五轴端铣3D刀补中运动突变的处理

五轴联动数控系统执行端铣3D刀具半径补偿功能时,当刀轴矢量与曲面法矢量非常接近时,相邻插补点处的半径补偿矢量会出现转角过大的现象,从而引起机床直线轴的速度突变。在建立切触点到刀心点再到机床轴的传递关系的基础上,分析半径补偿矢量存在奇异解并引起机床轴运动突变的原因。以平底刀为例给出相应的控制算法。通过旋转优化奇异区域内各插补点处半径补偿矢量的位置,消除相邻半径补偿矢量反向的极限现象;通过插值进一步降低速度突变程度,使各轴速度都降至最大允许值以内。与直接使用相邻插补周期的半径补偿矢量进行赋值的方法相比,该算法通用性更高,对突变的处理效果更好。仿真试验证明了该算法的正确性和有效性。     

慢刀伺服车削刀具半径定向补偿的分段逼近求解

复杂曲面的慢刀伺服车削加工过程中,采用刀具法向补偿算法会在各个直线轴产生补偿量,加工法向矢量突变的曲面时,这种算法并非最优,将补偿量只应用于负载较低的直线轴却是更优的选择。提出一种基于线段逼近的刀具半径定向补偿数值求解算法来求解定向刀位点,通过半径细分的策略使法向误差收敛。算法实例验证及与相关算法的对比结果显示,该算法适用于点云构成的曲面或分段曲面的刀具半径补偿。     

曲面五轴加工3D刀补的奇异点检测与处理

曲面五轴端铣加工过程中通常应用空间刀具补偿功能来简化NC编程,但在补偿过程中刀轴矢量易出现奇异解,使机床的运动轴在该奇异位置附近发生运动突变。应用刀轴矢量投影法来检测曲面五轴端铣加工过程中的奇异点,将刀轴矢量投影在二维平面上,根据投影的长度及夹角来判断奇异点,减少了计算量,提高了检测的准确度,可快速准确地检测出空间刀具补偿过程中的奇异点。通过对奇异区域内NC程序段进行进给速度限制,实现稳速通过奇异点,可以有效地避免机床运动轴突变,提高曲面加工精度,保证机床安全运行。     

五轴数控系统旋转轴快速平滑插补控制策略

在五轴联动加工中,刀轴矢量与旋转轴运动坐标之间存在非线性关系,刀轴矢量的平滑过渡不能保证旋转轴的平滑运动,尤其是当刀轴矢量接近机构奇异点时会引起旋转轴的剧烈震动,导致伺服报警,甚至损伤机床部件.通过分析旋转轴线性插补和矢量插补过程中刀具姿态的变化情况,抽象出刀具姿态误差模型.根据加工允许的刀具姿态误差,在矢量插值段中插入线性插值段,防止靠近奇异点处产生的旋转轴急速转动.结合指令行程和旋转轴性能进行旋转轴插补速度钳制,使用三次样条曲线对矢量插值段和线性插值段进行平滑连接,保证整个插补过程中速度的连续平滑.试验结果表明,本策略可以在满足刀姿误差要求的同时,实现旋转轴的快速平滑插补,并且已经应用于某航空结构件的批量加工生产中.     

五轴加工奇异问题机理分析及其避免策略

五轴加工后置处理在奇异区域内反解旋转角时,产生的旋转轴运动突变,不仅会引起较大的加工非线性误差,而且会损害工件与机床部件。针对以上问题,以五轴AB双转台卧式数控机床为研究对象,根据机床结构与运动链,运用齐次坐标变换原理,推导出其后置处理算法,将刀轴矢量的可行值域简化为球体,并通过将AB轴的运动类似为球体上的AB阶跃,分析了奇异问题的产生机理,提出了加工奇异区域的检测方法。对刀轴矢量投影局部放大后,通过刀位点和刀轴矢量插值分解B阶跃后重新生成刀具路径的方法,得到了奇异问题的避免策略。仿真加工验证表明,该方法可以在原有刀位轨迹不变的基础上较好地消除奇异问题,提高加工质量,同时也可推广到同类结构相似的机床上用于消除奇异问题。     

排线轴高速折返运动控制算法研究

针对绕线过程中电磁线与线嘴之间摩擦力不断增大会对张力控制带来不良影响,从而极易导致断线的问题,以控制绕线过程中电磁线与线嘴之间夹角基本恒定,减小电磁线与线嘴之间摩擦力为目标,提出排线轴高速折返运动控制算法。研究排线轴高速折返运动时的轨迹特点,实现排线轴的运动仿真,获取排线轴空间离散轨迹点位置,运用四参数正弦曲线拟合算法,确定轨迹参数曲线方程;采用四阶龙格—库塔数值算法确定曲线插补初始点,运用二阶泰勒方程对插补下一点进行估测,结合弓高误差对各估测插补点进行校正,实现参数曲线的插补算法。试验结果表明,该方法能够有效保持电磁线与线嘴之间摩擦力基本恒定,较大提高绕线过程中张力控制精度,保证绕线质量。     

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。     

三角形网格模型上刀触点的加权补偿法矢量计算方法

研究面向三角形网格曲面数控加工刀位点的计算方法,提出了一种用于精确计算网格曲面上刀触点法矢量的方法。该方法引入了包含网格模型上刀触点所在区域附近的网格顶点的法矢量信息的加权补偿矢量及渐变影响函数,通过非线性插值三角形顶点处的法矢量得到位于网格模型上各刀触点的法矢量,使之更加接近理论参数曲面相应位置的法矢量。实例计算和误差分析表明,该方法可以有效地提高网格曲面上刀触点处法矢量的计算精度,对提高刀具轨迹上相应刀位点的位置精度和基于三角形网格曲面的数控加工精度有积极意义。      

考虑空间位置差异的机床直线轴定位误差快速辨识方法

机床直线轴在空间不同位置处的定位误差难以全面快速测量,而机床加工过程中工件安装位置各异,单一位置的定位误差测量结果难以全面客观反映机床直线轴和工作空间的真实精度;同时,空间体对角线误差测量需长时间的光路调整,亦大幅降低了测量效率。为此,本文提出考虑空间位置差异的机床直线轴定位误差及空间体对角线误差快速辨识方法。该方法基于多站分时测量原理,采用激光跟踪干涉仪测量三轴机床的空间误差,根据空间误差差异辨识不同位置处的直线轴定位误差;同时,通过测量点与初始点理论距离与真实距离偏差计算空间体对角线误差,进而全面评估机床空间精度。相较于传统测量方法,该方法可快速辨识不同空间位置处的直线轴定位误差和工作空间体对角线误差,为机床直线轴和空间精度的快速测量和综合评价提供了一种新的思路和方法。     

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。     

弧面凸轮侧铣加工刀轨的空间线性回归分析

为减小弧面凸轮非等径加工存在的法矢异向误差,根据空间线性回归算法的NURBS直纹面生成原理,寻求加工误差最小的刀轴矢量,进行初步拟合。通过迭代逼近减小初始刀轴矢量误差,将刀轴作为NURBS直纹面母线来重构理论刀轴回归轨迹面。利用最小二乘法进行进一步优化,建立了弧面凸轮侧铣加工刀轨误差优化模型,提出了求解该优化模型的一种实数编码的人工免疫算法。以左旋弧面凸轮进行矢量数值计算和仿真,验证了该算法的有效性。     

五轴联动刀轴矢量平面插补算法

大多数数控系统仍默认以旋转轴角度线性插补插补方式进行铣削加工,实际刀轴矢量偏离理论刀轴矢量位置,产生极大的非线性误差。在五轴联动数控加工中心圆周铣削倾斜面时,表现为实际刀轴矢量偏离待加工平面,造成过切或欠切误差。而且,机床类型不同,铣削的误差表现形式也不同。经研究表明,此非线性误差完全来源于旋转轴角度的线性插补方式。从研究分析运动学坐标转换开始,从理论上研究旋转轴角度线性插补的原理和产生非线性加工误差的根源,提出刀轴矢量平面插补具体算法,并针对CA型双摆头类型机床进行仿真验证,新算法从根本上解决了该问题。     

离散曲面慢刀伺服车削刀具路径规划

为解决离散曲面加工的难题,进行了离散曲面慢刀伺服车削刀具路径规划,研究了离散曲面的刀触点生成算法和刀位点生成算法,对比了两种刀位点速度插补算法。提出了基于Zernike多项式局部数据点拟合的刀触点生成方法和Z向刀具形状补偿方法。使用MATLAB软件以环曲面为例进行仿真,验证了该方法的正确性。通过对环曲面和渐进多焦点曲面进行刀具路径规划和加工实验,表明该刀具路径规划方法能够在避免对整个曲面进行拟合的基础上实现离散曲面的高精度加工。     

五轴联动数控加工中的刀具轨迹控制算法

已有的五轴联动数控加工系统往往忽略刀轴矢量插补问题,只是简单地通过对线性轴进行插补、对旋转轴进行跟随的方式来实现刀具轨迹的控制,导致产生非线性误差和刀具碰撞与干涉等问题。为此,提出一种基于刀轴矢量插补的刀具轨迹控制算法。该算法采用大圆弧插补法对加工过程中的刀轴矢量进行控制,同时采用NURBS曲线拟合方法对控制过程中产生的中间点进行处理,并通过对拟合而成的NURBS曲线进行插补来实时计算各运动轴的位置。该算法不仅能够有效地提高五轴联动数控加工的精度,而且可以有效减小数据存储量。仿真和实际加工验证了算法的有效性和实用性,证明算法具有轨迹过渡平稳、非线性误差小的特点。     

三坐标数控磨床加工直纹面的刀位计算

提出一种用三坐标数控磨床加工直纹面的刀位计算方法,这种方法利用基于曲面的“点－向量”（point-vector)法用一系列小平面逼近直纹面,通过将工件坐标系旋转和平移使这些小平面依次与砂轮表面重合,然后对相关节点和矢量进行坐标变换,可以计算出床床的3个轴在相应位置的绝对坐标和相对坐标,应用这种方法,作者成功地解决了一个实际工程问题。     

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。     

五轴加工奇异问题分析与非线性误差控制

在计算机辅助制造软件中进行五轴加工编程时,后置处理反求旋转轴角度存在无解,即五轴加工的奇异问题,具体表现为旋转轴运动产生突变、非线性误差增大、加工质量下降。以A-C型五轴机床为例,通过研究刀轴的运动过程,证明C轴的转角是奇异问题产生的原因。基于该结论提出一种新的检测奇异刀位点的刀轴分量k值遍历法和基于刀轴矢量插值与样条曲线拟合的非线性误差控制方案。通过S样件的五轴加工实验表明,相比于线性插值,所提方案在奇异区域内误差显著减小,曲面更加光滑,加工效率有所提高。     

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。     

圆锥样条合成矢量插补及C机能刀补

提出了圆锥样条合成矢量插补及其数控加工C机能刀补算法。建立相对坐标系,基于相对坐标系中曲线始点差分值递推计算曲线坐标值,实现圆锥样条统一插补。构建矢量圆,利用矢量圆与圆锥样条的矢量合成构建圆锥曲线等距曲线,进而实现圆锥曲线等距曲线的矢量合成插补,控制刀位点进给。在此基础上,设计圆锥曲线数控加工衔接处尖角过渡的解决方法,实现圆锥样条数控加工C机能刀补。实验证明:算法鲁棒、有效,满足工程应用需要。     

圆环面刀具五坐标数控加工旋转切触刀位算法

针对圆环面刀具加工开阔自由凹曲面,提出一种新的五坐标旋转切触刀位算法。算法来自于传统多点切触加工的逆向思考,首先确定刀具在工件曲面等距面上局部坐标系中的初始位置,然后优化调整刀具的后跟角和侧偏角,使刀具表面和工件曲面在不发生局部过切的前提下在最小主曲率方向两侧实现两点切触。与传统的多点刀位算法根据两个切触点来计算刀位不同,旋转切触刀位算法通过刀具的后跟角和侧偏角来确定最优刀位,而刀具表面和工件曲面之间的两个切触点则不需要求出。实例计算和加工仿真表明,旋转切触刀位算法不仅能够有效地产生无局部过切的多点刀位,从而不需要额外的局部过切检测及修正过程,而且在相同的加工误差下其产生的加工带宽约为UG算法的两倍,加工效率得到明显提高。