多轴加工无干涉刀具路径生成算法研究

多轴数控加工中刀具路径的计算直接影响加工零件的精度和加工效率。本文介绍了一种平底刀多轴无干涉刀位轨迹生成算法,在刀轴方向上消除干涉量。首先对参数曲面进行三角离散化,根据曲面相应点的法矢布置初始刀具位姿。构造曲面和刀具的OBB模型,通过包围盒间的快速相交测试得到刀具与曲面的干涉三角片,在此基础上,采用解析方法计算刀具与干涉三角片在刀轴方向上的干涉量,修正刀位点,最后得到无干涉刀位轨迹。     

三角Bézier曲面数控精加工刀轨快速生成算法

为了解决三角Bézier曲面精加工刀轨生成效率低以及存在的刀轨干涉等问题,提出一种基于三角Bézier曲面的数控精加工刀轨快速生成算法,该算法引入动态索引组织三角Bézier面片的拓扑近邻关系,基于该索引快速获取与刀轨截平面相交的三角Bézier面片集,对其中任一相交面片进行初始交点迭代计算,从初始交点开始跟踪迭代获取跨越三角Bézier面片的完整交线,将获得的有序交线各端点作为刀触点获取相应刀位点,依据刀触点处曲面法矢与刀杆矢量的关系快速确定可能存在干涉的区域,进而对干涉区域刀位点进行调整获取无干涉刀位点,顺次连接各刀位点生成数控加工刀轨,实例证明该算法可对任意复杂三角Bézier曲面精确、快速生成数控加工刀轨,并通过三角Bézier曲面模型的数控刀轨生成验证了该算法的实用性。     

三角网格曲面等参数线刀轨生成算法

提出一种三角网格曲面等参数线刀轨生成算法。采用调和映射的方法对三角网格曲面进行参数化,给出了四种等参数线刀轨规划方式;根据网格模型、投影网格和参数网格之间的对应关系,由残留高度确定参数网格中的x或r参数线;在此基础上,采用“区域划分”的方法快速生成了无干涉、无冗余数据的网格曲面等参数线行切和环切刀轨。实验结果表明该算法是可行和有效的。     

基于三角Bézier曲面平刀环切粗加工刀轨生成算法

为实现基于三角Bézier曲面造型技术的产品逆向设计与制造,提出一种针对三角Bézier曲面模型的平头刀环切粗加工刀轨生成算法,该算法通过优化R＊树的构建过程,建立了三角Bézier曲面模型的动态索引,基于该索引快速获取瞬时加工区域三角Bézier曲面片,进而采用刀具表面离散的方法迭代计算无干涉刀位点,并建立了三角Bézier曲面的Z向包络面,采用R＊树组织Z向包络面的拓扑近邻关系。将切削平面与Z向包络面求交获取截面轮廓环,并由它们之间的包含关系确定切削区域,进而获取环切粗加工刀轨。通过实例证明了该算法可对复杂三角Bézier曲面生成平刀无干涉环切粗加工刀轨。     

基于Z-buffer的组合曲面圆环面刀具加工方法

为解决组合曲面五轴加工问题提出一种基于计算机图形学Z-buffer技术的圆环面刀具刀位生成算法。首先借助Z-buffer技术确定刀位计算的检测区域,然后在保证圆环面刀具和检测区域不干涉的前提下调整刀位,使刀具端面和模型曲面充分贴合,从而得到更宽的加工行宽。算法充分利用计算机硬件的快速高效性,直接对加工检测区域内的点进行读取和存贮,避免复杂的搜索和迭代过程。算法过程中集成对刀位干涉的检测和避让,可直接生成无干涉的刀位数据。刀位算法计算过程使用曲面的多面体信息,适用于以裁剪曲面为元素的组合曲面模型的无干涉刀位的计算。针对某组合曲面模型进行刀位计算和仿真,仿真结果相比传统的球头刀加工算法效率提高了10倍。最后对生成的刀轨进行了实际加工试验验证。     

环形刀五轴数控加工刀具路径生成算法

将微分几何理论应用于环形刀五轴加工无干涉刀具路径生成方法的研究,分别推导出刀触点处刀具曲面和工件曲面曲率分布方程,结合这两个方程,进行进给步长、加工行距以及相邻刀触点等的计算并建立判断有无干涉发生的条件,利用该条件对刀具姿态角进行修正以避免干涉.对实际曲面进行路径计算结果表明,提出的方法能有效避免干涉而且缩短加工路径长度.     

用环形铣刀五轴加工自由曲面的全局干涉检测

针对环形铣刀五轴加工复杂曲面的全局干涉问题,提出了一种基于曲面二重网格划分的全局干涉检测算法。首先将加工曲面沿参数方向进行初始网格划分,得到离散网格点并快速排除不与刀具发生全局干涉的网格点;然后分别计算剩余的网格点到刀轴线段的最短距离,找到离刀轴线段距离最近的初始网格点;最后以该网格点为中心的邻域进行局部网格划分找到满足精度的离刀轴线段距离最近的网格点,确定该点的位置及与刀轴线段的最短距离,判断是否发生全局干涉。若存在全局干涉,进行刀具姿态调整。与传统方法相比,该方法极大提高了全局干涉的检测效率,并通过实例验证了该方法具备可行性。     

带倒角平底刀曲面加工无干涉刀具轨迹生成

对自由曲面ＮＣ加工中刀具轨迹生成技术和干涉处理方法进行了分析,以曲面模型→刀具接触点数据→无干涉刀位数据为基本求解策略,研究开发出适用于带倒角平底刀无干涉刀具轨迹生成的新算法。该算法具有干涉检测彻底、处理效率高、稳定性好等优点。     

复杂曲面五坐标数控加工刀具轨迹的规划算法

提出了复杂曲面五坐标数控加工刀具轨迹的规划算法。该算法在保证刀具不与被加工曲面发生干涉的基础上 ,使得刀具扫描面与被加工曲面在刀触点处切平面上每个方向的曲率相匹配 ,由此规划的等残留高度刀具轨迹能改善曲面加工精度和加工效率     

基于改进遗传算法求取加工自由曲面的最大刀具尺寸

为选取合适的加工刀具尺寸以对自由曲面实现无曲率干涉加工,提出了改进遗传算法并应用于自由曲面全局最大主曲率求取,确定无曲率干涉最大刀具尺寸.根据主曲率特点设计了一种新的非线性自适应度函数,避免算法过早收敛于局部最优值,并给出了新的复制原则.改进遗传算法应用算例分析表明,该算法在500代内能有效求取自由曲面全局最大主曲率,比传统的离散法效率高,选择的最大刀具尺寸满足自由曲面加工无曲率干涉加工的要求.     

Tool Positioning Algorithm Based on Smooth Tool Paths for 5-axis Machining of Sculptured Surfaces

The current research of the 5-axis tool positioning algorithm mainly focuses on searching the local optimal tool position without gouging and interference at a cutter contact(CC) point,while not considering the smoothness and continuity of a whole tool path.When the surface curvature varies significantly,a local abrupt change of tool paths will happen.The abrupt change has a great influence on surface machining quality.In order to keep generated tool paths smooth and continuous,a five-axis tool positioning algorithm based on smooth tool paths is presented.Firstly,the inclination angle,the tilt angle and offset distance of the tool at a CC point are used as design variables,and the machining strip width is used as an objective function,an optimization model of a local tool positioning algorithm is thus established.Then,a vector equation of tool path is derived by using the above optimization model.By analyzing the equation,the main factors affecting the tool path quality are obtained.Finally,a new tool position optimization model is established,and the detailed process of tool position optimization is also given.An experiment is conducted to machine an aircraft turbine blade by using the proposed algorithm on a 5-axis blade grinding machine,and the machined blade surface is measured with a coordinate measuring machine(CMM).Experimental and measured results show that the proposed algorithm can ensure tool paths are smooth and continuous,improve the tool path quality,avoid the local abrupt change of tool paths,and enhance machining quality and machining efficiency of sculptured surfaces.     

空间自由曲面五轴联动数控加工

介绍了五轴数控机床的运动方式,阐述了空间自由曲面五轴联动数控加工中刀具路径规划的基本方法:参数线法、CC路径截面线法、CL路径截面线法、导动面法等。之后对五轴加工中刀具轴向规划进行了论述:垂直于表面方式、平行于表面方式、倾斜于表面方式。最后归纳总结了刀具干涉的检测与处理的方法,并分别说明了其优缺点和适应范围。     

类回转体曲面数控加工刀位轨迹规划

针对类回转体曲面高速进给数控加工,提出螺旋线驱动方式下圆环刀具加工轨迹的规划方法。构造螺旋线作为类回转体曲面的导动线,根据曲面上已知接触点轨迹的切线方向估算后续导动点对应的初始接触点。计算初始接触点处圆环刀具的刀心位置,再计算初始刀心位置与后续导动点对应的目标刀位点分别在圆周方向以及轴向的距离差值,利用相邻刀位点与相邻接触点存在的准相似关系,得到接近目标接触点的搜索方向和步长,经过迭代得到目标接触点和刀位点。在分析接触点处曲面曲率和圆环刀曲率的基础上,给出圆环刀加工误差计算方法。将所提出的算法用于鞋楦的五轴数控轨迹规划中,计算结果表明,该算法搜索效率较高,具有理论和实际应用价值,并通过鞋楦的五轴数控加工试验验证了算法的有效性。     

基于正向杜邦指标线的五坐标侧铣加工

为实现叶轮类零件的多坐标侧铣加工,通过引入正向杜邦指标线,利用鼓锥形刀对自由曲面的五坐标侧铣加工进行研究。针对具有严格凸切削刃的侧铣加工刀具,提出不发生局部干涉的充要条件是切触点处刀具曲面的正向杜邦指标线位于被加工曲面的正向杜邦指标线之内。给出利用鼓锥形刀侧铣加工自由曲面时实施干涉检查的判断准则以及消除干涉的修正方法,推导出具有严格凸切削刃的刀具在给定的残留高度下侧铣加工带宽的计算方法。在此基础上,利用等残留高度法实现鼓锥形刀侧铣加工自由曲面无干涉刀具轨迹的生成。算例表明,在相同残留高度下,鼓锥形刀侧铣较之球头刀加工效率提高37.44%,说明侧铣加工是提高切削效率和加工质量的一种有效途径。     

A CL surface deformation approach for constant scallop height tool path generation from triangular mesh

In this paper, we present a cutter location (CL) surface deformation approach for constant scallop height tool path generation from triangular mesh. The triangular mesh model of the stereo lithography (STL) format is offset to the CL surface and then deformed in accordance with the deformation vectors, which are computed by the slope and the curvature of the CL surface. In addition, the tool path, which is computed by slicing the deformed CL surface, is inversely deformed by those same deformation vectors to a tool path with a constant scallop height. The proposed method is implemented, and a tool path is generated and tested by simulation and by numerical control (NC) machining. The scallop height was found to be constant over the entire machined surface, demonstrating much better quality than that of mesh slicing, under the same constraints for machining time.     

自由曲面五轴加工刀具轨迹规划技术的研究进展

利用五坐标设备进行自由曲面的数控加工是提高加工质量和加工效率的有效途径,自由曲面形状和五坐标机床运动的复杂性导致其刀具轨迹规划技术十分困难。针对自由曲面五坐标端铣加工、侧铣加工以及碰撞干涉分析中的关键技术,综述了近年来自由曲面五坐标数控加工领域刀具轨迹规划技术的研究进展和现状。结合自由曲面数控加工的工程实用性要求,分析了当前研究中存在的不足,指出目前的研究成果在通用性、稳定性和有效性方面尚不能完全满足工程应用,认为自由曲面五坐标数控加工刀具轨迹规划技术的研究应从三维的角度出发,在更为广域的刀具影响空间研究刀具同自由曲面之间的几何啮合关系,同时需要考虑机床的运动学和动力学特性以实现五坐标机床的高速和高效运行。     

自由曲面5轴数控加工刀位轨迹的生成算法

应用计算几何技术来决定优化的刀具定位和刀具姿态以实现环形刀的5轴自由曲面数控加工。环形刀起切削作用的环形部分曲率半径的变化范围更大,而且刀具姿态随曲率而变化。这些特性使得该方法比平底刀且固定刀具姿态的加工方法更优越。分三部分来实现：①优化刀具定位和刀具姿态。②刀具轨迹规划。③干涉检测。     

基于临界约束的四轴数控加工刀轴优化方法

针对自由曲面四轴加工中复杂刀具运动导致的干涉和刀具运动不连续等现象,提出一种基于临界约束的刀轴优化方法。基于刀具与工件约束曲面之间的相对位置关系,利用曲线上的点搜索算法确定切触点处的临界刀轴矢量,并计算当前切触点刀轴摆动的可行域;以切削行内所有切触点的刀轴可行域为基础,建立当前切削行内无干涉且相邻刀轴变化最小的刀轴矢量优化模型,实现了自由曲面四轴加工无干涉刀轴矢量的光顺控制。整体叶盘四轴加工试验表明,利用此方法获得的刀轴矢量可以显著改善机床运动的连续性,并避免刀具干涉的产生,提高了加工质量。     

圆环面刀具五坐标数控加工复杂曲面优化刀位算法

本文分析了圆环面刀具的特点 ,提出了一种针对圆环面刀具的五坐标数控宽行加工复杂曲面的刀位计算方法。该算法把曲面离散为点 ,从宏观范围考察瞬时刀位下刀具和型面的接触误差分布 ,并按宏观曲率吻合原则对刀位进行调整优化 ,实现了宽行线接触加工。通过对叶片曲面试算证明了该算法准确。用本算法对UGⅡ软件给出的刀位进行了评估 ,证明其刀位不是优化的