薄壁可侧铣曲面的闭环加工方法
【专利摘要】一种薄壁可侧铣曲面的闭环加工方法，其特征是以中间状态加工余量为约束优化刀具与中间状态曲面的接触线，自动生成刀轨驱动面，等精度离散接触线生成检测点，基于检测数据拟合实际加工面，依据厚度容差判断是否超差，进而自动创建下一步加工的驱动面，实现刀轨的自适应生成。它解决了薄壁可侧铣曲面由于变形导致中间状态加工余量难以保证的问题，分析了特征中间状态加工余量、厚度容差和最终状态厚度公差之间的映射关系，给出了特征中间状态加工余量的取值范围和中间状态厚度容差的计算方法，具有精度高、速度快的优点。
【专利说明】薄壁可侧铣曲面的闭环加工方法【技术领域】
[0001]本发明涉及一种CAM(计算机辅助制造)技术，尤其是一种飞机薄壁结构件曲面的加工方法，具体地说是一种薄壁可侧铣曲面的闭环加工方法。
【背景技术】
[0002]薄壁可侧铣曲面由于加工易变形，是数控加工的难点。其中，驱动面的位置限定了加工刀轨的位置和加工精度，是加工刀轨生成的关键。
[0003]检索现有技术与文献发现，曲面加工的驱动面创建方法有:
[0004]基于检测数据的驱动几何创建首先需要生成曲面的检测点。曲面分为规则曲面和自由曲面。规则曲面主要包括平面、球面、圆柱面、圆锥面和圆环面等，其检测点创建方法主要有盲采样、自适应采样和基于制造信息的采样，而自由曲面没有明显的几何特性，无法直接采用上述检测点创建方法。自由曲面检测点创建方法主要有基于曲面片的采样和基于整体曲面的采样。再基于检测点对曲面进行检测，获得检测数据后进行曲面拟合。Lai和Ueng提出用最小二乘法计算B样条回转曲线的控制顶点，用于基于测量点数据的回转曲面精确拟合。Lou等为了精确重构回转曲面和螺旋面，采用B样条曲线的控制顶点作为曲面的控制因子，利用有向距离函数的微分性质基于Levenberg-Marquardt算法精细调节曲面的形状。因此，基于检测数据的驱动几何创建研究重在精确反映驱动面的实际加工形状，尚未考虑加工余量对中间状态驱动几何创建的影响。
[0005]Li在Surface Design for Flank Milling 一文中提出了可侧统曲面的设计方法。该方法在分析曲面侧铣时刀具与曲面接触情况的基础上，针对曲面与刀具为线接触情形，利用NURBS曲线逼近刀具与曲面的接触线，进而用接触线的逼近线拟合生成待加工曲面。Wu 在 Arbitrary Sur`face Flank Milling and Flank Sam in the Design andManufacturing of Jet Engine Fan and Compressor Airfoils 一文中针对航空发动机的叶轮叶片开发了叶轮叶片可侧铣曲面的自动化设计工具。
[0006]以上研究对零件中间状态的驱动几何创建考虑不足。尤其是薄壁可侧铣曲面，中间状态驱动面的创建要综合考虑加工变形和加工余量等因素。目前，尚未有针对薄壁可侧铣曲面加工的完整驱动几何创建方法。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是针对薄壁可侧铣曲面由于变形导致中间状态加工余量难以保证的问题，，发明了一种薄壁可侧铣曲面的闭环加工方法。
[0008]本发明的技术方案是:
[0009]一种薄壁可侧铣曲面的闭环加工方法，其特征首先以中间状态加工余量为约束优化刀具与中间状态曲面的接触线，自动生成刀轨驱动面，然后以等精度离散接触线生成检测点，根据检测点的检测数据拟合实际加工面，依据厚度容差判断是否超差，进而自动创建下一步加工的驱动面，实现刀轨的自适应生成，完成薄壁可侧铣曲面的闭环加工。[0010]所述的薄壁可侧铣曲面的闭环加工方法包括以下具体步骤:
[0011]步骤1、对薄壁可侧铣曲面中间状态加工精度进行计算，得到半精加工余量和半精加工的加工精度；
[0012]步骤2、对薄壁特征中间状态加工余量进行计算，得到半精加工完成后，中间状态至少要留有精加工获得最小尺寸时的加工余量值；
[0013]步骤3、创建薄壁可侧铣曲面中间状态驱动面；
[0014]步骤4、根据创建的薄壁可侧铣曲面中间状态驱动面生成薄壁可侧铣曲面中间状态刀轨；
[0015]步骤5、计算薄壁特征中间状态厚度容差；
[0016]步骤6、生成薄壁可侧铣曲面中间状态的检测点并获取检测值；
[0017]步骤7、薄壁特征中间状态厚度容差和检测值完成薄壁可侧铣曲面中间状态曲面拟合；
[0018]步骤8、根据所拟合的薄壁可侧铣曲面中间状态曲面创建薄壁可侧铣曲面后一状态驱动面；
[0019]步骤9、根据所得的驱动面生成薄壁可侧铣曲面后一状态刀轨；
[0020]重复步骤3-9直至加 工结束。
[0021]其中:
[0022]所述薄壁可侧铣曲面中间状态加工精度的计算应满足以下条件:
[0023]半精加工的余量应满足如下公式:
[0024]δ ( AEf-Af(I)
[0025]式(I)中，AEf为精加工的切宽，半径加工的残留与精加工余量之和不能超过精加工的最大切宽，即刀具半径；Af为半精加工为保证精加工具有足够的加工刚性而设置的加
工余量；
[0026]同时，为了保证精加工时有足够的余量，δ还应满足如下公式:
[0027]δ ^ Tl(2)
[0028]式(2)中，Tl为最终尺寸的下偏差。
[0029]所述特征中间状态加工余量的计算是指半精加工完成后，中间状态至少要留有精加工获得最小尺寸时的加工余量。
[0030]所述薄壁可侧铣曲面中间状态驱动面的创建方法为:
[0031]步骤1、计算刀具与曲面的接触线(Grazing Curve, GC)；
[0032]步骤2、将刀具与曲面的接触线(GC)沿刀轴方向投影至刀具底面，获得接触线(GC)的投影圆弧(NURBS)；
[0033]步骤3、将投影圆弧(NURBS)沿刀轴方向向上“提”获得上提曲线(AGC)，用上提曲线(AGC)逼近接触线(GC)；
[0034]步骤4、计算上提曲线(AGC)与接触线(GC)的误差；
[0035]步骤5、计算每个刀位点处的上提曲线(AGC)，用上提曲线(AGC)拟合成的曲面(AGS)去逼近刀具与曲面的接触面(GS)；
[0036]步骤6、计算用上提曲线(AGC)拟合成的曲面(AGS)与刀具与曲面的接触面(GS)的误差，直至误差达到加工精度要求为止。[0037]计算薄壁特征中间状态厚度容差时需要判定尺寸的超差情况，在驱动几何设计时，驱动几何需落在中间状态曲面以δ最大值所做的偏置曲面和δ最小值所做的偏置曲面中间，这样才能保证精加工时有足够的加工余量；不管零件变不变形，中间状态的厚度必须大于中间状态曲面以δ最小值所做的偏置曲面与已加工完成面间的厚度，即中间状态尺寸的下偏差，并且小于中间状态曲面以S最大值所做的偏置曲面与已加工完成面间的厚度，即中间状态尺寸的上偏差，中间状态的厚度容差即Af+δ的变化范围，δ半精加工的余量，Af为半精加工为保证精加工具有足够的加工刚性而设置的加工余量。
[0038]薄壁可侧铣曲面中间状态的检测点生成方法为:
[0039]首先，零件中间状态检测是在精加工前对关键尺寸进行检测以确保最终获得符合设计要求的尺寸；在零件中间状态检测中，待检型面为半精加工型面；型面加工精度低，型面的曲率变化并没有得到充分反映，因此，检测点应取刀具与曲面接触线上的点；
[0040]其次依据加工精度离散刀具与曲面的接触线采用等精度离散方法获得检测点。
[0041]本发明的有益效果是:
[0042]1、提供了薄壁可侧铣曲面的闭环加工方法。
[0043]2、提供了薄壁特征中间状态加工余量的计算方法。
[0044]3、提供了薄壁可侧铣曲面中间状态驱动面的创建方法。
[0045]4、提供了薄壁特征中间状态厚度容差的计算方法。
[0046]5、提供了薄壁可侧铣曲面中间状态的检测点生成方法。
[0047]6、提供了薄壁可侧铣曲面后一状态驱动面的创建方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0048]图1是本发明的中间状态加工精度计算示意图。
[0049]图2是本发明的中间状态加工余量计算示意图。
[0050]图3是本发明的中间状态厚度容差计算方法示意图。
[0051]图4是本发明的检测点示意图。
[0052]图5是本发明的等精度离数方法示意图。
[0053]图6是本发明加工的后一状态驱动面创建示意图。
[0054]图7是本发明加工精度驱动的可侧铣曲面再设计示意图。其中图7-1是刀具与曲面接触线GC的计算示意图；图7-2是本发明的GC投影的NURBS曲线表示示意图；图7_3是GC投影的NURBS曲线近似AGC，图7_4是GC与AGC的误差计算；图7_5是刀具与曲面接触面GS的NURBS曲面近似AGS ;图7_6是GS与AGS的误差计算示意图。
【具体实施方式】
[0055]下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
[0056]如图1-7所示。
[0057]一种薄壁可侧铣曲面的闭环加工方法，它包括以下步骤:
[0058]步骤1、薄壁可侧铣曲面中间状态加工精度的计算。
[0059]步骤2、薄壁特征中间状态加工余量的计算。
[0060]步骤3、薄壁可侧铣曲面中间状态驱动面的创建。[0061]步骤4、薄壁可侧铣曲面中间状态刀轨生成。
[0062]步骤5、薄壁特征中间状态厚度容差的计算。
[0063]步骤6、薄壁可侧铣曲面中间状态的检测点生成。
[0064]步骤7、薄壁可侧铣曲面中间状态拟合。
[0065]步骤8、薄壁可侧铣曲面后一状态驱动面的创建。
[0066]步骤9、薄壁可侧铣曲面后一状态刀轨生成。
[0067]其中:
[0068]所述薄壁可侧铣曲面中间状态加工精度的计算方法如图1所示，Af为半精加工为保证精加工具有足够的加工刚性而设置的加工余量。S为半精加工的加工精度，通过加工残留量或过切量来反映。
[0069]半精加工的余量应满足如下公式:
[0070]δ ( AEf-Af(I)
[0071]式(I)中，AEf为精加工的切宽。上式的意义为半径加工的残留与精加工余量之和不能超过精加工的最大切宽，即刀具半径。
[0072]同时，为了保证精加工时有足够的余量，δ还应满足如下公式:
[0073]δ ^ Tl(2)
[0074]式(2)中，！Y为最终尺寸的下偏差。
[0075]特征中间状态加工余量的计算如图2所示，加工余量的取值范围为Af+δ的变化范围。其工程意义为半精加工完成后，中间状态至少要留有精加工获得最小尺寸时的加工余量。
[0076]所述薄壁可侧铣曲面中间状态驱动面的创建方法步骤为:
[0077]步骤1、计算刀具与曲面的接触线(Grazing Curve, GC)0
[0078]步骤2、将刀具与曲面的接触线沿刀轴方向投影至刀具底面，获得GC的投影圆弧。用NURBS曲线表示该圆弧。
[0079]步骤3、将NURBS曲线沿刀轴方向向上“提”获得AGC，用AGC去逼近GC。
[0080]步骤4、计算AGC与GC的误差。
[0081]步骤5、计算每个刀位点处的AGCj AGC拟合成曲面AGS去逼近刀具与曲面的接触面GS。
[0082]步骤6、计算AGS与GS的误差，直至误差达到加工精度要求为止。
[0083]特征中间状态厚度容差的计算如图3所示，零件中间状态需要判定尺寸的超差情况，如图3所示。在驱动几何设计时，驱动几何需落在中间状态曲面以δ最大值所做的偏置曲面和S最小值所做的偏置曲面中间，这样才能保证精加工时有足够的加工余量。不管零件变不变形，中间状态的厚度必须大于中间状态曲面以S最小值所做的偏置曲面与已加工完成面间的厚度，即中间状态尺寸的下偏差，并且小于中间状态曲面以δ最大值所做的偏置曲面与已加工完成面间的厚度，即中间状态尺寸的上偏差。中间状态的厚度容差即Af+δ的变化范围。
[0084]薄壁可侧铣曲面中间状态的检测点生成方法为:
[0085]零件中间状态检测是在精加工前对关键尺寸进行检测以确保最终获得符合设计要求的尺寸。在零件中间状态检测中，待检型面为半精加工型面。型面加工精度低，型面的曲率变化并没有得到充分反映，因此，检测点应取刀具与曲面接触线上的点。
[0086]依据加工精度离散刀具与曲面的接触线获得检测点，检测点如图4所示。等精度离散方法如图5所示:
[0087]P1~P4为曲线的离散点，Cl1~d3为相邻离散点的弦长误差，等精度离散满足如下关系:
[0088]d1=d2=d3=accuracy(3)
[0089]式(3)中，accuracy为加工精度。
[0090]可侧铣曲面后一状态驱动面的创建方法如图6所示:
[0091]当筋特征在半精加工中有较大厚度时，因具有足够的加工刚性而不易变形。此时只需依据将曲面I沿曲面2的方向偏置筋特征的最终设计厚度即生成了精加工的驱动面。
[0092]筋特征在半精加工中发生变形有两种情况:一种情况是由于随机因素引起的变形，一种是由于厚度小，加工刚性不足发生让刀。若发生变形，曲面I变形至曲面3的位置，曲面2变形至曲面4的位置。曲面3和曲面4是由中间状态检测获取的检测点数据拟合而成。此时若属于第一种变形情况，只需要以筋特征厚度偏置曲面3生成精加工的驱动面即可。若属于第二种情况，则根据余量计算模型创建精加工的驱动面。
[0093]驱动面的创建如图7所示,具体创建步骤为:
[0094]步骤1:计算刀具与曲面的接触线(Grazing Curve, GC)0
[0095]步骤2:将刀具与曲面的接触线沿刀轴方向投影至刀具底面，获得GC的投影圆弧。用NURBS曲线表示该圆弧。`
[0096]步骤3 JfNURBS曲线沿刀轴方向向上“提”获得AGC，用AGC去逼近GC。
[0097]步骤4:计算AGC与GC的误差，误差计算方法如下:
[0098]DP=Discretization (GC)(4)
[0099]DP = IjDPl (5)
[0100]Planei=CreatePlane (DPi, ToolAxis)(6)
[0101]IPi=CreateIntersection (Planei, AGC)(7)
[0102]ε J=Distance (DPi, IPi)(8)
[0103]ε =Maximum ( ε )(9)
[0104]式(4)至(9)中，DP是GC的离散点集。DPi是GC的第i个离散点，Discretization()是离散操作算子，ToolAxis为刀轴方向，CreatePlaneO为平面创建算子,CreateIntersection ()为求交操作算子，Distance ()为距离求解算子,Maximum为最大
值获取算子。
[0105]在离散点DPi处做与刀轴方向垂直的平面Planei,平面Planei与AGC相交与IPi处，取IPi与DPi间的距离ε i作为拟合误差的度量。ε i的最大值为拟合误差ε。考虑到零件中间状态检测对检测点的要求，ε必须小于加工精度。减小ε的方法有调整AGC的控制顶点位置和增加控制顶点个数。
[0106]步骤5:计算每个刀位点处的AGC，用AGC拟合成曲面AGS去逼近刀具与曲面的接触面GS。
[0107]步骤6:计算AGS与GS的误差，直至误差达到加工精度要求为止。[0108]本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
【权利要求】
1.一种薄壁可侧铣曲面的闭环加工方法，其特征首先以中间状态加工余量为约束优化刀具与中间状态曲面的接触线，自动生成刀轨驱动面，然后以等精度离散接触线生成检测点，根据检测点的检测数据拟合实际加工面，依据厚度容差判断是否超差，进而自动创建下一步加工的驱动面，实现刀轨的自适应生成，完成薄壁可侧铣曲面的闭环加工。
2.根据权利要求1所述的薄壁可侧铣曲面的闭环加工方法，其特征是它包括以下步骤: 步骤1、对薄壁可侧铣曲面中间状态加工精度进行计算，得到半精加工余量和半精加工的加工精度； 步骤2、对薄壁特征中间状态加工余量进行计算，得到半精加工完成后，中间状态至少要留有精加工获得最小尺寸时的加工余量值； 步骤3、创建薄壁可侧铣曲面中间状态驱动面； 步骤4、根据创建的薄壁可侧铣曲面中间状态驱动面生成薄壁可侧铣曲面中间状态刀轨； 步骤5、计算薄壁特征中间状态厚度容差； 步骤6、生成薄 壁可侧铣曲面中间状态的检测点并获取检测值； 步骤7、薄壁特征中间状态厚度容差和检测值完成薄壁可侧铣曲面中间状态曲面拟合； 步骤8、根据所拟合的薄壁可侧铣曲面中间状态曲面创建薄壁可侧铣曲面后一状态驱动面； 步骤9、根据所得的驱动面生成薄壁可侧铣曲面后一状态刀轨； 重复步骤3-9直至加工结束。
3.如权利要求2所述薄壁可侧铣曲面的闭环加工方法，其特征在于所述薄壁可侧铣曲面中间状态加工精度的计算应满足以下条件: 半精加工的余量应满足如下公式: δ ^ AEf-Af(I) 式(I)中，AEf为精加工的切宽，半径加工的残留与精加工余量之和不能超过精加工的最大切宽，即刀具半径;Af为半精加工为保证精加工具有足够的加工刚性而设置的加工余量; 同时，为了保证精加工时有足够的余量，δ还应满足如下公式: δ ^Tl(2) 式(2)中，IY为最终尺寸的下偏差。
4.如权利要求2所述薄壁可侧铣曲面的闭环加工方法，其特征在于所述特征中间状态加工余量的计算是指半精加工完成后，中间状态至少要留有精加工获得最小尺寸时的加工余量。
5.如权利要求2所述薄壁可侧铣曲面的闭环加工方法，其特征在于所述薄壁可侧铣曲面中间状态驱动面的创建方法为: 步骤1、计算刀具与曲面的接触线(Grazing Curve, GC)； 步骤2、将刀具与曲面的接触线(GC)沿刀轴方向投影至刀具底面，获得接触线(GC)的投影圆弧(NURBS)；步骤3、将投影圆弧(NURBS)沿刀轴方向向上“提”获得上提曲线(AGC)，用上提曲线(AGC)逼近接触线(GC)； 步骤4、计算上提曲线(AGC)与接触线(GC)的误差； 步骤5、计算每个刀位点处的上提曲线(AGC)，用上提曲线(AGC)拟合成的曲面(AGS)去逼近刀具与曲面的接触面(GS)； 步骤6、计算用上提曲线(AGC)拟合成的曲面(AGS)与刀具与曲面的接触面(GS)的误差，直至误差达到加工精度要求为止。
6.如权利要求2所述薄壁可侧铣曲面的闭环加工方法，其特征在于计算薄壁特征中间状态厚度容差时需要判定尺寸的超差情况，在驱动几何设计时，驱动几何需落在中间状态曲面以δ最大值所做的偏置曲面和δ最小值所做的偏置曲面中间，这样才能保证精加工时有足够的加工余量；不管零件变不变形，中间状态的厚度必须大于中间状态曲面以δ最小值所做的偏置曲面与已加工完成面间的厚度，即中间状态尺寸的下偏差，并且小于中间状态曲面以δ最大值所做的偏置曲面与已加工完成面间的厚度，即中间状态尺寸的上偏差，中间状态的厚度容差即Af+δ的变化范围，δ半精加工的余量，Af为半精加工为保证精加工具有足够的加工刚性而设置的加工余量。
7.如权利要求2所述薄壁可侧铣曲面的闭环加工方法，其特征在于薄壁可侧铣曲面中间状态的检测点生成方法为: 首先，零件中间状态检测是在精加工前对关键尺寸进行检测以确保最终获得符合设计要求的尺寸；在零件中间状态检测中，待检型面为半精加工型面；型面加工精度低，型面的曲率变化并没有得到充分反映，因此，检测点应取刀具与曲面接触线上的点； 其次依据加工精度离散刀具与曲面的接触线采用等精度离散方法获得检测点。
【文档编号】G05B19/4099GK103760824SQ201410043076
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月29日 优先权日:2014年1月29日
【发明者】李迎光, 王伟, 刘长青, 刘旭, 周冠妍 申请人:南京航空航天大学