[发明专利]非回转型工具数控加工复杂曲面的加工方法

说明书

本发明公开了一种非回转型工具数控加工复杂曲面的加工方法，所述加工方法包括通过非回转型工具数控加工复杂曲面的有效特征线的离散算法，获得最大行宽时的工具轨迹。所述离散算法包括如下步骤：选择合理的工具曲面，确定驱动工具运动形式；建立工具和工件连接点的运动方程和工具曲面绕连接点转动的运动方程；建立工具曲面的原始参数空间与任意位置坐标系对应变换方程；求解工具曲面任意位置的特征线，获得工具工作面；获得经线或纬线；求解多条经线或纬线与工件曲面之间的最短距离点并连接得到有效特征线段；调整参数计算得到行宽最大的刀位，获得最大行宽时的工具轨迹。本发明可以为加工复杂曲面提供一种有效的解决方案。

技术领域

本申请涉及复杂曲面数控加工领域，具体但不排他地，涉及一种非回转型工具数控加工复杂曲面的加工方法，该加工方法包括通过离散工具曲面计算非回转型工具数控加工有效特征线，尤其包括基于广义包络理论和离散工具曲面的非回转型工具数控加工复杂曲面的有效特征线的离散算法。

背景技术

半封闭曲面的加工问题是目前的一大瓶颈问题。例如，对于闭式叶轮、叶环和涡轮导向器叶片等复杂工件来说，采用直柄回转形工具加工时非常容易发生干涉。而采用非回转工具(如振动抛光工具)虽然可以充分利用流道空间、增加工具的刚度与涂覆磨具的工作表面积，显著延长工具的使用寿命。但却由于缺乏非回转工具的刀位计算方法，使得非回转工具在数控加工中的应用非常有限，目前多半还是应用于人工雕刻和打磨过程。因此研究和获得非回转工具的设计和编程技术具有重大的理论意义和应用价值。

利用非回转工具加工复杂曲面或形成复杂曲面的工艺过程，是一个具有高度复杂性的过程。目前处理数控加工问题的常规方法是以设计曲面为依据，确保工具上的一个点能够通过曲面上给定的驱动线，在接触点以外的工具和工件之间的相对接近关系都以残留三角形的宽度和高度来进行补充描述，前者用于计算行宽、后者用于控制加工误差。

残留三角形的高度计算问题实际是已加工表面上的特征线与设计曲面之间的距离分布的计算问题。目前很多算法都采用近似计算方法来处理该问题。例如，投影椭圆法，将环面工具的环心圆向过接触点的一个法截面上投影来确定一个椭圆，利用这个椭圆与曲面之间的接触情况和间隙分布来近似表示实际的残留三角形的误差分布。这种计算方法实际上忽略了复杂工具做复杂空间运动的包络面的截形与做直线运动的投影的截形的不同，前者的实际形状有时接近椭圆，完全不同于近似计算的椭圆。而目前商用系统中所采用的STURZ算法基本上都是近似计算方法，这极大限制了数控加工水平、效率、精度的提高。

斯图加特大学首先研究了复杂工具加工复杂曲面的误差分布问题，并提出了W型误差分布以及其它多种误差分布形式。滑铁卢大学观察到了环面工具加工复杂曲面时存在两个切触点的情况并开展了大量的探索工作。斯达拉格公司在滑铁卢大学多点法的基础上，提出了一种利用Hermit-Chebyshev多项式近似拟合W形误差分布的方法，希望通过计算中点的误差情况来对总体的接触情况进行准确和快速的描述。这种方法的优点是可以减少误差分布的计算时间，缺点是过多依赖于曲面的切触条件。因此，对于样条函数曲面，曲面曲率的微观波动将使寻找第二切点的算法难于奏效。对于一些逆向工程获得的表面，由于曲面的不光滑导致法线的波动，更加限制了上述方法的有效应用。

上述这些方法的另一个问题是没有全面考察工具曲面和设计曲面的全局干涉问题，因此很难避免工具和工件在远离接触点的位置发生碰撞。如何找到可以同时考虑刀具和工件接触点和包含残留三角形的接触问题，如何将局部干涉问题和刀位计算问题统一起来，如何在更大的范围或宏域范围考察工具和工件的运动关系和修复在一点附近的局域曲率吻合原则的缺陷乃至函数在一点附近展开的计算误差和有效范围的限制，如何同时解决全局的干涉检查问题和刀位优化问题的统一是复杂曲面加工中需要解决的技术难题。

为了解决上述困难，北京航空航天大学提出了一系列能够直接、准确计算工具和工件在原理接触点的更大范围(宏域)的加工误差的理论与方法，期望将工具和工件的接触点的共轭运动问题和接触点之外的运动关系描述问题统一起来。