技术领域
[0001] 本
发明涉及一种叶轮的加工方法，具体涉及一种针对整体叶轮的自适应加工方法，属于数控加工技术领域。
背景技术
[0002] 整体叶轮因其采用毛坯料整体制造成型，相较于分体制造，具有生产周期流程短、零件综合工作性能高、可靠性高的优点，因而广泛用于航空、航天、
汽车、
能源等行业。
[0003] 在整体叶轮制造领域，采用五轴数控机床进行
叶片加工仍然是最为主要的加工方式。当前在进行整体叶轮调试时，普遍采用的方法是首先针对单个流道及叶片进行数控程序编制，接下来在机床上加工某一个叶片或流道时，便将该叶片或流道作为待加工特征，旋转到与编程坐标一致的特定
位置，再调用子程序进行加工。这种加工方法的好处是简化了编程工作量、程序简练，然而，该方法实质上在针对每个叶片或流道加工时，都在重新定义
坐标系，由于叶轮零件、工装以及装夹过程中各种因素的影响，这些重新定义的坐标系与理论位置之间或多或少的存在一定的误差，这最终会降低叶轮叶型及流道的加工
精度，且该方法需要找正零件圆周跳动和端面跳动，找正难度大、效率低，降低了生产过程的效率，另外人工参与找正的现状也不适用于自动化生产模式，亟需提出一种新的整体叶轮加工方法来解决这一问题。
发明内容
[0004] 有鉴于此，本发明提供了一种五轴数控机床整体叶轮自适应加工方法，依托机床在线测头实现加工基准
定位，并通过坐标变换实现对子程序的旋转，最终实现整体叶轮的自适应加工，能够显著提高叶轮零件加工精度及一致性，提升加工
质量。
[0005] 一种五轴数控机床整体叶轮自适应加工方法，该方法实现的步骤如下：
[0006] 步骤一：安装待加工整体叶轮零件(以下简称‘零件’)，使零件大致位于
工作台回转中心，将五轴数控机床(以下简称‘机床’)两个转动轴均设置为0度位置，使零件端面与机床刀具
主轴相互垂直；
[0007] 步骤二：根据零件尺寸大小，在零件端面上设置三个及以上测量点并调用机床测头对每个测量点在机床坐标系中的位置坐标值(包含三个直
线轴)进行测量，计算零件端面法向矢量和机床两个转动轴待调整
角度；
[0008] 步骤三：根据步骤二计算结果调整机床转动轴位置使得零件端面处于与机床刀具主轴精确垂直状态，记录此时机床的两个转动轴坐标值；
[0009] 步骤四：调出机床测头测量零件端面中心以及零件端面高度在机床三个直线轴上的坐标值并记录；
[0010] 步骤五：将步骤三和步骤四记录的两个转动轴和三个直线轴坐标值设定到机床寄存器中；
[0011] 步骤六：利用步骤五中所设定的寄存器数值作为零点偏置进行整体叶轮零件加工。
[0012] 进一步地，所述步骤六中进行整体叶轮零件加工时输入的数控程序，包含以下两种情形：
[0013] 第一种情形是输入数控程序本身包含整体叶轮零件中所有组叶片或流道的加工程序；
[0014] 第二种情形是输入数控程序本身只包含整体叶轮零件中单组叶片或流道的加工程序。
[0015] 进一步地，当输入的数控程序为上述第一种情形时，由机床数控系统直接调用该程序进行加工；当输入的数控程序为上述第二种情形时，针对第一组叶片或流道，由机床数控系统直接调用输入的数控程序进行加工，针对其他组叶片或流道，首先根据该组叶片或流道与首组叶片或流道之间的角度值对输入的数控程序进行
工件坐标系下的坐标变换，再由机床数控系统调用进行加工。
[0016] 进一步地，所述工件坐标系下的坐标变换是指对输入数控程序的直线轴坐标值及转动轴坐标值或者刀轴矢量分量坐标值均进行坐标变换；当输入数控程序采用直线轴坐标值和转动轴坐标值格式表达时，坐标变换需要针对每行代码的三个直线轴坐标值和两个转动轴坐标值进行；当输入数控程序采用直线轴坐标值和刀轴矢量分量坐标值格式表达时，坐标变换需要针对每行代码的三个直线轴坐标值和三个刀轴矢量分量坐标值进行。
[0017] 进一步地，所述步骤六中的加工程序是
指针对所有组叶片或流道，单组叶片或流道能够完成粗铣流道、半精铣叶型、精铣叶型、清根加工、扫底加工、半精铣小叶片、精铣小叶片、小叶片清根等加工工序中的一个或者多个数控程序。
[0018] 进一步地，所述两种情形输入数控程序均为开启刀尖跟随模式(也称“绕刀具中心旋转”，在不同的数控系统中被称为RTCP、RPCP或者TCPM等功能)的程序。
[0019] 进一步地，所述步骤六中进行整体叶轮零件加工时，机床应允许设置旋
转轴为非0度的零点偏置值；且机床数控系统在进行五轴数控程序插补前，能够考虑直线轴和
旋转轴的零点偏置值设置情况，针对调用的每行数控程序代码进行预处理，以计算在机床坐标系下，运行该行数控程序代码所对应的旋转轴实际应转动角度和直线轴实际应移动距离或者旋转轴和直线轴实际应到达的位置。
[0020] 有益效果：
[0021] 1、本发明在进行整体叶轮零件加工时通过利用数控机床在线测头和运算补偿功能，能够大大减少零件装夹找正误差，提高整体叶轮零件加工精度及一致性。
[0022] 2、本发明的加工方法省去了人工打表找正环节，能够显著提高工作效率，能够适合用于生产线等自动化生产工况，应用前景广阔。
[0023] 3、根据本发明提供的方法，五轴数控机床研发企业可以设计开发整体叶轮自适应加工功能模
块，提升五轴数控机床针对整体叶轮零件的定制化加工功能，简化用户在加工整体叶轮零件时的调试工作量、降低调试工艺技术人员入
门门槛，使所开发出的五轴数控机床更加便捷易用、更具国际竞争
力。
附图说明
[0024] 图1为本发明五轴数控机床整体叶轮自适应加工方法的步骤
流程图；
[0025] 图2为整体叶轮零件的结构示意图；
[0026] 图3为五轴数控机床的轴线示意图；
[0027] 图4为零件端面与刀具主轴精确垂直状态示意图(机床旋转轴结构在机床坐标系YZ平面内的投影)
[0028] 图5为数控程序刀路轨迹旋转变换示意图；
[0029] 其中，1-销孔、2-机床X轴、3-机床Y轴、4-机床Z轴、5-机床A轴、6-机床C轴、7-工作台、8-刀具、9-叶轮、10-A轴转角对应的坐标值A1、11-随A轴摆动坐标系Y’轴、12-随A轴摆动坐标系Z’轴、13-加工第一组叶片的刀路轨迹、14-加工第四组叶片的刀路轨迹、15-工件坐标系X轴、16-工件坐标系Y轴、17-工件坐标系Z轴、18-第一组和第四组叶片之间夹角θ。
具体实施方式
[0030] 下面结合附图并举
实施例，对本发明进行详细描述。
[0031] 本发明提供了本发明提供了一种五轴数控机床整体叶轮自适应加工方法，不同结构形式的数控机床，摆动轴配置可能不同，本发明以在摆篮式五轴数控机床上实现本发明为例介绍具体实施方式。
[0032] 如附图3所示，假设摆篮式五轴数控机床配置有机床A轴5和机床C轴6两个转动轴，其中机床C轴6为连续旋转轴，机床A轴5为摆动轴，机床C轴6安装在机床A轴5上，直线轴配置分别为机床X轴2、机床Y轴3和机床Z轴4。
[0033] 如图3，机床X轴2、机床Y轴3和机床Z轴4组成机床坐标系；如图5，工件坐标系X轴15、工件坐标系Y轴16、工件坐标系Z轴17组成工件坐标系。
[0034] 该方法的实现步骤如附图1所示：
[0035] 步骤一、将工装和整体叶轮零件9(以下简称‘零件’)安装好，目测使零件大致位于工作台7的回转中心，当在自动化生产线上加工时，采用零点定位系统(母板位置固定在工作台回转中心附近)及自动上下料系统将零件装好即可，机床A轴5和机床C轴6均调整至0度位置，此时零件端面应大致处于
水平位置，确保机床测头能够正常测量。对于切削力较大或者需要进行二次装夹的情形，可以通过零件上的销孔1来固定或者确定角向位置。
[0036] 步骤二、根据零件尺寸大小，在零件端面均布设置三个及以上(含三个)测量点，调用机床测头对每个测量点在机床坐标系中的位置坐标值(包含三个直线轴)进行测量，利用测得数据计算出零件端面单位法向矢量，假设为(VX1,VY1,VZ1)，基于此，按照如下四种情况进一步计算机床两个转动轴待调整角度ΔA和ΔC，并记录：
[0037] (1)如果VX1＝0，VY1＝0，那么
[0038] ΔA＝0
[0039] ΔC＝0
[0040] (2)如果VX1＝0，VY1≠0，那么
[0041] ΔA＝arcsin(-VY1)
[0042] ΔC＝0
[0043] (3)如果VY1＝0，VX1≠0，那么
[0044] ΔA＝arcsin(VX1)
[0045]
[0046] (4)如果VX1≠0，VY1≠0，那么
[0047] ΔA＝arccos(VZ1)
[0048]
[0049] 步骤三、根据步骤二计算结果调整机床转动轴位置使得零件端面处于与机床刀具主轴精确垂直状态，对于本实施例而言，摆篮式五轴数控机床刀具主轴一直处于竖直状态，零件端面与机床刀具主轴精确垂直等同于将零件端面设置于精确水平状态，具体如附图4所示，记录此时机床A轴5、机床C轴6两个转动轴坐标值，记为A1、C1；此时，随A轴摆动坐标系的位置如图4中虚线所示，随A轴摆动坐标系Y’轴11始终处于机床坐标系机床Y轴和机床Z轴组成的平面内，随A轴摆动坐标系Z’轴12始终与工作台7回转轴重合。
[0050] 步骤四、调出机床测头测量零件端面中心以及零件端面高度在机床坐标系中的位置坐标值并记录，假设为X1、Y1、Z1；
[0051] 步骤五、将步骤三和步骤四记录的两个转动轴坐标值A1、C1和三个直线轴坐标值X1、Y1、Z1设定到机床寄存器中，例如设定在G54中；
[0052] 步骤六、利用步骤五中所设定的寄存器G54作为零点偏置进行整体叶轮零件加工。
[0053] 上述步骤六中进行整体叶轮零件加工时输入的数控程序，包含以下两种情形：
[0054] 第一种情形是输入数控程序本身包含零件中所有组叶片或流道的加工程序；
[0055] 第二种情形是输入数控程序本身只包含零件中单组叶片或流道的加工程序。
[0056] 当输入的数控程序为上述第一种情形时，由机床数控系统直接调用该程序进行加工；当输入的数控程序为上述第二种情形时，针对第一组叶片或流道，由机床数控系统直接调用输入的数控程序进行加工，加工第一组叶片的数控程序对应的刀路轨迹如13，针对其他组叶片或流道，首先根据该组叶片或流道与首组叶片或流道之间的角度值对输入的数控程序进行工件坐标系下的坐标变换(以加工第4组叶片为例，所用数控程序对应的刀路轨迹14是通过对加工第一组叶片的数控程序进行坐标变化得到)，再由机床数控系统调用进行加工。
[0057] 本实施例以输入数控程序为第二种情形为例，假设整体叶轮总的叶片或流道组数为N，待加工叶片或流道组序号为n，那么，该叶片或流道组与首组叶片或流道之间的角度值θ18由下式计算：
[0058]
[0059] 在工件坐标系内，根据得到的θ角度值，对子程序中的坐标值及转动轴坐标值(或者刀轴矢量分量坐标值)进行坐标变换。附图5给出了通过绕工件坐标系Z轴17，将加工首组叶片的数控程序刀路轨迹变换为加工第四组叶片的数控程序刀路轨迹的示意图，对于数控代码中的直线轴坐标值，采取以下公式进行坐标变换：
[0060]
[0061] 其中，Xa、Ya、Za表示坐标变换前数控代码中任意一行的三个直线轴坐标值，Xb、Yb、Zb表示该行数控代码坐标变换后三个直线轴坐标值。
[0062] 对于转动轴坐标值(或者刀轴矢量分量坐标值)的坐标变换具体分为以下两种情况：
[0063] (1)当输入数控程序采用直线轴坐标值和转动轴坐标值格式表达时，对两个转动轴坐标值进行坐标变换的具体公式如下：
[0064] Ab＝Aa
[0065] Cb＝Ca+θ
[0066] 其中，Aa、Ca表示坐标变换前数控代码中任意一行的两个转动轴坐标值，Ab、Cb表示该行数控代码坐标变换后两个转动轴坐标值。
[0067] (2)当输入数控程序采用直线轴坐标值和刀轴矢量分量坐标值格式表达时，对三个刀轴矢量分量坐标值进行坐标变换的具体公式为：
[0068]
[0069] 其中，VXa、VYa、VZa表示坐标变换前数控代码中任意一行的刀轴矢量分量坐标值，VXb、VYb、VZb表示该行数控代码坐标变换后刀轴矢量分量坐标值。
[0070] 上述所有组叶片(流道)的加工程序或者单组叶片(流道)的加工程序指的是针对所有组叶片(流道)或者单组叶片(流道)能够完成粗铣流道、半精铣叶型、精铣叶型、清根加工、扫底加工、半精铣小叶片、精铣小叶片、小叶片清根等加工工序中的一个或者多个数控程序。
[0071] 两种情形输入数控程序均为开启刀尖跟随模式(也称“绕刀具中心旋转”，在不同的数控系统中被称为RTCP、RPCP或者TCPM等功能)的程序。
[0072] 步骤六中进行整体叶轮零件加工时，机床应允许设置旋转轴为非0度的零点偏置值；且机床数控系统在进行五轴数控程序插补前，能够考虑直线轴和旋转轴的零点偏置值设置情况，针对调用的每行数控程序代码进行预处理，以计算在机床坐标系下，运行该行数控程序代码所对应的旋转轴实际应转动角度和直线轴实际应移动距离(或者旋转轴和直线轴实际应到达的位置)。需要注意的是，当加工前设置的机床A轴和C轴的零点偏置值为非0度时，如图4所示，意味着在加工起始状态，机床A轴转角α10对应的坐标值不再是0，此时机床C轴旋转中心线不再与刀具8轴线平行，而是处于随A轴摆动坐标系中Z’轴12的方向，应以此状态为起始状态，计算五轴数控机床旋转轴实际应转动角度和直线轴实际应移动距离(或者旋转轴和直线轴实际应到达的位置)。
[0073] 综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
