闭式整体叶盘电火花加工电极最大自由运动行程轨迹搜索方法

摘要

一种闭式整体叶盘电火花加工电极最大自由运动行程轨迹搜索方法，以电极进给的终止位置为优化轨迹起点、电极整体运动出流道之外为优化轨迹终点、电极头部的端面中心指向电极尾部的端面中心的矢量方向作为电极运动的参考方向，将电极从优化轨迹起点运动到优化轨迹终点的过程划分为若干阶段；电极从各阶段的一个运动节点沿参考方向无干涉地平移运动得到该阶段的下一个运动节点，同时电极在各个运动节点进行电极旋转轴姿态调整；电极无干涉地运动到流道外后得到全部的运动节点，光滑地连接起所有节点即为完整的优化轨迹；将优化轨迹进行坐标转换得到无干涉进给轨迹。本发明适用于多种形貌的流道结构，优化轨迹搜索成功率高，能够实现多轴联动，加工效率高。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种机械自动化领域的技术，具体是一种用于闭式整体叶盘电火花加工 过程中获得电极无干涉进给轨迹的方法。

背景技术

叶盘类零件是航空航天发动机的核心部件之一，也是决定发动机性能的关键因素之一。 随着航空航天事业的飞速发展，对于叶盘类零件的需求也越来越多，而对于其制造精度和效率 的要求也在不断提高。叶盘类零件的结构复杂，尤其是闭式整体结构，其叶片端部有一圈叶冠 存在，流道会呈现半封闭的结构，给加工带来极大的挑战。而闭式整体叶盘的叶片、盘身和叶 冠由同一块毛坯加工而来，加工十分困难。

目前，电火花加工是解决闭式整体叶盘加工问题的有效手段。该加工工艺最核心的问题 是如何获取成形电极无干涉的进给轨迹，进给轨迹的获取关系到电火花加工可否进行，而且一 定程度上影响着加工的效率。

经过对现有技术的检索发现，廖平强等人在《带冠整体涡轮盘加工中成型电极进给轨迹 搜索方法研究》中提出了一种以求取电极最小缩减量为目标函数的轨迹搜索方法，该方法需要 电极每次沿着X轴进行移动步进量，然后在其他轴上进行调整，但是该方法只能针对四轴联动 机床进行搜索，即包含XYZ平动和绕Z轴的旋转，针对五轴和六轴机床，该方法并不能有效利 用所有的自由度，机床的加工能力不能得到完全体现，且该方法考虑到的电极处理形式单一， 针对电极需要采用剖分处理的过程并不能很好地描述。

刘晓等人提出了一种“共轭法”轨迹搜索方法，通过控制让电极尽量沿着流道中心线进 行运动，从而让电极运动出流道，该方法在搜索时，分为预优化和再优化两个步骤，需要调整 电极中心线和流道中心线在出口位置相切，该方法可以获得多轴联动的运动形式，针对叶盘类 零件的多种形式，该方法可以很方便获得电极轨迹，但是针对电极在经过剖分处理，电极中心 线与流道中心线存在很大偏差的情况下，搜索过程则不能有效利用电极已有的运动空间，搜索 成功的概率会受到很大影响。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN104117741A，公开(公告)日2014.10.29， 公开了一种数控加工领域的闭式整体叶盘电火花加工六轴联动摄动进给方法，该技术通过在电 极主运动轨迹的基础上，增加垂直于主运动轨迹方向的往复微幅扰动，即在电极主运动轨迹上 的每个节点，获取垂直于电极头部位姿变化的摄动进给方向上的参考平面，然后在参考平面内 依电极能够运动的极限位置得到摄动区域；再在摄动区域内围绕主运动轨迹采集优化参考节点， 依次经拟合得到新的进给方向，经增加密化节点，形成支持最多六轴联动的摄动进给轨迹；最 后输出摄动进给轨迹的数控加工代码，通过电极实现带有优化抬刀动作的闭式整体叶盘电火花 加工。该方法是通过在已有轨迹的基础上增加摄动的方式来提高加工排屑能力，进而提高电火 花加工效率，也就是说该方法并不是针对电极轨迹搜索过程，而更多是对已有轨迹进行优化。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种闭式整体叶盘电火花加工电极最大自 由运动行程轨迹搜索方法，该方法不受闭式整体叶盘结构形式的限制，可以通用于涡轮盘、喷 嘴环和泵叶轮等多种类型的闭式整体叶盘类零件的加工。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明以电极进给的终止位置为优化轨迹起点、电极整体运动出流道之外为优化轨迹终 点、电极头部的端面中心指向电极尾部的端面中心的矢量方向作为电极运动的参考方向，将电 极从优化轨迹起点运动到优化轨迹终点的过程划分为若干阶段；电极从各阶段的一个运动节点 无干涉地平移运动得到该阶段的下一个运动节点，平移运动由一个沿着参考方向上的移动量和 垂直于参考方向的平面内的一个调整量构成，同时电极在各个运动节点进行电极旋转轴姿态调 整；电极无干涉地运动到流道外后得到全部的运动节点，采用三次样条曲线光滑地连接起所有 节点即为完整的优化轨迹；将优化轨迹进行坐标转换得到无干涉进给轨迹；

所述的移动量是指相邻阶段沿着参考方向上的间距，当电极移动该间距出现与叶盘干涉 时则减小移动量，而减小至叶盘加工精度要求值时仍然干涉，则结束优化轨迹的规划，修改电 极，采用修改后的电极重新开始优化轨迹搜索。

所述的调整量是指：确定移动量之后，在垂直于参考方向的平面内移动电极，找出电极 与叶盘不干涉的运动区域，将该区域作为不干涉区域；以不干涉区域内电极能够沿着参考方向 继续移动量最大的位置作为运动节点，移动量终点到该运动节点的矢量为调整量。

所述的电极旋转轴姿态调整是指：在运动节点上确保电极与叶盘无干涉的范围内调整电 极旋转轴位姿，使得电极继续沿着参考方向上无干涉移动量最大。

所述的坐标转换是指将优化轨迹逆向得到电极无干涉进给轨迹，并输出符合电火花机床 加工运动形式的数控代码。

在实际加工过程中，电极和叶盘都会各自进行运动；由于运动是相对的，在确定电极进 给轨迹时将叶盘的运动转变成电极的运动，即简化成以电极相对于叶盘的运动描述所有运动轴 的运动，在确定电极进给轨迹后还原得到叶盘和电极的实际运动轨迹。

技术效果

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

1)轨迹搜索成功率高：在电极退出流道的每个位置上都去寻找拥有最大向流道外运动趋 势的点，最终让电极沿着一条拥有向流道外最大运动趋势的轨迹运动到流道之外，极大地提高 轨迹搜索成功的可能性；

2)通用性好：适用于多种形貌的流道结构，不需要进行提取流道的中心线等复杂的操作， 还可以减少因为中心线提取不同而对搜索产生的影响；

3)多轴联动、加工效率高：由于搜索过程中并没有严格限制电极的运动方式，可以根据 需要选择参与运动的自由度，最高包含六个自由度；而如果减少一些自由度同样可行，这对于 某些运动自由度受到限制的情况是非常有利的；在轨迹搜索时，两种运动同时作用到电极之上， 最大程度地利用机床的加工能力；在电极进给时，通过多轴联动可以获得比较好的放电状态， 一定程度上提高加工效率。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中电火花加工各运动轴定义的示意图；

图2为本发明具体实施方式中确定电极无干涉进给轨迹的流程图；

图3为本发明具体实施方式中定义参考方向的示意图，其中：箭头方向为参考方向，箭 头端圆点为电极尾部端面中心，直线端圆点为电极头部端面中心；

图4为本发明具体实施方式中获取第i+1个节点的示意图；

图5为本发明具体实施方式中绕电极旋转轴A轴调整电极姿态的示意图；

图6为本发明具体实施方式中电极无干涉进给示意图；

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施， 给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，展示了电火花加工闭式整体叶盘各运动轴的定义，分别为沿着X、Y、Z 三个方向运动和绕着X、Y、Z三个方向的旋转运动；本实施例所涉及的确定电极无干涉进给轨 迹的方法流程如图2所示。

本实施例的具体步骤如下所述：

1)确定电极运动参考方向：在闭式整体叶盘加工过程中，电极能够退出流道最关键的因 素即产生沿着向流道外运动的趋势；一般来说，从电极最终运动到流道之外的位置与初始位置 对比来看，电极沿着向流道外方向上的运动量会比其它方向上的运动量都要大，以该方向来选 取电极运动的参考方向有助于确定优化轨迹；本实施例将选取的电极上位于流道中间的一端作 为头部，位于流道入口的一端作为尾部，当从头部运动到尾部时，电极也就基本能够运动出流 道之外；为了不失一般性，如图3所示，将电极上头部端面中心指向尾部端面中心的矢量方向 作为电极运动的参考方向，与此同时确定电极进给的终止位置为优化轨迹起点、电极整体运动 出流道之外为优化轨迹终点；

2)划分优化轨迹各阶段：将电极从优化轨迹起点运动到优化轨迹终点的过程划分为若干 阶段，各阶段可以根据流道形式或距离流道中间的位置来确定；针对阶段划分的间距，可以采 用均匀间距，也可以采用渐变间距；为了避免间距过小导致的电极轨迹过于繁琐，以及间距过 大导致的轨迹中间阶段不可控，故间距大小最小设置为叶盘加工精度的要求值，最大设置为叶 盘加工精度要求值的十倍；本实施例在阶段划分初始采用最小间距，随着电极向流道外逐步靠 近适当增加间距，这样变间距的阶段划分可以减少工作量，提高确定各个运动节点的效率；

3)确定各阶段的运动节点：为了不失一般性，针对优化轨迹的第i个阶段进行分析，具 体过程如图4所示，该阶段的运动从第i个节点开始，找出第i+1个运动节点结束；第i个阶 段的运动被划分成为：沿着参考方向和垂直于参考方向的平面，即第i个阶段的运动量分解为 沿着参考方向的移动量和垂直于参考方向的调整量；确定移动量，之后在垂直于参考方向的平 面内移动电极，找出电极与叶盘不干涉的运动区域，将该区域作为不干涉区域；以不干涉区域 内电极能够沿着参考方向继续移动量最大的位置作为第i+1个运动节点，该运动节点到参考方 向在不干涉区域内的交点的距离为调整量；图4中虚线即为电极沿着参考方向移动之后的位置， 而对比两个调整量的位置，可以发现右侧的位置沿着参考方向继续移动量比左侧位置大，则认 为右侧位置比左侧位置优；电极在确定沿着参考方向上的移动量时需要进行干涉判断，如果出 现干涉则需要减小移动量，当减小至最小间距时仍然干涉，则说明电极需要修改，待电极修改 完重复上述步骤1)-3)；

4)各阶段电极姿态调整：在确定第i个阶段的第i+1个运动节点后，在该运动节点上， 调整电极的姿态；如图5所示，电极周向的两个姿态调整位置上，上方一侧的电极能够沿着参 考方向继续无干涉移动量比起下方一侧的大，则说明在上方一侧进行姿态调整更优；完成电极 姿态调整之后，回到步骤3)进行下一阶段上的运动节点搜索；

5)优化轨迹坐标转化：当得到优化轨迹的所有节点后，将所有节点光滑地连接起来，得 到一条平顺的优化轨迹，将优化轨迹逆向即得到电极无干涉的进给轨迹；将电极的运动转化成 符合电火花机床特性的运动，最后输出可以用于电火花加工的数控代码。

下附本实施例所获得的G代码(片段)：

G01X33.8348Y-3.3140Z60.5500A3.9500C-14.5500；

G01X33.7373Y-3.1745Z60.5000A3.7000C-14.3500；

G01X33.6355Y-3.0916Z60.5500A3.5000C-14.5000；

G01X33.5384Y-2.9298Z60.5000A3.2500C-14.2500；

G01X33.4384Y-2.8798Z60.5500A3.1000C-14.2500；

G01X33.3389Y-2.7574Z60.5000A2.9000C-14.2000。