刀具姿态误差的优化研究

针对五轴加工中回转轴的非线性运动造成的刀具姿态误差过大会导致低的表面加工精度,如叶轮、叶片等复杂曲面零件会在进出汽边发生过切、欠切现象,提出了一种姿态误差优化策略。首先对回转轴线性插补产生刀具姿态误差进行分析;其次通过投射线性插补刀轴矢量来优化刀具空间姿态;最后并通过仿真及叶轮试件切削加工,论证了该方法的有效性。     

五轴加工中刀具非线性误差的优化策略研究

近年来在机床加工的过程中五轴机床得到了广泛应用,在传统的三轴机床的基础上增加两个回转轴,可以提升加工工作的灵活性与自由度,大幅度提升自由曲面精确度,具有重要的意义。但是,在增加两个回转轴之后,会导致机床运动链的形式非常复杂,很容易在加工期间出现刀具非线性误差问题,主要因为相关的数控系统在使用线性插补形式之后,会在插补期间出现刀轴矢量和回转轴之间的非线性关系,不能确保刀具按照规定的轨线运行,出现误差问题。在此情况下,就应该结合五轴加工过程中的刀具非线性误差问题发生特点,采用有效的措施优化处理,保证各方面工作的高效化实施,提升刀具加工的准确性。     

圆柱刀五轴数控侧铣直纹面的直线插补误差分析

在五轴联动数控系统中,相邻刀位点间的运动通过直线、圆弧或样条曲线进行插补运动,其中直线插补方法最具典型性。以圆柱刀侧铣加工直纹面时因线性插补引起的非线性误差为研究对象,首先,在被加工曲面上采用最佳一致逼近法规划圆柱刀侧铣直纹面的刀具位置;然后,利用包络原理建立刀具线性插补时所形成的包络面解析表达式;以理想曲面为基准面,利用牛顿迭代法求取点到曲面的最小距离,从而建立刀具包络面与理论曲面的误差模型,以此得到刀具线性插补时产生的非线性误差;最后,利用MATLAB软件通过数值算例对影响非线性误差的规律、大小以及其影响因素进行了分析。     

刀具轨迹优化及多轴数控加工仿真研究

三轴数控机床加工复杂曲面零件时,一次装夹无法完成整个加工过程,为了避免由多次装夹造成的定位误差,需要采用多轴数控机床进行加工。提出一种刀具轨迹优化算法——改进的等距偏置法,将其嵌入到SIEMENS NX软件中,并应用VERICUT软件进行五轴数控加工整体叶轮的加工仿真。该算法既保证了刀具轨迹的分布均匀,又提高了加工效率。     

复杂曲面通道多轴加工的刀具选择方法

针对复杂曲面通道零件多轴加工的刀具优化选择问题,提出一种基于点可行空间分析的刀具选择方法。分析了复杂曲面通道多轴加工刀具运动的几何约束,利用临界约束条件对通道加工的临界刀轴进行求解。通过分析单点可达区域与球头刀可行摆刀域之间的关系,提出一种无碰撞干涉条件下的最大刀具直径选择方法;在此基础上,通过对可行摆刀域内刀轴矢量的优化,获得了刀具直径最大条件下的最短刀具长度。以整体叶轮的五轴加工为例,对该方法进行了分析与验证,给出了叶片曲面上最大刀具直径与最短刀具长度的变化情况,并对不同刀具直径的加工效果进行了对比分析。结果表明,本文方法能获得复杂曲面通道类零件多轴加工的最大刀具直径、最小刀具长度,可显著提高该类零件的加工效率及加工稳定性。     

复杂曲面宽行数控加工的刀位和刀具姿态综合整体优化的内蕴几何学方法

阐述了复杂曲面非球面刀具单触点宽行加工中刀位和刀具姿态综合整体优化的通用方法。基于微分几何的曲面活动标架理论,推导了以刀具曲面和设计曲面运动不变量描述非球面刀具宽行数控加工复杂曲面的刀具运动方程;在综合考虑刀位和刀具姿态的影响下,分别以一个走刀过程的加工效率和加工精度最优为目标,建立能确保刀具相对工件运动连续光滑的刀位和刀具姿态优化的泛函极值模型。最后,分别以一个鼓形曲面刀具通过旋转的主切削运动和一个椭圆抛物曲面片刀具通过直线平动的主切削运动数控加工复杂曲面的仿真实例论证了本方法的精确性、有效性和通用性。     

多轴数控加工刀具姿态优化及其刚度性能指标分析

在变形叠加基本原理的基础上,对多轴数控机床刚度模型进行了研究,得到了多轴数控加工刀具姿态优化的物理约束条件。在被加工复杂曲面刀具轨迹上,根据多轴机床综合刚度模型计算机床刚度性能指标,并在刀具可达工作空间中优化多轴机床刚度性能指标,以确定对应的刀具姿态。对基于多轴机床刚度模型的刀具姿态优化作了详细的讨论,分析了任务空间的力椭球特性,提出了面向切削加工的多轴机床刚度性能指标,并将其用于指导刀具姿态规划。




multi-axis NC machine tool;stiffness;tool posture;force ellipsoid     

复杂曲面模具加工系统综合刚度场建模与分析*

在加工汽车覆盖件模具复杂曲面时,机床-刀具刚度、刀具位姿变化、模具型面变化都会影响加工系统综合刚度,进而影响模具加工精度。以四轴数控加工中心为例,针对模具曲面特征设置相应采样点,依据多体小变形理论,通过点传递矩阵、雅可比矩阵等完成该采样点的加工系统综合刚度建模,并引入了力椭球。在刀具不同的空间姿态下,通过力椭球分析了机床横梁、刀柄、刀具、模具曲面特征等对加工系统综合刚度性能的影响,揭示了曲面模具加工系统综合刚度的分布规律。最后通过试验证明,该理论模型可以有效地优化复杂型面模具加工工艺,减小模具的加工误差。     

五轴加工刀具姿态球面NURBS曲线设计及优化

基于刚体空间转动的四元数表达,以有理运动描述五轴数控加工中刀具姿态变化.将刀具姿态点等同于单位球面上的点,建立单位球面上的点和四元数空间中的点之间的一一映射关系,从而将离散刀具姿态插值问题归结为在四元数空间插值曲线设计问题.设计出的单位球面上的曲线(刀具姿态曲线)具有通常三维欧式空间NURBS曲线的表达形式,可以直接输入支持双NURBS插补的高端数控系统.基于四元数空间度量,以最小二乘准则优化刀具姿态NURBS曲线,明显改善优化前复杂曲面五轴加工留下的过切线.     

五轴数控加工中旋转轴运动引起的非线性误差分析及控制

五轴数控(Computer numerical control,CNC)加工中,刀具路径规划阶段与实际加工阶段对旋转轴运动采用的插补方式存在差异,其中刀具路径规划阶段是根据零件的几何信息进行插补,而实际加工中则根据机床信息进行插补,这种差异将引起原理性加工误差。针对五轴数控加工中旋转轴的运动,分析采用线性插补方式控制两个旋转轴进行加工时刀具姿态变化引起的原理性误差,进一步研究不同加工情况下由此产生的在垂直于走刀方向的平面内的非线性误差。通过分析旋转轴运动过程中线性插补引起的刀轴偏差角,证明刀具在相邻两刀位点运动过程的中间时刻处刀轴偏差角取得最大值,并得到由该最大值的显式表达式,在此基础上分析最大偏差角的影响因素。提出通过限制相邻两刀位点间刀轴夹角来控制此非线性误差的方法,并给出实例验证。     

基于机床运动学约束球头刀多轴加工刀轴矢量优化方法

针对目前航空发动机叶片进排气边加工精度和表面质量较差的问题,提出了一种基于机床运动学约束球头刀多轴加工刀轴矢量优化方法。建立刀位优化变量与刀位数据之间的关系方程,同时建立刀位数据与机床回转轴角度之间的运动变换方程,从而推导出刀位优化变量与机床回转轴角度之间的关系方程。通过求解上述方程得到球头刀多轴加工复杂曲面的刀轴矢量计算公式。在此基础上,给出球头刀多轴加工刀轴矢量优化方法和刀轨生成方法。同时,以某航空发动机叶片为例,分析了本文算法和Sturz算法对机床回转轴角度的影响。分别利用本文算法和Sturz算法生成该叶片进气边加工的刀轨,并在五轴数控机床上进行加工试验。试验结果表明,该算法能够避免加工过程中机床回转轴的大幅波动,使机床轴运动更加平稳和光滑,从而提高曲面的加工质量和加工效率,具有一定的实际应用价值。     

整体叶轮叶片根部特征刀具轨迹规化研究

针对整体叶轮叶片根部特征加工过程中极易产生过切和欠切的问题,提出了适合光滑过渡曲面区域的叶轮叶片根部特征的精加工的刀具轨迹规划优化方法。该方法首先对叶根曲面进行划分,定义加工曲面类型;然后对加工曲面进行刀具轨迹规划,计算出最佳走刀步长和行距;最后在保证刀具不与被加工表面发生过切和欠切的基础上,使得刀具与被加工曲面在刀触点处平面上每个方向的曲率相匹配,并使生成的刀轨光顺简洁,改善曲面加工精度与加工效率。通过对某叶片根部的仿真实例加工验证了该方法的正确性。该方法在多轴数控加工中具有重要的实用价值。     

非可展直纹面侧铣刀具插补轨迹优化方法

针对圆柱刀侧铣加工非可展直纹面的刀路规划问题，将刀具线性插补轨迹与理论轨迹面之间的几何偏差考虑到刀位优化中。首先从设计曲面的两条引导线偏置并离散成初始刀位，提出网格法构建刀位点处的误差函数，运用动点寻优的方法优化初始刀位的刀轴矢量。在此基础上，构建了插补轨迹面与理论刀具轨迹面之间的几何偏差分布模型，调整刀位点以减小相邻刀位间的几何偏差，在无需增加刀位点的情况下使刀具插补轨迹面逼近理论刀轴面。实验结果表明，优化后的加工曲面误差波动范围减小，最大误差值降低了35.78%。     

整体叶轮五轴侧铣刀位优化新算法与误差分析

为提高整体叶轮数控侧铣加工的精度和效率,分析厂锥形球头铣刀包络面与刀轴轨迹面之间的关系,提出了一种不可展直纹曲面五轴数控侧铣刀位优化的新算法.该算法首先利用两点偏置法确定圆柱刀初始刀位,然后通过刀轴旋转半锥角得到锥刀初始刀位,最后以刀具包络面与设计曲面间的极差最小为优化目标.采用刀轴上三点优化初始刀位.针对锥刀侧铣加工编程误差计算复杂问题,建立了一种编程误差计算新方法,并成功应用于整体叶轮的锥刀编程误差计算.通过数控加工仿真实例、实际加工试验和编程误差综合对比分析证明,所建立的刀位计算优化新算法正确有效,可显著减小编程误差.     

圆锥刀侧铣整体叶轮叶片曲面的刀轴轨迹规划

针对圆锥刀侧铣加工整体叶轮叶片曲面中复杂的刀轴轨迹规划问题,提出一种可行的刀轴轨迹生成方法。该方法首先根据两点偏置法给出初始的刀轴面,然后利用圆锥面的几何性质调整优化刀轴位置,"强制"刀具面与叶片曲面每瞬时线接触,建立以刀轴位置为变量的刀具面上多点与叶片曲面相切的超定方程组,并用最小二乘法求解。利用共轭曲面的数字仿真原理,以叶片曲面为基准面,以其上发出的标杆射线为纽带,建立刀具包络面与叶片曲面之间的误差计算模型,并给出加工干涉的判定依据。实例计算表明,刀轴优化后的包络误差显著降低,验证了所提方法的有效性。     

基于双NURBS参数混合插补算法的五轴联动交叉耦合控制器研究

针对零件复杂曲面高速高精度数控加工的需求,分析五轴联动数控加工系统刀具运动轨迹中的轮廓误差和方向误差,建立了该轮廓误差和方向误差的实时计算模型,从而得出系统跟踪误差计算模型;在此基础上设计出一种基于双NURBS参数混合插补算法的五轴联动数控系统交叉耦合控制器,并对其进行仿真,仿真结果表明,使用该交叉耦合控制器能有效提高五轴联动数控系统的零件加工精度。     

复杂曲面的数控加工误差分析

针对复杂曲面的多轴数控加工,应用数学知识建模,从理论上分析了平底铣刀刀具加工复杂曲面时的误差,得出了影响数控加工精度的主要因素并提出了误差补偿方法,为控制多轴数控加工的误差提供了理论依据与补偿算法,对高精度复杂曲面的数控加工具有借鉴意义。     

虚拟制造中基于刀具变形的复杂曲面加工误差预报

复杂曲面加工过程中刀具的弹性变形是产生曲面加工误差的重要原始误差。着重研究了虚拟制造环境下基于球面铣刀弹性变形的曲面加工误差预报模型。研究并建立了球面铣刀加工复杂曲面的切削力模型和刀具弹性变形模型,在此基础上,分析了曲面生成机理,提出了利用曲面变形敏感系数建立刀具弹性变形对法向加工误差的影响关系。利用该模型可以在实际切削加工前对曲面加工误差进行预报,用以进行误差补偿或切削参数优化。最后,以二维半圆形拉伸曲面为例通过切削实验对本文提出的模型进行了验证。     

西门子840D五轴联动刀具补偿及应用

五轴联动对叶轮、蜗轮、桁架的加工可以做到一次成形，加工效率高。它改变了以往三轴机床的由点成面、由线成面的加工方法，而且被加工零件的表面质量好、精度高。对复杂曲面只要指定刀具轴与零件曲面表面的位置关系，就可使复杂曲面的加工过渡光滑、不干涉、不过切，满足曲面的要求。     

基于UG、VERICUT和PRODUCTION MODULE复杂曲面数控加工仿真与优化

在复杂曲面数控加工中,整体叶轮的加工具有很强的代表性,本文根据整体叶轮的结构特点分析了数控加工工艺路线;通过UG设置刀具走刀轨迹,UG/Post Builder后置处理器生成NC代码;运用VERICUT软件进行了数控加工仿真;运用Production Module软件对叶轮加工进行了优化分析。避免了碰撞和干涉、降低生产成本、提高了生产率。