距平面与待包络曲面的 10 条交线即为所要包络的自由曲面截面线， 如图 4 所示 ； 0037 第三步， 自由曲面截面线为三次或三次以上样条曲线， 其中， n 次样条曲线在节点 说 明 书 CN 103513606 A 6 4/4 页 7 处 n-1 次连续。连接自由曲面截面线两端点得到端点连线， 在端点连线所在的等距平面内， 使端点连线与x轴重合， 以靠近。
23、叶根的端点为原点， 指向叶尖的方向为x轴正方向， 垂直于x 轴并指向包络侧的方向为 y 轴正方向， 建立直角坐标系。根据端点连线与自由曲面截面线 的位置关系及自由曲面截面线的凹凸性， 分三种不同情况求取最佳包络直线。 0038 1. 当端点连线位于自由曲面截面线的包络侧， 即自由曲面截面线上所有点的纵坐 标都小于或等于端点连线上所有点的纵坐标时， 则该端点连线即为所求的最佳包络直线， 如图 5 所示。 0039 2. 当端点连线未在自由曲面截面线的包络侧， 且自由曲面截面线为单凸， 即自由 曲面截面线上存在纵坐标大于端点连线上所有点的纵坐标的点， 且自由曲面截面线上所有 点的二阶导数大于零， 。
24、如图 6 所示。对于这种情况下的自由曲面截面线最佳包络直线的具 体生成过程如下 : 0040 （1） 在自由曲面截面线上按照精度要求离散k个点， 过这k个点中的每一点作自由 曲面截面线的切线 li(i=1,2,.,k) ； 0041 （2） 在切线 li(i=1) 上按照精度要求离散 m 个点 Mj(j=1,2,m) ； 0042 （3）求 Mj(j=1) 与自由曲面截面线上对应的点之间的纵坐标之差 yij： 若 yij 0， j=j+1， 进入 (4) ； 若 yijm， 则进入 (5) ； 若 j m， 则转入 (3) ； 0044 （5）求 出 yij(j=1,2,.m) 中 的 最 大。
25、 值 并 记 为 ( yi)max，即 ( yi) max=max yi,1, yi,2,., yi,m， i=i+1 ； 0045 （6） 判断 i 与 k 的大小 ： 若 ik， 则进入 (7) ； 若 i k， 则转入 (2) ； 0046 （7）求出 ( yi)max(i=1,2,.,k) 中的最小值并记为 y， 即 y=min( y1) max,( y2)max,.,( yk)max ； 0047 （8） 在自由曲面截面线上加密离散点， 重复 (1) (7) 进行多次迭代， 直到 y 无 明显改善或k值足够大时， 终止迭代， 将最后一次迭代得到的切线记为L， 则L即为所求的最 佳包络。
26、直线。 0048 3. 当端点连线未在自由曲面截面线的包络侧， 且自由曲面截面线不为单凸时， 即 自由曲面截面线上存在纵坐标大于端点连线上对应点的纵坐标的点， 且自由曲面截面线上 存在二阶导数不大于零的点， 如图 7 所示。对于这种情况， 可先求出最佳包络直线的生成区 域， 以简化后续计算量， 即先从两端点向自由曲面截面线作切线， 记切点分别为 P、 Q， 则曲线 PQ 即为最佳包络直线的生成区域， 在该区域上按照 2 中的方法即可生成自由曲面截面线的 最佳包络直线。 0049 第四步， 按照上述的方法生成所有自由曲面截面线的最佳包络直线后， 以这些最 佳包络直线的两端点为型值点， 构造直纹面。
27、的两条准线生成直纹面， 直纹面即为所求的最 佳直纹包络面， 如图 8 所示。 0050 以生成的最佳直纹包络面作为开式整体叶盘通道四坐标开槽粗加工中刀具的驱 动面， 从而生成通道开槽粗加工刀位轨迹， 既可保证加工余量的均匀性， 又能够避免加工中 出现过切现象， 在保证余量均匀且不产生过切的情况下最大限度地切除材料。本发明自由 曲面叶片最佳直纹包络面生成方法可广泛应用于叶轮、 叶盘等自由曲面类零件的数控加工 中。 说 明 书 CN 103513606 A 7 1/3 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103513606 A 8 2/3 页 9 图 3 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103513606 A 9 3/3 页 10 图 6 图 7 图 8 说 明 书 附 图 CN 103513606 A 10 。