五轴加工奇异区域内的刀具路径优化

针对五轴加工在奇异区域内由于旋转轴运动的剧烈变化导致非线性误差过大并对工件、刀具和机床部件造成损害等问题,给出一种奇异区域内加工路径的优化方法。以AC双转台五轴联动数控机床为研究对象,在反向运动学变化中根据正弦、余弦三角函数的周期性对C轴转角进行初次优化;按照加工是否通过奇异点两种情况,采用设定奇异点处的C角值或者修改奇异点附近的刀轴方向两种方法,进一步降低C轴过大转角;以当前加工区间的非线性误差是否超过允许值为判断条件,对仍然不满足精度要求的区间进行递归插值处理。仿真试验和实际加工结果表明,与单纯采用线性插值方法相比,该方法在提高奇异区域内加工精度的同时,有效减少新插入点的数量,从而尽量降低加工速度的损失。     

五轴数控加工奇异点问题研究

研究了五轴数控加工奇异点问题,分析了奇异现象及产生的原因。在对前人工作分析的基础上,提出了在刀轨规划时避免奇异现象的方法。该方法通过监测刀轴与旋转轴的夹角,找出产生奇异的刀位点,并以上一刀位点对当前刀位点进行优化。结果显示机床各运动轴能平缓通过奇异区域,证明该方法切实可行。     

五轴联动数控加工的刀具路径优化方法研究

为解决五轴联动加工复杂曲面过程中的刀具路径不连续问题,提出了五轴数控的刀具路径优化方法。通过五轴NC代码的坐标变换还原有效切削路径,对切削路径进行误差约束下的非均匀有理B样条(NURBS)曲线拟合。对旋转轴路径采用五次样条曲线进行插值,建立切削路径和旋转轴路径的参数映射关系,通过机床逆运动变换求解C2连续的平动轴路径。实验表明,经过该方法优化后,切削路径和各驱动轴运动路径具有良好的平滑性,显著提高了五轴加工曲面精度和表面质量。     

环形刀五轴数控加工刀具路径生成算法

将微分几何理论应用于环形刀五轴加工无干涉刀具路径生成方法的研究,分别推导出刀触点处刀具曲面和工件曲面曲率分布方程,结合这两个方程,进行进给步长、加工行距以及相邻刀触点等的计算并建立判断有无干涉发生的条件,利用该条件对刀具姿态角进行修正以避免干涉.对实际曲面进行路径计算结果表明,提出的方法能有效避免干涉而且缩短加工路径长度.     

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。     

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。     

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。     

五轴数控加工光滑无干涉刀具路径的规划措施

五轴数控加工技术的关键就在于路径的规划,在于如何更好地回避刀具与工件的干涉,本文从复杂曲面五轴刀具路径规划的角度入手,分析了五轴数控加工中干涉的分类,提出了五轴数控加工光滑无干涉刀具路径规划的主要措施,主要集中在优化刀具形状以及优化刀具轨迹算法这两个方面,从而确保了加工效率和加工精度。     

五轴加工奇异区域的检测和处理

为解决五轴加工在奇异点附近产生过大非线性误差、易对工件和机床造成损害的问题,以AC双转台五轴机床为研究对象,提出一种基于雅可比矩阵的奇异区域检测和处理算法.建立了五轴机床雅可比矩阵的参数式,代入相邻点机床各轴的运动变化量,通过检查雅可比矩阵的条件数来判断当前加工是否处于奇异区域内.对于雅可比矩阵“病态”程度严重的路径区间,结合刀位数据和各轴运动量构造新刀位点进行了递归插值.通过仿真验证了该检测处理算法的有效性.     

NURBS曲面五轴加工刀具路径规划技术研究

提出了基于等照度线的刀具路径规划方法,采用等照度线对曲面进行分区,根据曲面特征采用不同的刀具路径规划方法,兼顾效率的同时尽可能提高加工精度。通过加工实验与传统刀具路径规划方法进行对比,表明本方法在加工效率和加工精度方面都优于传统方法。     

五轴数控工具磨床热变形控制策略研究

对五轴数控工具磨床进行热变形的控制是提高其加工精度的关键,在指出五轴数控工具磨床的主要热源后,分析了机床热变形对其加工精度的影响,综合误差防止与误差补偿两种方法提出了五轴数控工具磨床热变形控制的策略.     

A 3D curvature gouge detection and elimination method for 5-axis CNC milling of curved surfaces

Based on the concept of Eular-Meusnier Spheres (EMS) that portrays the generic curvature model of surfaces, a new three-dimensional (3D) method for curvature gouge detection and elimination in sculpture surface machining is presented. The new method is superior for presenting one-dimensional (1D) and two-dimensional (2D) approaches for curvature gouge detection and curvature gouge-free machining due to its capability to consider both normal and osculate curvatures of the cutter and machined surfaces and their interactions. The method can be applied to all three types of commonly used milling cutters (end, torus and spherical mills) and all concave curved surfaces. Test results from machining simulations are presented to demonstrate the new method and its advantages. The work forms the foundation for further research on the automated generation of highly efficient and high quality 5-axis CNC tool paths for machining curved surfaces.     

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。     

圆环面刀具五坐标数控加工复杂曲面刀位图形显示

针对圆环面刀具的特点，提出了两种新的几何变换-环面旋转变换和环面展开变换，在此基础上给出了一系列圆环面刀具五坐标数控加工复杂曲面的计算机图形仿真显示法，应用这些显示方法能模拟显示出曲面加工过程。     

空间自由曲面五轴联动数控加工

介绍了五轴数控机床的运动方式,阐述了空间自由曲面五轴联动数控加工中刀具路径规划的基本方法:参数线法、CC路径截面线法、CL路径截面线法、导动面法等。之后对五轴加工中刀具轴向规划进行了论述:垂直于表面方式、平行于表面方式、倾斜于表面方式。最后归纳总结了刀具干涉的检测与处理的方法,并分别说明了其优缺点和适应范围。     

典型五轴零件的数控加工工艺分析与编程加工

文中在典型五轴零件的结构分析和工艺分析基础上,基于传统的三轴数控加工工艺,融合前沿的五轴加工策略,使用CAXA制造工程师设计了典型五轴零件的刀路,并完成了五轴零件的数控编程和加工,获得了满足要求的加工效果。     

直驱式高速龙门五轴加工中心横梁的设计

以一种直驱式高速龙门五轴加工中心的横梁为研究对象,介绍了龙门式横梁的载荷特点,对焊接横梁和铸造横梁进行了对比分析,对应用于直驱式高速龙门五轴加工中心横梁的筋板结构、截面形式、导轨和直线电机的布置形式进行了分析,指出焊接横梁更适用于直驱式高速龙门五轴加工中心.     

摆头转台加工中心五轴联动加工的后置处理与仿真验证

在对东芝BTU-14五轴加工中心结构特性、东芝TOSS999控制系统特性以及五轴联动加工编程特点进行分析的基础上,提出其五轴联动加工的后置处理算法。在该算法基础上,利用VisualC++6.0开发出单独的后置处理程序,将加工刀轨的刀位文件处理生成东芝格式的G代码文件。为了验证后置处理程序的正确性,利用数控仿真软件Vericut 7.0建立机床的仿真模型,对后置处理程序生成的G代码文件进行仿真。最后实际加工了一个测试样件,证明了后置处理程序的正确性。     

可配置型五坐标B样条插补控制器的研制

针对采用五轴联动数控机床的线性插补功能进行数控加工存在的不足,提出了一种B样条插补控制策略用于五轴联动数控机床以实现复杂曲面零部件的高速高精数控加工。参考开放式、模块化体系结构控制器(OMAC)标准,开发了具有B样条插补功能的五轴联动数控机床运动控制器。该控制器将控制任务按照实时性要求进行划分。人机交互、代码解析及参数映射关系构造等过程离线完成,插补运算、离散逻辑控制及逆运动学变换等过程由实时线程执行,保证了数控系统的硬实时性。为简化NC程序的编制过程,控制器设计为接收工件坐标系下的加工信息。通过开发适应各种形式数控机床的逆运动学变换模块,并将机床参数设计为可用户定制,使得控制器具有良好的通用性。在控制器内部建立NC程序文件中位置曲线和方位曲线间的参数映射关系,使得机床平动轴与转动轴间的运动规划符合实际加工要求,并可保证加工精度。实际加工实验中,在采用B样条插补算法的NC程序量降低为线性插补NC程序量15%倍时,其插补误差为线性插补误差的45%,控制器插补精度为0.68,表明该B样条插补控制器可以满足五坐标数控加工的要求。