[發(fā)明專利]一種葉輪加工刀具路徑整體優(yōu)化方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710278987.7
• 申請日: 2017-04-25
• 公開（公告）號: CN107065768B
• 公開（公告）日: 2019-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊建中;吳界;高嵩;張成磊;王天正
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué);武漢華中數(shù)控股份有限公司
• 主分類號: G05B19/19
• 分類號: G05B19/19
• 代理公司: 武漢東喻專利代理事務(wù)所(普通合伙) 42224
• 代理人: 李佑宏

本發(fā)明公開了一種葉輪加工刀具路徑整體優(yōu)化方法，包括如下步驟：S1：將葉輪模型和刀具模型離散三角化；S2：規(guī)劃所示刀具與葉輪的接觸點軌跡，并計算得到所述刀具位置點軌跡；S3：利用干涉檢查判斷所述刀具位置點的可達方向錐；S4：建立所述刀軸矢量的整體優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建有約束的單源有向圖，將所述目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化求解問題轉(zhuǎn)化為最短路徑尋路問題；S5：利用最短路徑尋路算法，對所述目標(biāo)函數(shù)進行求解，得到最優(yōu)刀具姿態(tài)。本發(fā)明的方法，可快速的計算刀具可達方向錐，并實現(xiàn)刀軸矢量的整體光順。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及計算機輔助制造及數(shù)控加工技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種葉輪加工刀具路徑整體優(yōu)化方法。

背景技術(shù)

透平機械在航空、航天、能源、交通、水利、化工和石油等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用。航空發(fā)動機核心三大部件中有兩大部件屬于透平機械，蒸汽、燃氣輪機的關(guān)鍵部件也是透平機械。而葉輪是透平機械的核心部分，其質(zhì)量的優(yōu)劣對這類產(chǎn)品的工作性能起著決定性的影響。所以葉輪的設(shè)計和制造在直接影響著葉輪的質(zhì)量與性能。五軸數(shù)控加工做為工業(yè)中復(fù)雜高性能零件加工的重要手段，與三軸加工相比，五軸數(shù)控加工的優(yōu)勢在于增加了兩個旋轉(zhuǎn)軸，通過改變刀具姿態(tài)，實現(xiàn)葉輪、葉片等復(fù)雜曲面零件的數(shù)控加工。

然而，五軸數(shù)控加工存在以下缺點：(1)兩個旋轉(zhuǎn)自由度的增加導(dǎo)致刀具姿態(tài)控制復(fù)雜度提高，在一定程度上限制了它在實際加工中的應(yīng)用； (2)同時，加工過程中刀軸矢量的劇烈變化，還會在零件表面產(chǎn)生切痕，甚至破壞零件表面，嚴(yán)重影響加工質(zhì)量。因此，研究復(fù)雜曲面零件五軸數(shù)控加工中的刀具姿態(tài)整體優(yōu)化方法具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的研究，目前國內(nèi)外在刀軸方向規(guī)劃方面的研究工作主要有兩種思路，一種是先產(chǎn)生后調(diào)整的刀軸方向規(guī)劃思路，另外一種是在可行空間中規(guī)劃刀軸方向的思路。

基于第一種思路，Ho等提出了刀軸光順方法(TOS方法),論文“Five-axis toolorientation smoothing using quaternion interpolation algorithm”(InternationalJournal of Machine Tools &Manufacture，Ho M C,Hwang Y R,Hu C H.2003,43(12):1259-1267.) 通過分析機床運動學(xué)，證明刀軸方向光順性影響五軸數(shù)控加工的運動學(xué)非線性誤差，提出了用四元數(shù)插值光順刀軸方向的方法，插值后仍需進行干涉檢查。然而工業(yè)應(yīng)用中，刀具路徑往往包含幾萬甚至十幾萬個刀具位置點數(shù)據(jù)，因此先產(chǎn)生后調(diào)整的思路往往會花費大量的運算時間，難以在避免干涉的同時優(yōu)化刀軸。

第二種思路是首先在離散的刀具位置點處計算刀具的無干涉方向(即可達方向錐)，然后在可達方向錐中選擇出可行方向錐，再從中規(guī)劃刀軸矢量。這種思路的優(yōu)點是在滿足幾何約束的前提下，可以考慮加工過程中的動態(tài)特性和切削力等因素，來優(yōu)化選擇刀軸方向。主要有C空間法和可視錐法。論文“Automatic generation of gouge-free andangular- velocity-compliant five-axis toolpath”(Computer-Aided Design， WangN,Tang K.2007,39(10):841-852)通過計算每一切觸點處在角速度限制條件下刀軸可以達到的范圍和該點的無干涉范圍之間的交集來確定五軸加工中的刀軸矢量。這種思路也存在計算效率的問題，加工復(fù)雜零件時，障礙物模型往往由十幾萬甚至幾十萬的多邊形網(wǎng)格組成，計算可達方向錐需要花費龐大的計算資源和時間，所以研究的重點集中在如何快速計算刀具可達方向錐方面。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種葉輪加工刀具路徑整體優(yōu)化方法，其目的在于快速的計算刀具可達方向錐，并實現(xiàn)刀軸矢量的整體光順。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種葉輪加工刀具路徑整體優(yōu)化方法，包括如下步驟：

S1：將葉輪模型和刀具模型離散三角化；