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(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN102722137A*(12)发明专利申请(10)申请公布号CN102722137A(43)申请公布日2012.10.10(21)申请号201210220112.9(22)申请日2012.06.29(71)申请人沈阳工业大学地址110870辽宁省沈阳市经济技术开发区沈辽西路111号(72)发明人梁全(74)专利代理机构沈阳智龙专利事务所(普通合伙)21115代理人宋铁军周楠(51)Int.Cl.G05B19/19(2006.01)B23C3/18(2006.01)权利要求书权利要求书3页3页说明书说明书99页页附图附图55页(54)发明名称直纹面叶轮五坐标插铣加工方法(57)摘要本发明是一种直纹面叶轮五坐标插铣加工方法,该方法步骤如下:边界矢量的生成,边界矢量的插值,行距、步距的计算,刀心点的计算,刀具轨迹规划,直至完成直纹面叶轮零件的加工。本发明克服了现有技术中粗加工效率低下的缺陷,保证了插铣加工的材料去除率和加工效率,适于推广应用。CN10273ACN102722137A权利要求书1/3页1.一种直纹面叶轮五坐标插铣加工方法,其特征在于:根据直纹面叶片的偏移边界矢量,利用四元数插值方法计算插铣加工的刀轴矢量,提出并确定了五坐标插铣加工的行距、步距,规划出刀具加工轨迹,从而对工件进行加工,该方法具体步骤如下:a、边界矢量的生成:在工程中,直纹面的参数方程的表达方式为:P(u,v)=(1-v)Q(u)+vW(u)(1)其中W(u)和Q(u)分别为直纹面叶片的叶顶线和叶根线,u、v分别为u向和v向的参数;由三角形的几何关系,建立计算边界矢量的数学模型得如下方程组:式中R为刀具半径,L为中P1P2的长度,γ为P1C1和P2C2的夹角,α为P1C1和C1C2的夹角,d为刀具相对叶片的偏移距离;该方程组是一个非线性二元方程组,其中α和d为未知数;解方程组求得的α和d的值,计算出偏离直纹面指定距离的矢量即边界矢量;b、边界矢量的插值:是在边界矢量之间均匀的填充(插值)矢量作为插铣加工的刀轴方位,这样,在上述步骤a已生成边界矢量的情况下,通过合理的对边界矢量进行插值,最终完成对边界矢量所包围的型腔的加工;旋转运动采用四元数表示方式,用四元数插值法生成均匀切除量的刀具轨迹,保证插铣的过程中侧吃刀量一直保持均匀,对插铣加工生成插值的刀轴矢量采用球坐标线性插值运算SphericalLinearInterpolation,简称Slerp,Slerp的插值公式为:-1hSlerp(q0,q1,h)=q0(q0·q1)(4)式中,h为插值参数,q0、q1——代表四元数;——代表四元数的倒数,其计算公式为:式中,——代表四元数的共轭;||q0||——代表四元数的模;c、行距、步距的计算:在五坐标加工中由于相邻插铣刀具路径之间刀轴角度的变化,导致切削范围为一个不规则的锥形区域,令两个相邻插铣工步的刀心点的坐标为O1、O2,型腔上表面到刀心点的连线距离为L,两个相邻插铣工步的刀具边缘的交点为B,过B点做刀轴矢量的垂线并同刀轴矢量相交与P1、P2点,则BP1=BP2=R(6)式中,R——为刀具半径,将BP1O1O2P2所包围形成的五边形提取出来,令C为O1O2的连线的中点,过C做BP1的垂线交于D点,过O1点做CD的垂线交于E点,命名相邻工步的刀轴矢量的夹角为倾角距,用β表示;令BC长为L,O1O2长为H,因为BD+DP1=R,在△CBD和△CO1E中,根据三角几何关系,可以得到等式:2CN102722137A权利要求书2/3页根据插值原理,令每一行边界矢量的夹角为A,边界矢量刀心点之间的距离为H0,得到等式:联立等式(7)和(8),得到一个二元非线性方程组其中L、R、A和H0为已知数,β和H为未知数,采用数值分析中的拟牛顿法计算出结果;求得β和H的值后,得到平均步距和倾角距,确定在行方向的插值结果;在列方向的插值结果,也就是行距的计算原理同步距的计算方法相同,只是被插值的矢量不是每一行的边界矢量,而是叶片两端的边界矢量,H0的长度也应该是叶片轮毂面曲线的长度;d、刀心点的计算:将边界矢量抽象成空间直线,计算边界矢量和轮毂面的偏移面的交点,即为刀心点的坐标位置;e、刀具轨迹规划:开槽加工、扩槽加工、直纹面叶轮精加工;f、完成直纹面叶轮零件的加工。2.根据权利要求1所述的直纹面叶轮五坐标插铣加工方法,其特征在于:步骤a中,边界矢量的生成要依据吸力面和压力面通过偏移一个刀具半径来计算,为了给精加工留有余量,在偏移刀具半径的基础上,再偏移一个加工余量,余量为0.1mm。3.根据权利要求1所述的直纹面叶轮五坐标插铣加工方法,其特征在于:步骤d中刀心点的计算,即边界矢量和轮毂面的求交算法如下:直纹面叶轮的轮毂截面为圆弧截面,用