基于有向图的刀轴矢量优化研究

针对球头铣刀的五轴数控加工,提出了一种基于有向图的刀轴矢量优化方法。根据刀轴矢量数据量大的特点,提出了建立刀轴矢量有向图的最小优化模型和算法。该方法能获得全局刀轴矢量变化量最小的刀轴矢量序列,将可行域边界上的刀轴矢量加入到有向图的计算中,提高了算法的计算效率。仿真分析表明,该方法优化了刀轴矢量的连续性和光顺性,对于最佳刀具姿态在可行域边界上的加工具有一定的适用性。     

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。     

鼓形铣刀侧铣加工叶盘叶片曲面的光顺刀具路径生成方法

鼓形铣刀使用其大弧度切削刃进行切削加工,不仅可以采用大步距加工而仍保持相同表面加工质量,还可以通过改变刀具与工件曲面的切触点在刀具切削刃的位置使刀具和刀柄远离工件,避免碰撞,因此鼓形铣刀特别适合叶盘类零件的叶片曲面加工。现有的光顺刀轴矢量规划方法多使用最短路径算法在机床旋转轴位置的可行空间中求解光顺的刀轴矢量序列。然而,最短路径算法需要把连续问题转化为离散问题求解,在可行空间中的采样间隔越小,所得刀轴矢量序列的质量越高,但计算时间会很长。因此提出了缩短最短路径算法求解光顺刀轴矢量序列的计算时间的方法,并提出了鼓形铣刀侧铣加工叶盘叶片曲面的光顺刀具路径生成方法,该方法同时考虑机床旋转轴和刀具刀尖点运动轨迹的光顺性。试验结果表明,该方法生成的刀具路径能够使机床轴运动平稳。     

鼓形铣刀侧铣加工叶盘叶片曲面的光顺刀具路径生成方法

鼓形铣刀使用其大弧度切削刃进行切削加工,不仅可以采用大步距加工而仍保持相同表面加工质量,还可以通过改变刀具与工件曲面的切触点在刀具切削刃的位置使刀具和刀柄远离工件,避免碰撞,因此鼓形铣刀特别适合叶盘类零件的叶片曲面加工。现有的光顺刀轴矢量规划方法多使用最短路径算法在机床旋转轴位置的可行空间中求解光顺的刀轴矢量序列。然而,最短路径算法需要把连续问题转化为离散问题求解,在可行空间中的采样间隔越小,所得刀轴矢量序列的质量越高,但计算时间会很长。因此提出了缩短最短路径算法求解光顺刀轴矢量序列的计算时间的方法,并提出了鼓形铣刀侧铣加工叶盘叶片曲面的光顺刀具路径生成方法,该方法同时考虑机床旋转轴和刀具刀尖点运动轨迹的光顺性。试验结果表明,该方法生成的刀具路径能够使机床轴运动平稳。     

平底刀最优刀轴矢量规划算法

在进行自由曲面平底刀五轴数控加工刀轴矢量规划时,现有算法多以材料去除率最大作为优化目标,然而加工效率最高的刀轴矢量不一定是刀具最优姿态,还需要综合考虑加工质量、刀轴光顺等因素。从这几个方面建立单个刀轴矢量和相邻刀轴矢量光顺性的度量指标,并以归一化度量指标加权和最小作为优化目标建立刀轴矢量优化模型,经理论分析将多目标规划问题转化为力学平衡问题,弹簧模型中高斯球面上运动节点的平衡位置就是最优刀轴矢量。仿真结果表明SE权因子影响加工效率,DW、DM权因子影响机床运动平稳性,DF权因子影响切削条件,选择合适的权因子可以获得材料去除率大、加工效率高以及在工件坐标系、机床坐标系和进给坐标系下光顺的刀轴矢量。     

汽车玻璃钢化风栅成形器五轴加工刀轴矢量插值

为了解决汽车玻璃钢化风栅成形器五轴加工时刀轴矢量频繁变换造成冲击或发生干涉等问题，提出一种刀轴矢量插值方法。根据被加工曲面的几何形状和误差要求确定刀触点，根据被加工曲面的微分几何性质确定刀轴矢量的后跟角和摆转角。在已确定刀触点处的刀轴矢量的基础上，采用空间矢量光滑插值方法获得一系列中间位置刀轴矢量使刀轴变化较均匀。以货车前挡风玻璃钢化风栅成形器的一个拼镶块工作表面和风栅孔五轴NC加工为例进行仿真。结果表明，该刀轴矢量光顺方法可以避免刀轴方向频繁变换，同时也可有效地提高加工精度。     

基于自由曲面有向Voronoi区域划分算法的机器人加工刀轴低摆振路径规划

针对自由曲面刀具路径规划中,刀轴摆动带来的振动影响加工质量的问题,提出有向Voronoi区域划分算法。基于该算法实现了刀轴运动优化的复杂自由曲面的区域划分,并光顺连接区域之间和区域内部的刀具路径,得到曲面整体实际可加工的刀具路径。应用该算法与UG不同路径规划的刀轴矢量变化进行了对比实验,结果显示刀轴矢量变化均值和累计值减少了30%,方差降低了近60,从而验证了该方法的刀轴矢量变化明显小于传统的对整个加工曲面的路径规划,可减小加工过程中的机械振动和冲击,保证加工刀轴姿态的稳定性,从而提高加工精度,减小对加工设备寿命的影响。利用工业机器人完成铣削实验,进一步验证了该方法的可行性和有效性。     

基于刀轴矢量规划算法的异型曲线锯切工艺算法研究

异型石材曲线锯切加工能够获得较高的切削线速度和切削效率,但其锯切参数的选定以及锯片尺寸导致过切的问题,需要新的运动控制算法来实现复杂曲线、曲面的锯切加工。本文从曲线锯切加工的坐标转换开始分析,以刀轴矢量规划算法为基础,在理论上研究不同刀具位姿下的运动控制算法,对加工图元为曲线下的各种情况进行详尽研究,提出了一种基于刀轴矢量规划算法的异型曲线锯切工艺算法。在满足刀具最优姿态的条件下,建立刀轴矢量加工效率同锯切方式、石材种类和刀轴光顺等影响因素之间的联系。经由曲线锯切加工工艺体系仿真功效对该算法的正确性进行了验证,现实加工评释该算法可以在异型石材曲线加工精度方面满足需求,提高了曲线加工效率,下降了曲线加工成本。     

复杂曲面五轴数控加工刀轴矢量优化方法研究

科学技术的快速发展,为复杂曲面五轴加工方式的不断优化提供了必要的技术支持,使得其加工技术水平逐渐提升。实践过程中加工人员在曲面形状突变及干涉情况时,若采用五轴加工轨迹生成方法,由于其中刀轴矢量剧烈变化的问题,使得刀具性能受到了潜在威胁,且产品加工质量难以保障。针对这种情况,应加强与之相关的五轴加工刀轴矢量优化方法使用。基于此,本文将对复杂曲面五轴数控加工刀轴矢量优化方法进行系统阐述。     

五轴联动刀轴矢量平滑插补算法

针对现有刀具姿态控制方法不能保证加工中刀轴矢量平滑变化,造成旋转轴速度、加速度的不连续以及加工精度低、表面不光滑等问题,在分析刀轴矢量变化与旋转轴速度、加速度平滑性间关系的基础上,提出一种能够保证加工中旋转轴速度、加速度连续的刀轴矢量平滑插补算法.该算法先依据给定首末刀轴矢量建立局部旋转坐标系;在已建立的局部旋转坐标系中采用倾斜角和射影角来表示刀具姿态曲线;依据刀具姿态曲线的二阶连续性对倾斜角和射影角表达式进行求解.算法仿真和实际验证结果表明,本算法能够保证加工中刀具姿态曲线经过程序给定刀轴矢量,在产生较小刀具姿态误差的同时,保证加工中旋转轴速度、加速度连续.     

复杂曲面环形刀五轴端铣加工的刀具轨迹规划方法

为了降低复杂曲面类零部件加工的刀具路径,减小刀具路径条数,提高加工效率,提出了一种新的复杂曲面环形刀五轴端铣加工刀具轨迹优化方法。在局部可铣性基础上对刀轴矢量角进行自适应优化,采用新型加工带宽计算方法——等残留高度算法,给出了等残留高度算法的刀具轨迹生成具体步骤。仿真结果表明:与传统等残留高速算法相比,刀具轨迹优化算法的刀具路径更短、条数更少,能够有效提高复杂曲面加工效率。     

曲面划分的刀轴矢量规划

在对复杂曲面加工过程中往往会遇到曲率变化过大的区域,这将导致相邻刀触点的刀轴矢量发生剧烈波动,影响加工质量,同时也会使得机床的稳定性下降。针对这一问题,提出一种基于曲面划分的刀轴矢量规划方法。该方法通过离散曲面,并计算各离散点的高斯曲率与平均曲率,以此为依据将曲面划分为多个区域。依次规划每个区域的刀轴矢量,对于出现的局部突变点进行优化。该方法有效地减小了刀轴矢量变化率。通过仿真实验分析验证了该方法的有效性。     

五轴数控编程刀轴矢量控制技术研究

运用五轴数控编程的刀轴矢量控制技术,在整体式叶轮的加工过程中可以避免刀具与零件发生干涉,高质量地完成复杂曲面的加工,有效提高了加工效率。     

环形刀五轴数控自由曲面分片光顺轨迹规划研究

采用曲面分片思想将具有相同或相似曲面信息与工艺特征的复杂曲面分成曲面片族,利用环形刀在各曲片域内建立等残留高度刀具路径规划策略,使刀具姿态随工件曲面的曲率而变化,并完成曲面片间的光顺接合.该方法可从整体上提高复杂曲面的加工精度,改善曲面加工质量.     

叶轮流道非正交四轴加工的刀轴控制方法

针对自由曲面叶轮流道非正交四轴加工,提出了一种在刀轴约束面上旋转插值的刀轴控制方法。通过分析刀轴约束条件,在工件坐标系下建立满足约束条件的单位圆锥面。采用清根切触点处初始刀轴的计算方法求解清根轨迹上每一个切触点处无干涉的刀轴矢量。按照清根切触点序列依次计算流道两侧对应清根刀轴在单位圆锥面上确定的扇形曲面区域,并在该区域等角度旋转插值清根刀轴,从而获得流道加工的刀轴矢量,最后建立机床运动学约束条件并对其进行光顺处理。结果表明,该方法能够准确有效地计算叶轮流道非正交四轴加工光滑且无干涉的刀轴矢量。     

基于驱动约束的刀轴优化方法

文中提出了一种基于驱动约束的刀轴优化方法。对于存在突变的初始刀具轨迹,首先选择出其中的代表性刀轴矢量,对其调整使不发生干涉碰撞,并确定其可行域;之后利用角速度最小化方法,对初始刀轴矢量进行光顺;最后根据仿真实验,证明该优化方法确实可以减小驱动轴的角速度、角加速度的突变,获得光顺的刀具轨迹。     

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。     

五轴加工刀具路径生成的有效加工域规划方法

为复杂曲面五轴数控加工的刀具路径优化生成问题提出一种新的有效加工域规划方法。在对工件被加工表面和刀具的几何特征进行分析的基础上,得到在加工件表面上各处的最优可加工域宽度和刀具切削方向。通过采用离散采样和插值计算生成优化的有效加工域集,得到最优化的初始刀具路径;同时建立一种迭代搜索算法,用于解决最优加工域的选择规划问题。采用此算法生成优化的后续刀具路径,使得有效加工域最终完全覆盖整个被加工表面。给出的示例显示相对于传统的五轴加工刀具路径生成算法,有效加工域规划方法可以减少刀具路径的总长度和加工时间,得到更为优化的刀具路径和更好的工件表面质量,因此有效加工域规划方法可以被用于五轴数控加工实践以降低加工成本和提高产品质量。     

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。     

基于可视锥理论的五轴加工刀具碰撞检验方法

针对复杂曲面数控加工中刀具与工件的碰撞问题,提出一种基于可视锥理论的刀具碰撞检验方法。根据点的可视性特点推导点的可视锥算法,对任意采样点进行可视锥模型构建,通过刀轴矢量与可视锥的布尔运算判断刀具与工件的碰撞,由此计算刀轴避免碰撞时应转过的最小夹角,并对旋转后的新刀轴矢量是否在机床刀轴可加工范围内进行检验。通过将该方法应用于整体叶轮加工中,可快速检验出发生碰撞的区域并对刀轴矢量进行修正,有效地解决了刀具在数控加工中的碰撞检测问题,为刀具路径规划提供了有效的检验方法。