基于Z-buffer的组合曲面圆环面刀具加工方法

为解决组合曲面五轴加工问题提出一种基于计算机图形学Z-buffer技术的圆环面刀具刀位生成算法。首先借助Z-buffer技术确定刀位计算的检测区域,然后在保证圆环面刀具和检测区域不干涉的前提下调整刀位,使刀具端面和模型曲面充分贴合,从而得到更宽的加工行宽。算法充分利用计算机硬件的快速高效性,直接对加工检测区域内的点进行读取和存贮,避免复杂的搜索和迭代过程。算法过程中集成对刀位干涉的检测和避让,可直接生成无干涉的刀位数据。刀位算法计算过程使用曲面的多面体信息,适用于以裁剪曲面为元素的组合曲面模型的无干涉刀位的计算。针对某组合曲面模型进行刀位计算和仿真,仿真结果相比传统的球头刀加工算法效率提高了10倍。最后对生成的刀轨进行了实际加工试验验证。     

基于散乱数据点的数控加工刀位直接生成

研究了测量得到的散乱数据点在平面上投影点的边界轮廓提取算法；以抬刀次数最少为优化目标，通过引入计算几何中单调链的概念，确定了最佳的行切加工方向和最少单调链数；给出了在平面区域内行切法加工的刀位计算与Z字形刀位连接方法，该方法适用于模具型腔的刀位规划；针对圆环刀、球头刀和平头刀，提出了不发生干涉的曲面三轴加工刀位计算方法，可基于散乱点测量数据直接生成数控加工刀位，此刀位计算方法也可用于模具型腔的修复。最后，通过数值仿真验证了算法的可行性。     

基于NURBS直纹面拟合敏感点的空间凸轮侧铣刀轨算法优化

基于NURBS直纹面拟合敏感点的空间凸轮侧铣刀轨算法优化原理,提出了拟合误差敏感点的选择方法,根据NURBS曲面重构的原理,将曲面曲率最值点和拟合误差最大点定义为理论加工刀轨曲面误差敏感点。利用曲率敏感点,在理论非等径刀轨曲面规划离散网格,得到初始数据点。通过最小二乘优化方法重构NURBS刀轨直纹面,再根据误差敏感点定义的等参数曲线来调整刀轨直纹面形状。构建了理论加工误差模型,并通过实例的仿真计算和数值模拟说明了该算法的有效性。     

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。     

球头铣刀铣削球面的表面形貌建模与仿真研究

基于齐次坐标矩阵变换原理和矢量运算法则,建立了工件坐标系下球头铣刀扫掠面的数学模型,基于Z-MAP法设计了球形表面形貌的生成算法,利用该算法对球头铣刀分别采用3D环绕法和放射加工法这两种典型走刀路线加工凸球面,并对加工后的表面形貌进行了仿真,通过分析对比仿真结果,发现3D环绕法更有利于减小表面粗糙度。同时,仿真结果和试验结果具有较高的吻合度,表明该仿真方法是可靠的,可以用于实际生产中球头铣刀铣削球面表面形貌的预测。     

基于球头铣刀的弧齿锥齿轮小轮铣削加工方法研究

弧齿锥齿轮小轮铣削通常在专用机床上采用铣刀盘实现,从而导致制造成本较高。为了降低弧齿锥齿轮小轮的制造成本,提出一种在通用四轴数控铣床上采用球头铣刀进行铣削加工的方法。根据齿面数学模型计算齿面离散点坐标,进而创建齿轮实体模型。分析齿根铣削时球头铣刀与齿轮的空间位置关系,以铣削一侧共轭齿面时不刮伤对侧共轭齿面为原则确定球头铣刀直径。以刀杆与齿面不发生干涉为前提,确定处于各个加工位置时的刀轴方向。以沿齿高和齿长方向均匀分布的齿面离散点为基础,创建沿齿高方向分层的粗铣刀路和沿齿长方向分层精铣刀路。创建包含机床、刀具和轮坯的仿真加工环境,完成齿轮铣削仿真。结果表明:相比于铣刀盘,球头铣刀加工得到的过渡曲面曲率半径更大,可降低齿根处的应力集中程度。将刀路导入数控加工系统,在四轴数控铣床上完成齿轮的粗铣和精铣,获得的齿面具有较好的光洁度,从而验证了本方法的可行性。     

非可展直纹面侧铣刀位轨迹优化算法

针对非可展直纹面侧铣精加工刀轴矢量计算中存在的问题,基于侧铣加工误差几何模型分析了棒铣刀加工非可展直纹面误差的产生原因。在研究了两点偏置法和三点偏置法的基础上,围绕提高非可展直纹面类零件的加工精度,提出一种动点滑动并寻求最优的刀轴矢量计算方法,并且采用最小二乘法对刀位轨迹进一步优化。通过所建立的刀位优化算法得到的刀轴矢量可使加工误差在刀具与被加工曲面切触状态下趋于最小,最终得到整体最优的刀位轨迹。用所提方法与已有方法进行加工试验比较,并对加工误差分布进行分析可得,侧向偏置法所产生的加工误差明显低于已有方法,提高了加工精度。所采用的优化方法和数据处理结果可以为非可展直纹面侧铣加工提供一定的参考依据。     

整体叶轮五轴侧铣刀位优化新算法与误差分析

为提高整体叶轮数控侧铣加工的精度和效率,分析厂锥形球头铣刀包络面与刀轴轨迹面之间的关系,提出了一种不可展直纹曲面五轴数控侧铣刀位优化的新算法.该算法首先利用两点偏置法确定圆柱刀初始刀位,然后通过刀轴旋转半锥角得到锥刀初始刀位,最后以刀具包络面与设计曲面间的极差最小为优化目标.采用刀轴上三点优化初始刀位.针对锥刀侧铣加工编程误差计算复杂问题,建立了一种编程误差计算新方法,并成功应用于整体叶轮的锥刀编程误差计算.通过数控加工仿真实例、实际加工试验和编程误差综合对比分析证明,所建立的刀位计算优化新算法正确有效,可显著减小编程误差.     

从测量的散乱数据点云直接生成数控刀具路径的研究

提出了一种直接从测量的散乱数据点云用球头刀对自由曲面进行三轴数控加工时生成刀具路径的方法。不同于现有散乱点云基于逆向工程的刀具路径生成方法,本法考虑并估计了曲面加工误差和粗糙度。将散乱数据点云向XY平面投影,以获得的投影边界为刀具路径的主方向,然后根据曲面所需的加工误差和残留高度要求划分该投影数据点云,得到一系列刀位网格单元。通过最小化每个刀位网格单元的加工误差以确定每个刀位网格的节点位置,加权平均相关联刀位网格节点来对齐相邻刀位网格单元的边缘。为了缩短加工时间,裁去刀位路径上多余的线段,最终生成高效合理的数控加工刀具路径。已用实测的数据点云验证了本法直接生成刀具路径的有效性。     

发动机叶轮侧铣数控加工方法及误差计算

为提高发动机叶轮的加工效率和加工质量,给出了一种新的利用球头铣刀侧刃线接触加工非可展直纹面整体叶轮的刀位轨迹计算方法。针对其中必定存在的理论误差问题,介绍了一种新的计算误差大小的数学方法。方法易于编程实现,计算结果准确。     

A Reverse Engineering Approach to Generating Interference-Free Tool Paths in Three-Axis Machining from Scanned Data of Physical Models

An NC tool path is usually generated by sweeping parametric surfaces of a CAD model. In modern design, freeform or sculptured surfaces are increasingly popular for representing complex geometry for aesthetic or functional purposes. Traditionally, a prototype is realised by machining the workpiece using the NC codes generated from a CAD model. The machined part can then be compared with the CAD model by measurement using a coordinate measuring machine. In this paper, a reverse engineering approach to generating interference-free tool paths in three-axis machining from the scanned data from physical models is presented. There are two steps in this procedure. First, a physical model is scanned by a 3D digitiser, and multiple data sets of the complex model are obtained. A surface registration algorithm is proposed to align and integrate those data to construct a complete 3D data set. A shortest-distance method is used to determine the connecting sequence of the neighbouring points between two adjacent scan lines, such that the scanned data are converted into triangular polygons. Tool paths are then generated from the tessellated surfaces. Using the Z-map method, interference-free cutter-location data are calculated, relative to the vertex, edges, and planes of the triangles. The algorithms for tool-path generation are usually different for cutters of different geometries. Some algorithms found in the literature require complex numerical calculations and are time consuming. In this paper, an efficient algorithm is developed to calculate interference-free cutter-location data by easy geometric reasoning without complex computation. This robust method is suitable for generally used cutters such as ball, flat, and filleted end mills, and the time taken to obtain full tool paths of compound surfaces is short. Some real applications are presented to validate the proposed approach.     

Tool-path generation for sheet metal incremental forming based on STL model with defects

Tool-path generation is a key issue in sheet metal incremental forming process, and existing approaches either are prone to computationally expensive or cannot be applied to stereolithography (STL) model including defects. Thus, a new tool-path generation method is presented by adopting the thought of generating cutter-location (CL) data directly from corresponding cutter-contact (CC) data. By analyzing the interference characteristics between fillet-end tool and model surface and considering tangential case and intersection case comprehensively, a discrete computational model is proposed to calculate single-layer interference-free CL contour, instead of computing a precise CL point by checking potential interferences from candidate facet, vertices, and edges, respectively. So this method is more efficient and easier for program implementation. Additionally, a fast recursive search algorithm is developed to identify and extract flat area features, and an efficient 2D invalid loops removal algorithm based on decomposition thought is presented to obtain valid CC contours and CL contours with a near linear time-complexity. Implementation tests prove that the new method is effective and robust for STL model with defects, and tool-path achieved is highly precise. It is also applicable to various tool shapes and suitable for planning various types of tool-paths to meet different SMIF process requirements.     

Incomplete two-manifold mesh-based tool path generation

This paper presents a new paradigm for three-axis tool path generation based on an incomplete two-manifold mesh model; namely, an inexact polyhedron. When geometric data is transferred from one system to another system and tessellated for tool path generation, the model does not have any topological data between meshes and facets. In contrast to the existing polyhedral machining approach, the proposed method generates tool paths from an incomplete two-manifold mesh model. In order to generate gouge-free tool paths, cutter-location meshes (CL-meshes) are generated by offsetting boundary edges, boundary vertices, and facets. The CL-meshes are sliced by machining planes and the calculated intersections are sorted, trimmed, and linked. The grid method is used to reduce the computing time when range searching problems arise. The method is fully implemented and verified by machining an incomplete two-manifold mesh model.     

钢球全表面展开原理及方法

针对轴承用钢球表面缺陷检测的生产需求,以实现球面全展开为目标,提出球面螺旋线运动展开原理。首先,设计实现钢球全表面展开的倾斜轴锥面驱动体,并建立其锥面模型;分析展开过程中球面上一点的运动参数,建立钢球和驱动体的接触约束模型,采用迭代法求解拟合出驱动体锥面上接触点的运动轨迹模型;为保证钢球全表面展开,进一步分析球面上接触轨迹,利用弧长积分得到展开过程中球面上的接触轨迹曲线模型;最后通过仿真技术和物理样机试验对钢球展开过程进行分析测试,验证了理论分析结果的正确性。提出的球面展开理论及方法可以应用到高精密轴承球类滚动体的表面缺陷检测设备,也可对其他球类物体的检测提供理论参考。     

An adaptive moving total least squares method for curve fitting

The moving least squares (MLS) method and the moving total least squares (MTLS) method have been developed to deal with the measured data contaminated with random error. The local approximants of MLS method only take into account the error of dependent variable, whereas MTLS method considers the errors of all the variables, which determines the local approximants in the sense of the total least squares. MTLS method is more reasonable than MLS method for dealing with errors-in-variables (EIV) model. But because of the weight function with compact support, it is complicated to choose fitting method for the best performance. This paper presents an Adaptive Moving Total Least Squares (AMTLS) method for EIV model. In AMTLS method, a parameter λ associated with the direction of local approximants is introduced. MLS method and MTLS method can be considered as special cases of AMTLS method. Curve fitting examples are given to prove the better performance of AMTLS method than MLS method and MTLS method.     

基于移动最小二乘法的渐开线齿轮齿廓曲线拟合方法

针对现有渐开线齿轮齿廓曲线拟合方法精度不高的缺点,提出了一种用移动最小二乘法(MLS)拟合齿廓曲线的新方法,并通过齿距偏差的计算对该方法进行了实例验证。利用三坐标测量机对某齿轮进行测量,得到齿廓数据点和齿距偏差;根据移动最小二乘法原理和实验数据,用MATLAB编程实现了齿廓曲线的拟合;根据拟合结果,利用图解法计算出了左齿廓齿距偏差。与最小二乘法(LS)的拟合结果的对比表明,用移动最小二乘法拟合齿廓曲线精度更高,误差更小,具有良好的拟合效果。齿距偏差计算结果表明,单个齿距偏差和齿距累积偏差与实测值一致,表明该方法准确、有效。研究结果可为齿廓曲线的拟合和齿距偏差的计算提供参考。     

考虑三维运动和相对滑动的滚动球轴承局部表面损伤动力学建模研究

滚动体通过局部表面损伤时轴承的运动参数及动力学响应是轴承疲劳损伤分析和故障诊断的有效输入和重要依据。基于GUPTA轴承模型构建具有局部表面损伤的滚动球轴承的完整动力学模型。该模型中每个轴承元件(滚球、内圈及外圈)具有6个自由度,并且考虑了元件之间的相对滑动和润滑牵引特性。在对局部表面损伤进行建模时,完整考虑了损伤出现后由于材料缺失而引入的额外间隙,以及损伤对赫兹接触刚度及接触载荷作用方向的影响。研究滚球在通过局部表面损伤时轴承的加速度与滚球/损伤之间冲击力的对应关系,以及轴承转速和损伤宽度对轴承振动响应的影响规律。仿真结果表明,由于考虑了相对滑动和滚球/损伤之间冲击力的影响,本模型能够对具有局部表面损伤的球轴承进行更为合理的动力学特性分析,可为滚动球轴承的疲劳损伤分析和故障定量诊断提供一定的理论依据。     

曲面5轴加工中全局干涉检查与刀位修正

提出了一种求解曲面到刀具极值距离的方法,以解决曲面5轴数控加工中刀具与曲面的干涉问题。将曲面上的点投影到刀轴上,求出曲面到刀轴的最小距离,直接计算出刀具与曲面的干涉量,并对干涉刀位进行了修正,成功地解决了曲面与刀具的全局干涉问题。实际应用表明,该方法效率高、精度高。     

基于奇异峰态的钢轨踏面损伤弦测特征辨识

根据钢轨踏面非周期性损伤具有奇异性,分析了其中点弦测法的响应特征,提出多弦理论下的损伤辨识方法:选取合适的弦长组合可在抑制轨道不平顺弦测幅值增益的同时放大钢轨踏面损伤幅度,再利用奇异值分解将测量数据进行分离后,对包含有钢轨踏面损伤奇异特征的分量求滑动峰态序列,得到损伤的精确位置。理论仿真和实际线路测试表明,该方法仅利用轨道弦测数据就能提取被淹没的钢轨踏面损伤信息,适合在实际铁路工务中应用。     

在机测量激光测头位姿的线性标定

针对在机激光扫描测量中激光测头安装位置和姿态引起的测量误差,提出了一种适用于在机激光测量的测头标定方法。构造了在机激光扫描测量原型系统,建立了激光测头随机床运动的测量模型;通过多角度扫描标准球球面拟合球心,给出了一种线性求解测头安装位姿参数的算法,避免了非线性优化求解中的大量计算和不稳定问题。分析了测量过程中机床各个轴的运动误差对测量结果的影响,建立了误差模型,并给出补偿机床系统误差的方法。实验显示,对直径已知的标准球进行测量时,测头在不同摆角测得的标准球直径误差小于0.05 mm,误差补偿后球心位置误差减小了83%。实验结果验证了该标定方法的可行性,以及机床误差对测量精度影响的模型及补偿方法的正确性。