基于刀具姿态控制的指令点插补算法

为克服五轴数控加工中忽略刀具姿态控制所带来的旋转轴速度和加速度不连续等问题,提出一种基于刀具姿态控制的五轴数控加工指令点插补算法。该算法根据给定的数控加工程序确定刀尖点位置集合和刀轴矢量集合,分别采用样条曲线对离散刀尖点和刀轴矢量进行拟合,得到刀尖点曲线和刀具姿态曲线,在此基础上进行指令点插补。实验结果表明,该算法能够将离散刀轴矢量拟合成位于单位球面的二阶连续曲线,保证旋转轴速度和加速度的连续性。     

五轴联动刀轴矢量插补优化算法

目的研究解决五轴联动机床旋转轴角度采用线性插补方式生成的加工轨迹,导致刀具姿态偏离所设计的理想平面,引发刀具姿态误差的问题,减少非线性误差,提高零件表面质量。方法首先对旋转轴角度线性插补方式引发刀具姿态误差的原理进行了分析,提出了一种刀轴矢量插补优化算法。然后在线性插补的基础上,根据提出的刀轴矢量插补优化算法保证首末点间的刀轴插补矢量始终位于首末刀轴矢量所构成的平面内,实现刀具姿态优化,并在MATLAB中对线性插补和矢量插补优化两种方式进行仿真分析,观测出对应方式下刀轴插补矢量的空间位置。最后利用叶片试件在AB型转台摆头类型机床上进行仿真和加工验证,对比两种刀轴矢量插补方式仿真数据。结果在VERICUT同等条件下仿真,刀轴矢量采用线性插补时,叶片进出汽边误差值分别为-0.218 66 mm和-0.312 58 mm;刀轴矢量插补优化后,叶片进出汽边误差值分别为-0.095 46 mm和-0.099 05 mm。刀具姿态经过插补优化算法后,叶片进出汽边的过切值明显降低。结论刀具姿态经过插补优化算法后,叶片过切值的大小和数目明显减少,使得非线性误差明显降低,从而提高了零件表面质量。     

刀具摆角对复杂曲面轮廓精度的影响研究

目的通过优化五轴联动加工中刀具摆角参数,基于后置处理技术提高复杂零件表面加工的轮廓精度。方法针对回转轴非线性运动造成的刀具姿态误差过大会导致零件轮廓精度低,提出了一种摆角优化方法。首先,对回转轴线性插补产生的刀具姿态误差进行分析,控制回转角的摆动幅度大小和初始位置;其次,将线性插补后的刀轴矢量投射到理论上始末两点矢量构成的平面上获得新的插补矢量,通过线性插补刀轴矢量来优化刀具空间姿态;最后,以某叶轮试件通过仿真及实际加工实验进行了验证。结果通过摆角优化方法后,叶片轮廓与理论轮廓的轮廓误差由0.08 mm减小到0.04 mm,最大过切量也由0.03 mm减小到0.01 mm。刀具摆角优化后,能大大提高复杂曲面零件的轮廓精度。结论基于后置处理技术对五轴机床回转轴摆角进行优化,在通用算法基础上加载角度优化算法,开发专用的后置处理器处理G代码程序,是一种提高复杂曲面加工轮廓精度的可行措施。实验验证了该方法的有效性。     

基于三次多项式曲线的轨迹平滑压缩算法

针对由复杂曲线或复杂分量所组成的数控加工轨迹,采用通用的插补算法难以保证其插补精度与插补速度。因此文章在分析了已有插补算法不足的基础上,提出了一种基于三次多项式曲线的轨迹平滑压缩算法,该算法通过判断相邻微小线段之间的转角大小和微小线段的段长,将待加工轨迹划分为连续微小线段加工区和非连续微小线段加工区,并将其转接处的指令点设置为特征指令点。对于连续微小线段加工区,在满足加工精度的条件下,对其进行曲线拟合将折线加工路径转化成平滑曲线加工路径,以达到压缩程序段数目和平滑加工轨迹的目的。实验结果表明,该算法可以有效地提高数控加工的效率和质量。     

基于VERICUT的变螺距螺杆多轴数控加工仿真研究

针对变螺距螺杆在多轴机床上加工难度大、加工过程复杂的问题,研究了变螺距螺旋线的直接插补算法,并根据刀具加工螺杆时的空间几何关系对刀具刀位点进行求解,得到了设计数控加工程序所需要的全部信息;通过定制变螺距螺杆在VERICUT软件中的加工仿真环境,实现了螺杆的加工仿真过程。该仿真可以在保证刀具轨迹的正确性的前提下,有效的避免干涉和碰撞,可以代替零件在实际加工中的试切过程,提高螺杆加工的效率和安全性,为变螺距螺杆的多轴数控加工提供了参考。     

五轴联动圆弧非线性插补算法及其软件实现

以具有A、C旋转轴的刀具双摆动五轴机床为例,提出五轴联动数控机床的空间圆弧非线性时间分割插补算法.详细研究五轴联动中的平动和旋转运动的联动原理,利用齐次变换矩阵求取圆弧插补点的空间坐标.通过插补点的空间坐标,逆求出刀轴的旋转量,进而求取转角补偿位移,并将其叠加至平动位移上,在每一个插补步骤中进行补偿,从而实现空间圆弧的时间分割插补算法.最后利用Visual C++6.0编写该算法的仿真软件,验证该插补算法的正确性.五轴联动圆弧非线性插补算法适用于五轴联动数控机床中任意空间圆弧的插补.该算法计算简单,结果精确,刀具移动平稳.     

考虑砂轮磨损的精密数控磨床插补模型及误差分析

为了减小圆柱形砂轮非均衡性磨损对磨削精度的影响,针对三自由度大型内外圆磨床的结构和工作机理,根据圆柱形砂轮的加工特性,建立了考虑砂轮磨损的大型精密数控磨床插补模型。采用等弧长策略离散出一系列刀触点,通过周期性改变圆柱形砂轮刀触点与刀位点距离的方法,修正刀位点坐标,使加工过程中砂轮表面的磨损尽量均匀,然后通过坐标变换,将刀具轨迹转化成机床工作台的平动和转动坐标,再经过插补运算,得到机床平动轴和转动轴的进给量,进而计算出相应的控制步进电机的脉冲数和脉冲分布,最后,对加工误差进行了分析。实例仿真表明,本模型能够有效减小砂轮的不均衡磨损,提高加工精度。     

基于辨识模型的轨迹误差预测方法

为研究轨迹误差的影响因素及规律,进行加工路径优化和轨迹误差预补偿,并提出一种基于辨识模型的轨迹误差预测方法。采用所建立的数控系统前瞻插补模块对G代码进行插补处理,获得离散位置指令;通过进给系统辨识模型对插补后的位置指令进行加工仿真,得到输出位置;根据插补位置数据和仿真得到的输出位置数据对加工轨迹误差进行计算。仿真结果表明:该方法可以快速计算数控机床联动加工时的轨迹误差值和分布情况,为轨迹误差的成因及规律分析、刀具路径的优化及轨迹误差预补偿的实施提供方法和数据支持。     

最小非线性插补误差约束的多轴侧铣刀轴矢量优化

机床运动轴的线性插补会导致刀具位置及刀轴矢量的非线性插补,造成的非线性误差是影响曲面侧铣精度的重要因素。为减少刀轴矢量非线性插补造成的侧铣加工误差,建立转台旋转-刀轴偏差角模型,证明当机床旋转轴线性联动时刀轴矢量的插补一定是非线性的,并提出刀轴矢量线性插补的条件。在加工坐标系中建立球面坐标系,讨论相邻插补刀轴矢量在球面坐标系中的经纬度差异,以及对刀轴偏差角的影响。通过计算知相邻刀轴矢量的夹角与刀轴最大偏差角不呈单调关系。提出相邻刀轴矢量平均纬度最小化的优化目标;通过改变工件装夹姿态,满足优化条件。以典型叶片曲面类零件的曲面侧铣加工为例,验证刀轴矢量线性插补的约束条件。利用BC轴转台式机床进行加工,借助优化刀轴矢量在转台旋转-刀轴偏差角模型中的平均纬度,验证所提方法的有效性。     

基于方向矢量的三维刀具半径补偿技术研究

刀具半径补偿技术是CNC系统中的关键技术之一,是加工轨迹插补运算的数据来源与依据。根据编程轨迹及刀具半径值规划出刀具中心的运动轨迹,尤其是轨迹转接点坐标值,是保证零件轮廓精度的必要前提。引入方向矢量的概念,提出一种基于方向矢量的三维刀具半径补偿技术,深入研究三坐标直线加工刀具半径补偿原理与实现方法;根据空间几何要素之间的位置关系,建立编程轮廓刀心轨迹的相应算法。仿真结果证明了该算法的可行性。     

叶轮零件的五轴数控制造质量与关键技术研究

叶轮叶面的制造质量直接影响其运行的效率、性能、流体动力稳定性、工作可靠性和使用寿命等.从具体叶轮零件结构与工艺性分析人手,通过叶轮叶面的三维建模和加工程序调试、仿真分析与刀具轨迹验证,研究叶轮数控加工策略和加工关键技术.经过分析叶轮零件的加工质量,明确了控制插补弦长、插补周期和进给速度、刀轨残留误差,可以控制五轴数控加工的误差,保证制造质量.以叶面造型的轴向截线为加工依据,解决了刀具切削间隔的计算和刀路轨迹的求解,并进行了仿真分析.实践证明:采用五轴数控加工中心对叶面进行截面法加工,避免了加工干涉,容易实现曲面间的光滑走刀,提高了叶片的加工效率和质量,降低了加工成本.     

五轴加工奇异问题及其处理方法

在五轴机床加工中,当刀轴矢量接近或平行于某一旋转轴(即奇异轴)而产生奇异问题,文章在分析奇异问题及其产生原因的基础上,提出一种奇异域检测的几何方法.这种方法可以根据始末位置刀轴矢量在未经插补的情况下,提前检测出刀轴是否经过奇异域及其类型,然后针对每种类型指定一种相应的插补算法,并且通过仿真实验.仿真结果表明该算法能够有效检测出加工中会出现的奇异问题并改善加工精度.     

五轴联动加工中进给速度的控制算法

目的研究刀具进给速度平稳性对五轴联动加工中复杂自由曲面表面粗糙度、轮廓精度的影响。方法首先对五轴联动机床运动过程中的空间线性插补原理进行了分析,推导出插补周期内各轴的分解速度数学模型。根据数控系统中不同的速度指令方式以及刀具在空间的实际运动距离,分端铣和侧铣两种情况,分别建立了刀具空间运动的实际速度计算模型,然后根据机床各轴的最高速度及加速度约束条件,对各轴分速度、分加速度进行校核处理,最终求得刀具实际的合成速度。最后,基于后置处理技术,用开发的专用后置处理软件进行刀位源代码后置处理,采用某叶轮试件进行了验证,并对实验结果进行了分析。结果在复杂曲面加工中,稳定的表面进给速度会获得较高的表面质量及轮廓精度,曲面曲率变化越大,速度变化对加工质量的影响越大。在同等条件下切削,刀具采用恒表面速度与采用恒进给速度相比,获得的叶片进出汽边轮廓误差值由0.1 mm减小为0.04 mm。结论在五轴联动加工中,越稳定的表面进给速度,越能获得较高的表面质量和轮廓精度,对于曲率变化较大的复杂曲面,需要严格控制刀具的进给速度,尽量获得稳定的表面速度以减少过切值,从而提高零件表面质量。     

五坐标加工步长计算

五坐标曲面加工的理论刀具轨迹是由刀具与零件曲面的啮合关系所确定的非线性连续曲线，由此而得的机床各运动轴的理想联动规律是复杂的非线性关系，但由于目前的CNC在多轴联动控制时，一般只具有线性插补功能，理论的非线性连续曲线只能以一系列小线性段进行离散逼近后，再由CNC机床控制各运动轴作五维线性插补来实现被加工曲面的近似包络成型，由此而导致原理性的加工误差，在数控加工中，刀具在机床坐标系下的运动根据与被加工曲面的相对关系有二个方向，一是走刀轨 迹的方向，称为走刀方向，其在此方向上在一个插补周期内所移动的距离称为走刀步长。另一个是在走刀轨迹增量的方向，称为切削带步长，下面讨论这两个方向刀具的所能够移动的距离与误差的关系和进行计算。     

五轴联动数控系统非线性误差的研究与控制

五轴联动数控机床由于两个旋转轴的存在使得插补后获得的刀具轨迹与理论编程轨迹不相等,存在非常大的非线性误差。通过对运动学坐标变换、双摆头五轴联动机床刀具运动原理和插补原理进行分析得出引起非线性误差的原因。介绍一种基于时间分割法的插补算法,通过MATLAB进行仿真实验及参数分析,其结果表明了该算法的有效性。     

C机能刀具半径补偿算法与应用

文章对计算机数控系统中C机能刀具半径补偿新算法进行了研究,该算法主要根据加工工件的编程轨迹、刀具偏置方向及偏置量来计算刀具中心轨迹.重点分析了涉及两段几何元素的刀具中心轨迹的具体处理流程,分别在建刀补、刀补进行和撤刀补情形下对刀补程序段作矢量修正;为了避免过切还分析了三段几何元素的刀具中心轨迹,并用实例说明刀具中心轨迹转接算法.     

数控加工中变坐标问题的研究

针对多轴加工中心中机床无法加工死角或者干涉面的情况,添加能够变角度加工的刀具以实现不加装其他旋转轴或者翻转平面加工垂直刀具无法接触到的加工面,从而达到无需改变机床结构就可以增大其加工范围和适应性的效果,并能减少工件重复装夹次数,提高加工精度和效率。通过TCL语言对该后处理进行定制,达到自动判断实际加工时需要的G17/G18/G19平面,并且进行稳定的圆弧插补、直线插补、进刀和退刀,保证加工的安全性和准确性;除此以外,还加入了人性化的刀具列表和参数错误报警,为操作技师提供了很好的辅助参考;最后通过仿真实验证明该定制后处理可以在侧铣头加工中稳定、高效的使用,并获得较好的加工效果。     

五轴联动混联机床插补算法的研究

在原有的三平动非对称并联机床(3—2SPS)的基础上添加一个双回转工作台实现五轴联动。为减小加工过程产生的非线性误差提高加工精度和运动的平稳性,所以提出了一种粗插补和精插补相结合的插补算法,坐标空间采用粗插补关节空间采用精插补,该算法弥补了传统混联机床插补算法所存在的缺点。通过Matlab仿真刀具和伸缩杆的运动轨迹,结果表明所提出的的插补算法能有效的减小加工误差。     

瑕疵刀位点几何特征分析及其对插补指令的影响

由于CAD曲线建模的误差以及CAM算法的精度问题，刀位点中存在着瑕疵。通过对典型加工零件的刀位数据点进行分析，归纳瑕疵的类型，分析瑕疵的几何特征，研究瑕疵对数控插补指令的影响。结果表明：瑕疵类型包括密集、突起、折返、重复加工和相邻不一致；密集瑕疵造成线段长度的减小，突起瑕疵造成转角的增大，折返瑕疵在开始和结束位置造成曲率变化率的增大，重复加工在零件同一位置多次加工，相邻轨迹不一致造成点的分布不均匀；密集、突起、折返瑕疵刀位点造成指令速度的降低，以及重复加工对同一位置的多次加工，影响加工效率，突起、折返瑕疵造成指令加速度和加加速度的波动增大，引起机床振动，相邻轨迹不一致在加工同一特征时速度和加速度不同，影响加工表面质量。     

螺旋曲面的四自由度加工方法

文章在研究螺旋曲面的加工原理的基础上,提出以工件旋转、刀具的坐标变化以及刀具的螺旋角度变化为基础,按空间包络法计算刀触点轨迹,由四轴插补形成了刀具沿螺旋线方向的进给运动,从而实现了前后两个加工截面之间的螺旋位置关系。该方法在国内首次提出四轴坐标系下应用无瞬心包络铣削理论实现螺旋曲面加工,为四轴联动数控机床加工复杂螺旋曲面提供了可靠的理论基础。