摘要:為實現(xiàn)自主開發(fā)葉輪數(shù)控加工CAD/CAM 軟件,提出了干涉檢驗及刀位修正算法。通過分析刀具與葉輪曲面的相對位置關系,將干涉分為三種類型。針對不同的干涉類型提出了相應的檢查及修正方法。最后給出仿真實例以驗證該算法的有效性。
_p#CwExuy 2VF%@p 1 引言
vqnw#U4` pM^9c7@!: 葉輪是透平機械的關鍵部件,其數(shù)控加工一直是研究的焦點。由于目前國內還沒有比較成熟的且適應性強的CAD/CAM 系統(tǒng),因此,絕大多數(shù)生產葉輪的廠家還依靠從國外進口的軟件來完成其多坐標數(shù)控加工。進口軟件不僅價格昂貴,要花費大量的外匯,而且軟件是封閉的運行模塊,其難點和一些關鍵問題的技術資料很難獲得,因此,不能根據實際情況進行修改和開發(fā),嚴重阻礙了新產品的研制。
R?,an2 IM:=@a{ 近年隨著機械、航天航空工業(yè)的迅速發(fā)展,對于提高葉輪類零件的加工質量和精度方面的要求愈益迫切,開發(fā)自主的CAD/CAM 軟件勢在必行,為此很多研究人員進行了這方面的研究工作,但對數(shù)控加工中的干涉檢查這個關鍵性問題的研究所見資料甚少。北京航空航天大學工學吳明的博士學位論文《葉輪、葉片類零件幾何設計和數(shù)控加工》采用離散三角片的方法進行了干涉分析,計算量較大,且研究不全面,對相鄰葉片與刀具之間的干涉未作分析。在整體葉輪的數(shù)控加工過程中,刀具的工作空間受到葉輪結構的嚴格限制,干涉現(xiàn)象比加工自由曲面要復雜的多。本文針對整體葉輪的特點,在分析干涉類型的基礎上,提出了一套適用于多坐標數(shù)控加工的干涉檢查方法。
*meZ8DV2DH P7J>+cm 2 干涉類型
:l~ I %u`8minCt 整體葉輪是指輪轂和葉片在一個毛坯基體上。加工葉輪葉片曲面時,除了刀具與被加工葉片之間發(fā)生干涉外,由于相鄰葉片間的空間較小,刀具極易與相鄰葉片發(fā)生干涉。在實際加工中,葉片曲面是用坐標點的方式給出,計算刀位時需將曲面進行離散化處理。由于一般采用球頭錐形銑刀,因此,可將曲面離散成點列。每個點的信息將以結構的形式給出,包含排列的序號、點的坐標、所在點的單位表面法矢,點之間以單項鏈表的方式給出。
8yRJD[/S {p)",)td 本文所討論的干涉是指啃切干涉,即刀具切入曲面上應該保留的部分。在用銑刀加工葉片中,將刀具置于接觸點處曲面的切平面上的方位作為刀具的初始位置。如圖1所示為銑刀加工整體葉輪的情況。從刀具與各葉片曲面間的相對位置關系的角度考慮,可將干涉分為三種類型:第一種為銑刀與自身葉片葉頂之間的干涉:第二種為銑刀與相鄰葉片葉頂之間的干涉:第三種為銑刀與被加工區(qū)域周圍鄰近點之間的干涉。如果通過了這三種類型的干涉檢查,就可以不必對整個葉片曲面的點進行干涉驗證,從而大大減少計算量。
J cg,#@ a#^B2 1.輪轂 2.葉片 3.刀具
G3{Q"^S" 圖1 整體葉輪加工情況
/,1D)0 dI*pDDq# 3 干涉檢查及刀位調整
\[BK1JP 4FEk5D 1) 刀具與自身葉片葉頂之間的干涉
kUq=5Y `D _6_IP0; 葉輪曲面采用NURBS方法離散后可用S(u,v)={x(u,v),y(u,v),z(u,v)}來表示,u∈(0,1),v∈(0,1)。因此,這類干涉只需判斷葉片曲面葉頂所對應的v=0的那條參數(shù)線上的各點到刀具軸線之間的距離e,如圖2所示。若距離大于刀具的有效半徑,則不發(fā)生干涉:若距離小于刀具的有效半徑,則發(fā)生干涉。所謂的刀具有效半徑,指的是相對于葉頂處的刀具半徑。距離e為
ICuF % #%`|~%`{: r^h4z`:L 式中,A(x0,y0,z0)為刀具的球心點坐標:B(x1,y1,z1)為葉片葉頂參數(shù)點坐標:(ax,ay,az)為單位刀軸矢量a的三個坐標分量。
cnSJ{T lwHzj&/ ~ 刀具有效半徑為
Cnnh7` ,%n\= R0= r0+ |AB|cosqtanb (2)
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