直齿锥齿轮齿面的NURBS曲面拟合与误差分析

为提高锥齿轮加工精度,提出数字化滚检新方法。首先对三次NURBS曲线进行研究,推导出解NURBS曲线控制顶点的线性方程组。由曲线过渡到曲面,给出一对直齿锥齿轮参数,利用双三次NURBS曲面拟合齿面,并分析重构齿面过程中型值点、节点矢量、边界条件对拟合精度的影响,最后计算出拟合误差,分析可知误差较小,可以用拟合齿面代替真实齿面。该方法为数字化齿轮设计与制造提供便利。     

变双曲圆弧齿线圆柱齿轮齿面重构与误差分析

为建立变双曲圆弧齿线圆柱齿轮的数字化模型,提出一套基于NURBS的曲线曲面数字化造型方法。利用基于啮合原理推导的齿面方程获得齿面数据点,对这些数据点进行双三次NURBS齿面重构,建立相应齿面的三维参数化模型,最后对参数化模型进行误差分析。基于实例,探究型值点、首末端切矢以及切矢模长的选取对重构齿面拟合误差的影响。重构后的齿面拟合误差在mm的数量级,满足工程使用要求。此三维实体模型构建方法的提出为针对该齿轮的RTCA及LTCA的研究奠定了一定的基础。     

弧齿锥齿轮仿真加工齿面的NURBS重构及优化方法

针对仿真加工输出的弧齿锥齿轮模型齿面精度较低的缺陷,结合非均匀有理B样条(NURBS)方法在CAD/CAM中的优势和特点,提出NURBS齿面重构和优化的方法。首先,基于仿真加工齿面形状的分析,提取初始型值点并对其进行优化选取,将由工作齿廓、过渡圆角、齿根组成的端面齿廓曲线作为v线,齿面的过渡圆角线作为u线,分别进行其曲线的NURBS拟合。然后,基于拟合的基本曲线,采用蒙面法进行了弧齿锥齿轮的NURBS齿面重构。最后,以重构齿面为基面提出了以牛顿迭代与最小二乘法为主的多种齿面优化方案,以完成齿面的精确拟合。结合相关算例的齿面精度对比分析,表明提出的重构及优化方法具有良好的实用性。     

变双曲圆弧齿线圆柱齿轮齿面重构与误差分析

为建立变双曲圆弧齿线圆柱齿轮的数字化模型,提出一套基于NURBS的曲线曲面数字化造型方法。利用基于啮合原理推导的齿面方程获得齿面数据点,对这些数据点进行双三次NURBS齿面重构,建立相应齿面的三维参数化模型,最后对参数化模型进行误差分析。基于实例,探究型值点、首末端切矢以及切矢模长的选取对重构齿面拟合误差的影响。重构后的齿面拟合误差在mm的数量级,满足工程使用要求。此三维实体模型构建方法的提出为针对该齿轮的RTCA及LTCA的研究奠定了一定的基础。     

弧齿锥齿轮测量齿面的NURBS重构

利用三坐标测量机获得了弧齿锥齿轮齿面上采样点的坐标值,然后采用双三次NURBS插值方法拟合出了数值齿面,能够为弧齿锥齿轮的数字化啮合分析提供参数化的齿面模型。最后,通过一个实例说明了该方法的可行性。     

渐开螺旋面的数字化曲面及其计量特征

真实齿面的数字化重建是虚拟仿真与测量的重要基础,提出了基于几何线特征的渐开线齿轮齿面的数字化曲面构造方法,根据渐开线齿轮齿面的渐开线、螺旋线和接触线三条特征线之间的相交关系划分齿面网格点,分别构造出三角面片组成的渐开螺旋面和双三次NURBS渐开线螺旋面。与三角面片集拟合得到的曲面进行面型拟合特征与拟合精度、特征线拟合特征与拟合精度的比对分析、特征线拟合精度与光顺性的分析计算。分析结果表明,两种数字化曲面具有明显不一样的特征,NURBS渐开螺旋面具有良好的精度和光顺性。     

准双曲面齿轮真实齿面研磨位置控制研究

为改善准双曲面齿轮副的研齿效果,提出了一种基于真实齿面的齿面研磨位置控制方法。对准双曲面齿轮真实齿面进行测量,并用非均匀有理B样条(NURBS)曲面对实测点进行拟合,采用真实齿面接触分析方法,分析了研磨运动参数V/H/J与齿面接触位置变化的数学关系,建立了齿面研磨点位置和移动方向的齿面研齿控制模型。数控滚检试验结果表明,该方法可精确实现准双曲面齿轮副的全齿面研磨。     

格利森制弧齿锥齿轮的齿面曲率特性研究

根据弧齿锥齿轮加工过程,通过计算机仿真方法编程计算得出格利森制弧齿锥齿轮不同加工方法齿面的精确三维坐标点;对不同齿面坐标点进行NURBS参数化曲面拟合,得到了不同齿面的统一数学表达模型;并据此计算格利森制弧齿锥齿轮齿面的曲率,绘制了不同齿面的等平均曲率线图;并研究了加工参数调整与齿面等平均曲率线图变化之间的联系,证明了依据齿面等曲率图的变化实现对弧齿锥齿轮齿面加工误差调整以及对齿面曲率定量修正的可行性.     

基于NURBS直纹面拟合敏感点的空间凸轮侧铣刀轨算法优化

基于NURBS直纹面拟合敏感点的空间凸轮侧铣刀轨算法优化原理,提出了拟合误差敏感点的选择方法,根据NURBS曲面重构的原理,将曲面曲率最值点和拟合误差最大点定义为理论加工刀轨曲面误差敏感点。利用曲率敏感点,在理论非等径刀轨曲面规划离散网格,得到初始数据点。通过最小二乘优化方法重构NURBS刀轨直纹面,再根据误差敏感点定义的等参数曲线来调整刀轨直纹面形状。构建了理论加工误差模型,并通过实例的仿真计算和数值模拟说明了该算法的有效性。     

批量弧齿锥齿轮热处理变形齿面偏差的自助法统计模型

针对齿轮材料、数控铣齿方法和热处理规范均相同的同一批次的弧齿锥齿轮,基于自助法对少量齿面偏差样本数据进行自助再抽样,得到大量的样本数据,建立了批量弧齿锥齿轮齿面偏差的自助法统计模型;计算了齿面测量顺序点的概率特征值,利用k-s检验了其是否符合正态分布,并选取估计真值、估计区间等参数,描述了其统计规律和结果;通过三次NURBS曲面拟合方法,得到了整批次齿面偏差变化规律,实现了整批次齿面精度的有效评价。该自助法统计模型为指导齿面加工参数修正和高效稳定生产提供了理论依据。     

斜齿轮成形磨削齿向修形齿面模型构造与误差评价

砂轮磨削带齿向修形的斜齿轮时,砂轮与齿轮之间的接触线时刻发生变化,其附加运动会使齿向一面产生“修形扭曲”,为此,提出一种高精度建立齿向修形齿面的方法。根据齿向修形原理,推导出成形磨齿的实际接触线方程;通过改变中心距的值,沿齿向得到多组接触线,使用NURBS曲面拟合,得到齿向修形齿面;对影响齿面精度的主要因素齿廓偏差和螺旋线偏差进行分析并提出误差评价模型。以鼓形修形斜齿轮为例,介绍齿向修形齿面构造全过程。磨齿实验验证了模型的准确性以及齿向修形齿面构造的高精度性。     

Implementation of online NURBS curve fitting process on CNC machines

The study aims to develop a method for implementing an online non-uniform rational B-spline (NURBS) curve fitting process on CNC machines for improving the quality and efficiency of machining. Conventional CAD/CAM/CNC systems usually induce some machining difficulties and limit the machining results in real applications. Therefore, some researchers have proposed various methods for improving the machining results. An online NURBS curve fitting process consists of the fetching and fitting stages for CNC machines is developed in this paper. The fetching stage fetches a block of NC code and generates motion commands for obtaining data points. The fitting stage executes the NURBS curve fitting method along with a given set of data points. Moreover, the optimal search method is designed for obtaining good results in the NURBS curve fitting process. Simulations and machining tests carried out on a vertical machining center show that the proposed approach reduces the machining time to about 23% while maintaining the machining quality for the sample test.     

弧齿锥齿轮基于比例修正参数的齿形误差修正

对弧齿锥齿轮齿形误差的修正方法进行了研究。根据弧齿锥齿轮齿面的数学模型,对齿面进行离散化处理并给出齿面离散点的径矢和法矢,建立修正齿面在离散点处相对于理论齿面的齿形误差表达式。根据实际齿面齿形误差的测量数据,得到弧齿锥齿轮的差曲面。在建立差曲面特征参数与比例修正参数之间关系的基础上,根据弧齿锥齿轮切齿计算得到的比例修正参数以及实际齿面在各离散点处的齿形误差值,建立一种基于比例修正参数的齿形误差修正方法。运用最优化算法可得到各种比例修正参数的修正倍数,进而得到机床调整参数的修正量。由修正后的机床调整参数可实现轮齿齿形误差的修正。通过实际的磨齿加工和齿形误差测量,验证了齿形误差修正方法的正确有效性。     

大型旋转曲面表面涂层仿形加工方法

针对航天领域中某大型易变形薄壁工件旋转曲面表面的涂层仿形加工问题,提出一种高效的实时加工方法。将距离传感器安装于刀具前方一定角度处,加工时,传感器先检测金属曲面外形数据,以测量的离散数据点计算刀具进给轨迹进而控制刀具进给,从而实现高效率的涂层加工,解决易变形薄壁工件表面涂层的仿形加工难题。在实时加工点到达测量点的时间段内,系统完成数据采集、数据处理和刀具轨迹计算。为提高运算实时性,提出对NURBS曲线进行近似拟合的轨迹快速生成方法,以拟合误差为依据将轨迹分成NURBS曲线段和折线段,在误差大的拟合点以直线段连接。最后,通过加工实验证明该加工方法高效、实用。     

弧齿锥齿轮的三维模型设计

采用运动学方法和齿轮啮合原理推导了弧齿锥齿轮的齿面方程,再用MATLAB软件编程采集齿面上点的信息生成数据文件,然后把数据导入三维造型软件CATIA中构造齿轮的轮齿曲面,最终实现了弧齿锥齿轮的三维模型.     

NURBS curve and surface fitting for reverse engineering

Reverse engineering is an approach for constructing a computer-aided design (CAD) model from a physical part through dimensional measurement and surface modelling. This paper presents alternatives for reverse engineering of free-form parts using Non-Uniform Rational B-Spline (NURBS) surfaces. A two-step linear approach is employed for fitting NURBS curves and surfaces using the measured points. During the first step, the weights of the control points are identified from a homogeneous system using symmetric eigenvalue decomposition. The control points are further processed in a way similar to B-spline curve and surface fitting. Some examples are presented to illustrate both the steps of reverse engineering and the process of NURBS curve and surface fitting.     

基于NURBS曲线拟合的微段高速自适应加工算法

为了满足加工精度的要求,消除以微小直线段离散化自由曲线加工路径的微段加工方式的加工程序量过大和需要频繁加减速的两大弊病,实现微小直线段的高速平滑加工,提出了带权因子和一阶导数约束的NURBS曲线最小二乘逼近算法,并在此基础上给出了基于NURBS曲线拟合的微段平滑加工算法。该微段平滑加工算法将离散的微段数据点拟合成一条NURBS曲线并将其作为新的加工路径,然后利用NURBS曲线实时插补,从而实现微小直线段的平滑加工。验证结果表明,该算法使加工更平滑和高效。     

Fast and accurate NURBS fitting for reverse engineering

Fast and accurate fitting of non-uniform rational B-spline (NURBS) curves and surfaces through large sets of measured data is an important problem in applications such as reverse engineering and geometric modelling. This paper presents a method for realising significant improvements in the computational efficiency of this task. The basic idea is that the sparsity structures of the relevant matrices that are specific to the problem of NURBS fitting can be precisely defined and that full exploitation of these structures leads to significant savings in both computational and storage requirements. These savings allow for a large number of control points to be used in order to define the surface and consequently to improve the accuracy of shape representation. The achieved computational complexity is linear in both the number of measured points and the number of control points while the storage requirements of the algorithm are linear with the number of control points only. The complexity analysis, as well as the analysis of actual running times is presented. The results demonstrate that, using this approach, highly complex shapes may be modelled accurately with a single NURBS surface.