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。 9K~X}]u  
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1 引言 Wi)Y9frE  
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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(chǎn)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(jù)實際情況進行修改和開發(fā)，嚴重阻礙了新產(chǎn)品的研制。 X8"4)IZ3  
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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。 ?sk{(
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2 干涉類型 xo a1='  
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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。 jH({Qc,97  
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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。 Xq@Bzya  
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1.輪轂 2.葉片 3.刀具 ))66_bech  
圖1 整體葉輪加工情況 +Hgil  
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3 干涉檢查及刀位調整 lK 5@qG#  
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1) 刀具與自身葉片葉頂之間的干涉 x8 _f/2&  
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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 3K!(/
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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。 w;W# 'pE  
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刀具有效半徑為 %<8`(Uu5  
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R0= r0+ |AB|cosqtanb (2) ``4e&  
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式中：r0為刀具球頭半徑：b為刀具的半錐角：cosq=AB•a/|AB|。 0Un?[O  
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2) 刀具與相鄰葉片葉頂之間的干涉 FkE)~g  
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這種類型干涉情況的判斷與第一種干涉情況的判斷相似。相鄰葉片葉頂?shù)膮��?shù)曲線可通過將被加工葉片的葉頂參數(shù)點順時針或逆時針旋轉角度α(α=360m，m為葉片數(shù))得到。 0v+-yEkw  
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3) 刀具與被加工區(qū)域周圍鄰近點之間的干涉 UE8j
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理論上，這種類型的干涉應檢測刀具所在圓錐面與刀具所覆蓋區(qū)域內的曲面的交點的存在性，但這樣計算比較復雜，計算量也較大。為了簡便起見，采用以下算法。 YLJ^R$pi