基于修正等速运动规律的自由曲面多轴加工刀轴序列优化方法

针对自由曲面多轴加工中起始位置处刀具相对工件速度、加速度不为零导致的一定程度刚性冲击现象,提出了一种基于修正等速运动规律的刀轴序列优化方法,通过控制工件坐标系中决定刀具姿态的两个约束角,使之变化遵循修正等速运动规律,获得了切削行上平稳变化的刀轴序列,避免了由于起始位置处刀具相对工件速度、加速度不为零导致刀具不能精准到达后续加工位置的现象。算例分析表明,该方法能产生平稳且光滑的刀轴序列,可一定程度改善机床运动性能,提高加工表面质量。     

正方形边界悬垂织物自由形态的逆向实现

以正方形边界悬垂织物模型的逆向实验为例,研究自由形态的逆向实现技术,将正方形边界悬垂织物模型经三维扫描,得到表征自由形态特征的点云数据,基于逆向软件处理点云数据,得到重构曲面并生成初始网格,引进条带化旋转展开技术,进一步综合运用三维造型软件与三维打印技术,设计自由形态空间网格结构并可将其快速打印成型,验证了逆向实现技术的可行性。     

From regional sensitivity to intra-sensitivity for parametric analysis of free-form shapes: Application to ship design

Robust Parametric Sensitivity Analysis (PSA) is a prerequisite for efficient shape optimisation via parametric modelling. A major challenge PSA has to handle is related to the fact that a parameter can be sensitive in certain local areas of the design space but become insensitive in others. Therefore, setting an applicable space for this analysis becomes a difficult task. In this paper, we introduce the concept of intra-sensitivity to identify parameters whose perturbation has a major impact on the sensitivity index of the remaining parameters. For this purpose, we firstly appeal to Active Subspace Method (ASM) and develop an ASM-based regional sensitivity analysis, which investigates parametric sensitivity in local regions of the design space and aids conducing to parameters’ intra-sensitivity. This regional analysis is applied in conjunction with a Dynamic Propagation Sampling approach, for tackling the computational complexity arising when high-dimensional problems are concerned. Once sensitive and intra-sensitive parameters are identified, then free-form features, correlated to these parameters, are evaluated using a feature saliency map built with the aid of Hausdorff distance. The so resulting methodology has been validated in the area of computer-aided ship design using two parametric modellers: the first one is a Procedural Deformation (PD) modeller which is based on T-splines and involves 24 parameters while the second one is based on Free-Form Deformation (FFD) and involves 104 parameters. The corresponding design spaces have been generated using a parent hull close to the KCS container ship and are analysed against hull’s volume of displacement and total resistance. Finally, the convergence performance of the various components of this approach is compared with state-of-the-art techniques.     

用于DLP投影系统的自由曲面TIR准直透镜设计

为了提高DLP投影照明系统中准直部分的准直度并简化准直光路,采用一种自由曲面的TIR透镜作为DLP投影照明系统的准直器件。首先根据空间斯涅耳定律推导出反射曲面以及透射曲面母线上的点的坐标关系,并采用迭代的方法使用Matlab软件计算出母线上各个点的坐标并绘制出曲线图形,然后利用Pro/Engineer对TIR准直透镜进行建模得到TIR准直透镜的模型。分别用理想点光源和扩展光源进行模拟,经过TIR透镜准直后光束发散角在±7°以内,并根据选用的DMD芯片和LED光源选择合适的TIR透镜参数,建立DLP投影照明系统后进行模拟仿真,最终均匀度达到了90%,满足了投影照明系统的需求。     

大尺寸自由曲面铝反射镜超精密抛光工艺

针对大尺寸自由曲面铝反射镜在单点金刚石车削(SPDT)后出现的划伤、波纹等缺陷,研究了抛光介质和加工参数对自由曲面铝合金超精密抛光结果的影响.利用Wyko NT9300白光干涉仪和VHX500超景深显微镜对AA6061铝合金抛光表面进行了检测,将抛光前后的表面形貌以及不同条件下的抛光结果进行了比较.实验中采用质量分数不同的金刚石油性悬浮液作为抛光液,采用羊毛轮作为抛光轮,在一台精密加工中心上先后进行了平面抛光和自由曲面抛光实验.实验结果表明,工件的表面粗糙度Ra由抛光前的144.59 nm降低到了抛光后的6.03nm,其中油性润滑剂在抛光过程中起微量去除和降低划擦几率的关键作用,使用优化的工艺参数在AA6061自由曲面上获得了理想镜面.     

基于电磁场分析的快速刀具伺服系统的设计(英文)

基于快速刀具伺服(FTS)系统的单点金刚石车削是加工光学自由曲面的重要方法之一.传统的直线刀具伺服系统都具有频率响应低的问题,严重限制了可以加工自由表面的复杂程度.文中介绍了麦克斯韦力驱动的快速刀具伺服系统的设计,电机采用永磁体偏置模型实现线性驱动,根据磁路设计原理推导了电机的运动公式,利用有限元分析(FEA)的方法分析了电机模型在高频信号驱动时的受力曲线、涡流损耗的大小和分布情况.根据分析的结果设计了电机的驱动系统,并进行了开环正弦驱动实验和电极频率响应曲线的测试,最终利用PID算法实现了FTS系统的闭环控制.基于麦克斯韦力驱动的FTS系统的最佳驱动频率应小于40 kHz,系统目前行程可以达到15.75μm,最大的频率响应可以达到100 kHz,系统可以跟踪500 Hz正弦波运动.     

基于自适应测量和实时重构的自由曲面特征产品的逆向研究

为提高自由曲面测量速度和重构精度,基于三坐标测量机CMM,提出自适应测量的曲面重构方法。测量过程中,通过不断拟合样件上已测点,预算待测点及其测量矢量,指导CMM自动采集曲面上数据。由点云拟合自由曲面模型后,检验拟合模型上点与样件上相应点的误差;若误差偏大,则在测量点云中加入检测点后重新拟合曲面,进一步检测重拟合实体模型直至满足精度要求,得到精准数据点和精致的自由曲面模型。辅以计算机图形可视化实例验证本法,测量精度及其重构精度可达μ级,具有自由曲面特征的零部件整个逆向周期呈数量级下降,算法鲁棒性强。     

自由曲面网格结构的力学性能研究

首先介绍了自由曲面网格结构网格划分方法的研究现状。其次,基于浙江大学空间结构研究中心自主研发的自由曲面网格划分专用软件ZD-Mesher,选取曲面展开和引导线法结合的网格划分方法,对同一曲面划分不同走向的网格。最后,根据自由曲面的网格,建立有限元分析模型,分析并比较同一曲面不同走向网格的力学性能。结果表明,由此得到的自由曲面网格,基本实现了美学与力学的兼顾统一。     

基于定向距离理论的五轴加工刀具轨迹规划算法

针对环形刀五轴加工自由曲面的残留误差问题,在传统等残留高度算法的基础上,提出了一种基于定向距离理论的等最大残留高度刀具轨迹规划算法。首先根据微分几何理论计算已知刀触点的初始侧向行距,并在侧向行距方向进行偏置得到相邻刀触点;然后以基于定向距离理论的残高误差计算模型对相邻刀触点间的实际残高值进行计算;最后通过迭代计算规划出等最大残留高度的相邻刀具轨迹。如此循环,从而获得整个曲面的刀具轨迹。实验结果表明,相对于商用软件MasterCAM9.0,该算法在充分保证曲面加工质量的同时最大限度地减小了刀具轨迹的总长度,从而提高了加工效率。     

多种参数对自由曲面形态优化的影响研究

自由曲面结构的形态优化通常是在给定材料参数和曲面厚度的情况下进行的,因此有必要对材料参数和曲面厚度取值对曲面形态优化的影响进行研究。基于梯度法,采用非均匀有理B样条（NURBS）技术生成自由曲面,以最小应变能为优化目标,对自由曲面进行形态优化,并研究了材料弹性模量、泊松比和曲面厚度对优化结果的影响。研究表明,弹性模量的取值对曲面的优化结果几乎没有影响,而材料泊松比和曲面厚度的取值对曲面形态优化均有影响,其中曲面厚度的影响最为显著。