一种基于刀具姿态渐变的加工误差均布方法

摘要

一种基于刀具姿态渐变的加工误差均布方法，它有三大步骤：步骤一、在加工曲面上划定一个范围作为刀具姿态的渐变区域；步骤二、在渐变区域等间距采样几行刀轨，每行刀轨等间隔采样预定数目的刀位点，计算每行刀轨并确定不发生过切加工面和干涉非加工面的刀具角度，以此建立刀具角度相对于曲面参数的分段线性变化规律；步骤三、从渐变区域的一端开始逐行计算刀轨，直至刀轨覆盖整个渐变区域，每行刀轨的初始刀具角度由步骤二定义的规律得到，如果刀具过切加工面或者干涉非加工面，则通过调整刀具角度来避免。本发明在金属切削加工技术领域里具有较好的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及数控加工中的一种基于刀具姿态渐变的加工误差均布方法，尤其涉及一种通 过刀具姿态渐变实现加工误差均布的刀轨生成方法。属于金属切削加工技术领域。

背景技术

在曲面加工过程中，不同区域最优的刀具姿态不同，相邻两行刀轨刀具姿态的较大差异 会影响两行刀轨的衔接质量。在刀具姿态基本保持一致的情况下，加工出的表面比较光滑， 误差分布均匀。若刀具的外形轮廓比较粗糙，比如电镀砂轮的砂粒分布不均匀，或者刀具切 削刃磨损，两行刀轨刀具姿态的不同会导致实际参与切削的切削刃的变化；另外不同的刀具 姿态下机床的位置不同，尤其是旋转轴的位置不同，这样机床运动精度对加工误差的影响缺 乏一致性，因此两行刀轨衔接的位置可能会出现“台阶”，严重影响加工质量。

现有的CAM软件一般采用定角度的加工方法，在加工不同区域的时候需要根据不发生 过切和避免干涉非加工面来决定刀具的姿态角，这样在相邻区域的衔接位置就可能出现“台 阶”。不同的刀具定位算法定位方式不太一样，但基本都包含了两个角度，分别是俯仰角和偏 航角。因此，刀具姿态的渐变是指俯仰角和偏航角的渐变。

综上，在刀轨规划中实现刀具姿态的渐变具有很重要的工程意义。本专利申请提供了一 种基于刀具姿态渐变的加工误差均布方法，它可以通过刀具姿态角的渐变实现加工误差的均 匀分布并避免与非加工面的干涉。

发明内容

1、目的：本发明的目的是提供一种基于刀具姿态渐变的加工误差均布方法，它通过在两 个加工区域之间刀轨姿态角的渐变实现加工误差的均布，同时避免刀具过切加工面和干涉非 加工面。

2、技术方案：本发明的目的是通过以下技术方案来实现的。

本发明一种基于刀具姿态渐变的加工误差均布方法，它主要包括以下步骤：

步骤一、在加工曲面上划定一个范围作为刀具姿态的渐变区域。

步骤二、在渐变区域等间距采样几行刀轨，每行刀轨等间隔采样预定数目的刀位点，计 算每行刀轨并确定不发生过切加工面和干涉非加工面的刀具角度，以此建立刀具角度相对于 曲面参数的分段线性变化规律。

步骤三、从渐变区域的一端开始逐行计算刀轨，直至刀轨覆盖整个渐变区域，每行刀轨 的初始刀具角度由步骤二定义的规律得到，如果刀具过切加工面或者干涉非加工面，则通过 调整刀具角度来避免。

其中，在步骤一中所述的“划定一个范围作为刀具姿态的渐变区域”是指：在凹面与凸 面的过渡区域或者刀具与工装容易干涉的曲面区域，固定的刀具姿态容易导致该区域与邻接 区域的衔接出现“台阶”现象，甚至导致刀具与工装等非加工面产生干涉，因此要把该区域 独立划分出来作为刀具姿态的渐变区域，在其中规划刀具姿态逐行渐变的刀轨，以实现该区 域与相邻区域的平滑衔接并避免干涉。

其中，在步骤二中所述的“在渐变区域等间距采样几行刀轨”是指：以参数曲面的加工 为例，渐变区域的两端边界均为曲面某个方向（u向或v向）的等参数线，已知渐变区域左 右两边相邻区域的刀具角度。在两条边界等参数线之间，按照给定的参数间隔在曲面上取预 定数量的等参数线，将包括边界等参数线在内的所有等参数线作为刀轨驱动线，按给定的参 数步长把每条刀轨驱动线离散成一系列的刀轨驱动点。

其中，在步骤二中所述的“计算每行刀轨并确定不发生过切加工面和干涉非加工面的刀 具角度”方法如下：计算每行刀轨是指在每行刀轨的驱动线的每个驱动点上完成刀具定位， 即确定刀具在该驱动点上的俯仰角和偏航角。以渐变区域左右两条边界参数线和左右相邻区 域的刀具角度初步建立刀具角度相对于曲面参数从左向右渐变的线性规律，计算每行采样刀 轨时，该刀轨的初始刀具角度由该刀轨驱动线的参数插值得到，当发生过切时需要增大刀具 的俯仰角到临界状态。计算结束后判断是否在计算过程中发生过切而增大了俯仰角，若是则 取该行刀轨的最大俯仰角重新计算该行刀轨后判断是否与非加工面发生干涉，否则直接判断 刀轨是否与非加工面发生干涉，在发生干涉的情况下，要以刀轨的俯仰角和偏航角为初始值， 根据干涉面的空间位置调整刀具角度来避免干涉，但是为防止过切加工面，不能让调整之后 的俯仰角小于当前的俯仰角。

其中，在步骤二中所述的“建立刀具角度相对于曲面参数的分段线性变化规律”是指： 以曲面参数为自变量，俯仰角和偏航角为函数值，以采样刀轨驱动线的参数位置和对应刀轨 的俯仰角和偏航角为节点，分别构造刀具俯仰角和偏航角相对于曲面参数的分段线性变化曲 线。

其中，在步骤三中所述的“从渐变区域的一端开始逐行计算刀轨，直至刀轨覆盖整个渐 变区域”是指：以渐变区域的一端边界参数线为刀轨驱动线生成第一行刀轨，然后接着生成 后续刀轨并保证相邻两行刀轨之间的残留高度小于给定公差，直到整个渐变区域被加工完为 止。

其中，在步骤三中所述的“每行刀轨的初始刀具角度由步骤二定义的规律得到”是指每 行刀轨的初始刀具角度由该行刀轨驱动线的参数位置插值步骤二中定义的分段线性变化曲线 得到。所述的“如果刀具过切加工面或者干涉非加工面，则通过调整刀具角度来避免”的方 法与步骤二中所述的“计算每行刀轨并确定不发生过切加工面和干涉非加工面的刀具角度” 方法完全一致，即计算采样刀轨时对于过切和干涉的处理方法在逐行计算所有刀轨时同样适 用，因此不再重述。

3、优点和功效：

对于曲面上不同加工区域刀轨的刀具姿态角差距过大的情况，本发明提供了一种基于刀 具姿态渐变的加工误差均布方法，避免了相邻区域的刀轨在衔接位置出现“台阶”现象并避 免了刀具和非加工面的干涉。定义了刀轨渐变区域中刀具角度相对于曲面参数的分段线性变 化规律，由刀轨驱动线的参数位置插值确定刀轨的初始刀具角度，通过调整刀具角度来避免 过切和与非加工面的干涉，逐行计算刀轨直至覆盖渐变区域。本专利的意义在于通过刀具姿 态渐变实现了加工误差的均布，同时避免了过切加工面和干涉非加工面。

附图说明

图1为刀具定位示意图，其中的符号说明如下：

u₀,v₀—曲面的等参数线，走刀方向沿着等参数线v₀

P₀—曲面上的定位点

n—为P₀点的单位法向量

a—P₀点沿着等参数线v₀的单位切矢量，

τ—τ=a×n,(τ,a,n)为在点P₀建立的局部坐标系，绕n旋转的角度为偏航角，绕τ旋 转的角度为俯仰角

图2为参数平面内渐变区域的划分示意图。以沿着u向走刀来举例说明，刀轨沿着v参 数方向排列。其中的符号说明如下：

u_min,u_max,v_min,v_max—曲面加工区域的参数范围，分别为u向和v向最小最大值

v_s,v_e—刀轨渐变区域的起始位置和结束位置的参数

图3为根据采样刀轨建立的刀具角度分段线性曲线。以沿着u向走刀来举例说明，刀轨 沿着v参数方向排列。将采样刀轨的俯仰角和偏航角分别依次连接起来（如图所示），构成偏 航角分段线性曲线和俯仰角分段线性曲线。计算某行刀轨时，由刀轨的驱动线参数v_i插值可 以得到对应的偏航角和俯仰角作为刀具角度初值。图中符号说明如下。

v_s,v_e—刀轨渐变区域的起始位置和结束位置的参数

v_i—第i行刀轨驱动线的参数位置

图4为采样刀轨的计算流程图。图中符号说明如下。

—刀具的偏航角

θ—刀具的俯仰角

Λ—为简化表示而用的符号，可以代表俯仰角或者偏航角

—渐变区域两端边界参数线对应刀轨的偏航角

θ_s，θ_e—渐变区域两端边界参数线对应刀轨的俯仰角

v_s,v_e—刀轨渐变区域的起始位置和结束位置的参数

v_i—第i行刀轨驱动线的参数位置

θ_i,j，—第i行刀轨第j个刀位的初始俯仰角和偏航角

—第i行刀轨第j个刀位的临界俯仰角

—第i行刀轨某些刀位发生过切后将其俯仰角增大到临界俯仰角，然后比较该行所有 刀位得到的俯仰角的最大值

N_sam—采样刀轨的数目

n—每行采样刀轨的刀位数，或者采样刀轨驱动线上离散的驱动点数

图5为不带干涉面的某叶片曲面。该叶片曲面分为叶背、叶盆及前缘和后缘四个部分，前 后缘为连接叶盆和叶背的圆弧过渡部分。在该图中默认走刀方向为叶身长度方向，选择后缘 中间到叶盆中间的区域为渐变区域。

图6为后缘易被夹具体干涉的某叶片工装。图中选择后缘中间到叶背中间的区域为渐变区 域，默认走刀方向为叶身长度方向，图中标出了容易与刀具发生干涉的干涉面A和干涉面B。

图7为叶盆易被夹具体干涉的某叶片工装。图中选择后缘中间到叶盆中间的区域为渐变区 域，默认走刀方向为叶身长度方向，图中标出了容易与刀具发生干涉的干涉面A和干涉面B。

图8为本发明流程框图

具体实施方式

见图8，本发明提供一种基于刀具姿态渐变的加工误差均布方法，以某叶片曲面的加工 为例，具体实施步骤如下：

设沿着u参数线方向走刀，刀轨排列的方向沿着参数v增大的方向。曲面上要加工的参 数域为（（u_min,v_min），（u_max,v_max））。

步骤一：在曲面上划定一个范围作为刀轨渐变区域。如图2所示，将曲面的加工区域分 为刀轨渐变区域（v_s,v_e）和左右两个邻接区域（v_min,v_s）和（v_s,v_max）。

该步骤中的参数说明：u_min,u_max,v_min,v_max—曲面加工区域的参数范围，分别为u向和v 向最小最大值，v_s,v_e—刀轨渐变区域的起始位置和结束位置的参数。

步骤二：在渐变区域中等间隔采样N_sam行刀轨，每行刀轨采样n个刀位。

第i行刀轨的驱动线参数为v_i=v_s+(v_e-v_s)(i-1)/(N_sam-1)。第j个刀位对应的驱动点参 数为u_i,j=u_min+(u_max-u_min)(j-1)/(n-1)，其中1≤j≤n。

计算采样刀轨就是在每个驱动点（u_i,j,v_i）上进行刀具定位，通常情况下刀具定位有偏航 角和俯仰角两个角度，刀具定位的示意图见图1。

刀轨计算的流程如下：

（1）分别以v_s、v_e为刀轨驱动参数线，通过试算分别生成渐变区域左右两条边界刀轨， 分别得到不发生过切和干涉的俯仰角θ_s,θ_e和偏航角由于这两条刀轨与渐变区域的相 邻区域毗邻，因此也可以直接采用相邻区域算好的刀具角度。

（2）由（1）中渐变区域边界刀轨的俯仰角和偏航角建立线性函数如下：

${\Lambda }_{i,j}={\Lambda }_s+\frac{v_i-v_s}{v_e-v_s}({\Lambda }_e-{\Lambda }_s)$(1≤j≤n,Λ代表或θ)

通过插值上式可以得到第i行采样刀轨的初始俯仰角和偏航角

（3）计算第i行采样刀轨的每个刀位，若发生过切则将该刀位的俯仰角θ_i,j持续增大到 其临界俯仰角

（4）若（3）中某些刀位出现了过切而加大了俯仰角，则由比较求得第i行采样刀轨的 最大俯仰角再以该俯仰角重新计算第第i行采样刀轨，然后进行干涉判断，转（5）。若 （3）中所有刀位都没有发生过切则直接进行干涉判断，转（5）。

（5）若与非加工发生干涉，则根据干涉面的空间位置通过调整刀具的角度来避免干涉， 再转（6），若没有与非加工面发生干涉，则直接转（6）。

注意到，干涉面的位置不同，需要调整的刀具角度不同，而且为了保证不再出现过切， 调整的过程中俯仰角不能小于当前的俯仰角。

（6）判断是否是最后一行采样刀轨，即是否有i<N_sam，若是则计算下一行，若否则停 止计算。

采样刀轨的计算流程图见图4。

采样刀轨计算结束后得到N_sam行刀轨每行刀轨不发生过切和干涉的俯仰角和偏航角。于 是有刀轨驱动参数线v₁=v_s，对应俯仰角和偏航角θ₁和驱动参数线v₂，对应俯仰角和偏 航角θ₂和以此类推。因此可以据此构造俯仰角和偏航角相对于曲面参数v的分段线性曲 线，见图3，可以表示如下：对于任意一条刀轨驱动参数线v，当满足v_i-1≤v≤v_i时，由该驱 动线生成的刀轨的初始角度可以表示为

${\Lambda }_{i,j}={\Lambda }_{i-1}+\frac{v-v_{i-1}}{v_i-v_{i-1}}({\Lambda }_i-{\Lambda }_{i-1})$(j为刀位点序号,Λ代表或θ)。

该步骤的参数说明：

—渐变区域两端边界参数线对应刀轨的偏航角

θ_s,θ_e—渐变区域两端边界参数线对应刀轨的俯仰角

v_s,v_e—刀轨渐变区域的起始位置和结束位置的参数

N_sam—采样刀轨的数目

n—每行采样刀轨的刀位数，或者采样刀轨驱动线上离散的驱动点数

v_i—第i行刀轨驱动线的参数位置

ui,_j—第i行刀轨第j个刀位的参数位置

θ_i,j，—第i行刀轨第j个刀位的初始俯仰角和偏航角

—第i行刀轨第j个刀位的临界俯仰角

—第i行刀轨某些刀位发生过切后将其俯仰角增大到临界俯仰角，然后比较该行所有 刀位得到的俯仰角的最大值

步骤三：以渐变区域的一端边界参数线为刀轨驱动线生成第一行刀轨，根据刀轨之间的 残留高度必须小于给定的公差向渐变区域的另外一端偏置刀轨驱动线，依次生成后续刀轨， 直到刀轨覆盖整个渐变区域。其中每行刀轨初始刀具角度由该行刀轨驱动线的参数位置插值 步骤二中定义的分段线性变化曲线得到。

如果刀具过切加工面或者干涉非加工面，则通过调整刀具角度来避免，方法与步骤二计 算采样刀轨的方法完全一致，见图4。

注意：

（1）如果某行刀轨过切加工面时，处理方式都是增大过切刀位的俯仰角到临界俯仰角来 避免过切，然后用该行最大的俯仰角重新计算刀轨。

（2）当发生干涉的情况时，要根据干涉面的空间位置判断要调整的是俯仰角还是偏航角。 为了说明发生干涉时的刀具角度调整方法，以某航空发动机叶片的加工为例，分析如下。

①图5为不带干涉面的某叶片曲面。该叶片曲面分为叶背、叶盆及前缘和后缘四个部分， 前后缘为连接叶盆和叶背的圆弧过渡部分。在该图中默认走刀方向为叶身长度方向，选择后 缘中间到叶盆中间的区域为渐变区域。该曲面的加工不考虑干涉，因此在渐变区域中只要实 现刀轨姿态的渐变并且避免过切即可。

②图6为后缘易被夹具体干涉的某叶片工装。图中选择后缘中间到叶背中间的区域为渐 变区域，默认走刀方向为叶身长度方向，图中标出了容易与刀具发生干涉的干涉面A和干涉 面B。在后缘的中间部分为凸圆弧面，最小俯仰角可以设为零度，但是由于干涉面A基本上 和后缘曲面的法向垂直，因此必须给足够大的俯仰角才能避免与干涉面A产生干涉。当刀具 的俯仰角较大时，刀杆很容易和干涉面B干涉，因此必须给定一个合适偏航角，将刀杆旋转 到叶背的上方，避免与干涉面B干涉。因此在后缘加工时若与干涉面A产生干涉，则应增大 俯仰角；若与干涉面B干涉，则应加大偏航角。在加工叶背区域时，刀具只有可能与干涉面 B发生干涉，此时需要通过减小俯仰角来避免。

③图7为叶盆易被夹具体干涉的某叶片工装。图中选择后缘中间到叶盆中间的区域为渐 变区域，默认走刀方向为叶身长度方向，图中标出了容易与刀具发生干涉的干涉面A和干涉 面B。在靠近叶盆中间的区域加工时，刀具与干涉面A产生干涉是因为俯仰角不够大，刀具 与干涉面B产生干涉是因为偏航角不够大；在后缘圆弧区域加工时，与干涉面A不易产生干 涉，若与干涉面B产生干涉是因为俯仰角过大。因此在叶盆区域，刀具与干涉面A发生干涉 时要增大俯仰角，与干涉面B干涉时要增大偏航角；在后缘圆弧区域，若刀具与干涉面B发 生干涉，则可以通过减小俯仰角来避免。

本发明的一种基于刀具姿态渐变的加工误差均布方法实现途径为：在VC++6.0环境下对 三维加工软件UG进行二次开发，编制计算刀轨的程序，用本发明提供的方法计算刀轨，计 算好一张曲面的刀轨并进行后置处理后即可进行加工。

通过测试曲面对本发明进行实验验证：

采用环心圆半径为16mm、截圆半径为1.5mm的圆环面砂轮计算某航空发动机叶片，分 别采用图6和图7的装夹方式，沿着叶身长度方向走刀，给定编程公差0.01mm。加工实验结 果表明，在叶片的凹凸区域之间和易产生干涉的区域中加工刀轨的刀具姿态逐行渐变，过渡 平滑，测量加工叶片发现偏差在编程公差之内。

以上所述仅为本发明较佳的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本 技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化和替换都应涵盖在本发 明的保护范围之内，另外本发明提供的方法可以集成到任何加工软件中。