复杂曲面零件激光随形熔覆轨迹规划研究

为实现复杂曲面的随形熔覆，针对PDC钻头牙翼部位表面形貌进行了机器人熔覆路径的工艺规划，同时对插补点的位置规划算法进行了研究。通过一组平行截面与曲面相交得到交线，采用非均匀有理B样条(NURBS)描述交线。然后提取交线的特征参数，以离焦量的最大值作为误差阈值进行插补点规划，为实现激光束轴线与插补点所在的曲面法矢尽可能重合，对插补点进行姿态规划，从而得到完整的熔覆路径。最后采用Robotstudio仿真软件建立激光熔覆工作站，并对熔覆路径进行仿真，结果表明熔覆仿真过程中，未出现奇异点，机器人各关节、熔覆头与待熔覆工件之间未发生碰撞，并且能够按照事先规划好的路径进行熔覆，试验表明达到了较好的熔覆效果。     

五轴微段平滑插补算法

在五轴加工编程中,计算机辅助制造系统对曲面加工通常采用以折代曲,采用大量的微小G01直线段来加工曲面,在曲率半径较大的工件表面会出现明显折痕,严重影响工件表面的加工质量。为提高五轴数控加工工件的表面质量,提出一种五轴微段平滑插补算法。该算法考虑五轴加工中刀位数据的量纲差异,根据相邻数据点间的线性轴长度、线性轴的夹角和旋转轴角度变化量识别五轴数控加工程序中非连续微段和连续微段加工区域。对非连续微段加工区域按照原始直线段和旋转轴直接插补,从而保证加工精度。对连续微段加工区域,先通过五维变量获取节点参数,采用最小二乘法对指令点在允许的精度范围内进行修正;对修正后的指令点采用4点构造法计算二阶切矢,根据连续微段的指令点修正值,节点参数值和对应的二阶切矢值获取二阶连续的三次样条曲线;在二阶连续平滑的曲线上进行实时插补计算,控制机床进行五轴加工。试验结果表明:通过提出的五轴微段平滑压缩算法拟合后的路径要更加接近原始的曲面模型,平滑处理过的实际工件加工表面也要优于未进行处理的工件加工表面,提高了五轴自由曲面的表面质量。     

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。     

基于3+2轴加工平台激光熔覆的路径生成优化

针对自由曲面零件激光熔覆中路径生成的问题,基于3+2轴的加工平台,借鉴于数控加工中的曲面划分以及刀路生成的方法,通过转化和改善得到了一种生成激光熔覆路径的优化方法。在曲面重建的基础上,首先将自由曲面进行粗分,根据高斯曲率和平均曲率提取自由曲面的局部特征;然后利用两种模糊聚类法将曲面划分成不同的面片,求出其中心点和法向量;在得到的中心点的基础上使用Voronoi图,以确定面片之间的边界;最后在每个面片内生成各自的激光加工路径。利用软件对整个过程做了仿真分析验证,结果表明了这个研究为激光路径规划提供了一个有效的方法,能够在不动用5轴加工的情况下,得到较好的表面质量。     

五轴数控后置处理算法研究与球头铣刀刃磨轨迹优化设计

提出了五轴数控机床后置处理算法的通用公式,并以正交AC型双转台机床为例进行了具体分析。以球头铣刀后刀面的刃磨为具体加工实例,在验证后置处理算法的同时,提出了"假想砂轮"的处理方法,在机床具体运动结构的限制下初步优化了加工路径。针对AC型双转台机床的C轴在奇异区域内存在转角步距较大从而形成过大的非线性误差并因此造成工件过切和机床震颤等的情况,提出在奇异区域内对加工路径进行三次B样条拟合后再插补的平滑处理方法,进一步优化了加工路径。仿真结果和实际加工效果都验证了此方法的可行性。     

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。     

复杂曲面五轴端铣加工刀具轨迹规划研究进展

五轴端铣加工是提高重点工业和国防领域复杂曲面类零部件加工质量和加工效率的重要手段。围绕刀位优化、刀路规划和刀轴矢量优化三个关键问题,综述近年来五轴端铣加工刀具轨迹规划技术的研究进展。根据刀具和工件曲面之间切触点数量,将五轴端铣加工刀位优化算法分为单点切触、多点切触和无切触点三类,并建立多点切触刀位优化的通用数学模型。然后系统梳理了刀路规划、全局干涉检测及刀轴矢量优化理论和方法。最后分析了当前研究存在的不足,指出五轴端铣加工刀具轨迹规划应该尽可能从整体角度出发,且应充分考虑机床的运动学和动力学特性,同时应加强多点切触加工理论和应用研究,使其在工程实际中真正发挥高效优势。     

双转台五轴机床运动学分析及非线性误差研究

建立正确的A-C型五轴联动机床的WCS(工件坐标)和MCS(机床坐标)之间的矩阵转换关系,从而得出刀轴矢量和机床两个转轴的转角之间的映射方程,对于理解机床运动和CAM系统是至关重要的。由于旋转轴运动及CNC的平动轴线性插补、旋转轴跟随插补,导致五轴铣削过程会不可避免地产生非线性误差,详细分析了非线性误差产生的原因,舍弃线性插补而采用刀轴矢量平面插补,通过机床的逆运动学方程计算刀位的插补点和新的插补矢量,经CAM后处理系统转换成NC数控程序。最后给出一个实例进行分析和MATLAB仿真,验证了运动学推论和减小非线性误差策略的正确性。     

一种用于激光熔覆的旁轴送粉喷嘴的设计与应用*

送粉喷嘴是影响激光熔覆质量的关键部件。介绍了一种带有水冷模块、导引光和倾角仪的旁轴送粉喷嘴装置,它可以实现长时间稳定精密熔覆,显著提高了熔覆的效率和粉末利用率。通过与传统喷嘴熔覆效果进行比较,验证了该设计的可行性。     

Generating complicated surface with electrolyte jet machining

In the electrolyte jet machining (EJM), the electrolytic current is supplied between the anodic workpiece and the cathodic nozzle via the electrolyte which is ejected from the minute nozzle. Only the workpiece material exposed to the jet is removed due to the anodic dissolution, because the electrolytic current is restricted to the limited area by the jet. In this study, an electrolyte jet machining system which can be used to process the complicated three-dimensional surface was constructed. This system is composed of an XY stage, a rotating axis and a high-speed bipolar power supply, all of which are cooperatively controlled by a personal computer. An algorithm was developed to obtain the scanning path and speed of the nozzle to process complicated shape by superimposing simple patterns. The optimized path and speed were thus obtained so that the summation of the squared difference between the superimposed and the required patterns at every checking point becomes minimal. In order to verify the effectiveness of the developed algorithm, simulation and experiment were carried out and the machining accuracy was analyzed. The good agreement between the simulated and produced shapes with the required one proves that the algorithm meets the purpose properly. Besides, the effect of machining conditions, especially the current density on surface roughness of produced patterns was examined. It was clarified that a high current density is not only necessary to reduce machining time but also to improve the surface roughness.     

基于改进Z-MAP算法的球头铣刀加工表面形貌仿真与试验研究

基于时间步长法提出一种仿真球头铣刀加工表面形貌的改进Z-MAP算法。该算法在建立刀齿运动轨迹方程的基础上,使用随动矩形包围圈和角度累加法快速地获取工件上的瞬时被扫掠点,并引入牛顿迭代法求取这些点的高度坐标。无须对刀齿离散,不但突破传统Z-MAP算法中单位时间步长内刀齿离散段至多只能扫掠过一个工件离散点的限制,还可以获得更高的精度和效率。通过仿真分析进给行距、每齿进给量、刀具姿态和刀具进给起始相位差等参数对表面形貌及其表面粗糙度的影响规律,并选用航空铝合金7050进行了铣削加工试验验证,试验结果表明改进Z-MAP算法仿真结果与实际加工的一致性更高,对实际生产中加工参数的合理选择具有指导意义。     

基于能量最优的局部优化光顺处理

在对CAD/CAM生成的大量微小直线段进行样条曲线拟合过程中,会出现拟合出的样条曲线不光顺的情况,进而影响数控加工出的工件的表面质量。针对该种情况,提出了一种同时考虑相邻弦间夹角和曲率的＂坏点＂判定方法,并采用能量最优的局部优化法同时对＂坏点＂的位置和切向量进行修正。然后选取一组数据点进行仿真实验,仿真结果表明,经＂坏点＂修正处理后的样条曲线的曲率更均匀了,从而验证了该算法的有效性。     

点磨削工件微观形貌仿真与试验研究

点磨削属于外圆磨削技术的一种,其砂轮与工件轴线之间存在变量夹角α,加工过程中磨粒的运动轨迹发生改变。为探索α对工件表面粗糙度的影响,利用砂轮与工件之间的运动关系及坐标转化,将磨粒运动函数等效为抛物线,得出点磨削的切削路径。基于砂轮表面磨粒分布状态,沿砂轮轴向扩展有效干涉痕迹,得到工件的三维几何仿真形貌。将45钢淬火后作为工件材料,选择典型磨削参数,利用试验对模型进行验证。结果表明:仿真与实际工件微观形貌呈现相似特征,两形貌表面高度概率密度分布十分吻合,在不同磨削速度下,两结果之间平均相差7.8%。当α在0°～4°变化时,Ra的浮动范围小于0.1μm,工件表面粗糙度不会发生明显改变,几何仿真模型为实际磨削工件形貌分析提供了一种辅助和验证方法。     

遗传算法用矛轨迹优化综合时的转角顺序问题

轨迹优化综合时,通常已知1个固定目标轨迹,在目标轨迹上按照运动顺序依次选取一系列关键目标点。由于机构所生成的轨迹需要依次通过目标点,所以轨迹优化综合时需要满足主动杆转角顺序约束。本文提出了转角顺序约束的判定方法,由于遗传算法是用随机函数来获得初始种群的,所以转角顺序约束用于遗传算法时,会出现大量个体不满足约束条件的情况。本文改进了遗传算法的初始种群获得方法,以使初始种群能较好地满足约束条件。     

Modeling and predicting for surface topography considering tool wear in milling process

This paper presents a model for the prediction of surface topography considering tool wear during the milling process. First, the cutting edge path equation, which can be transformed into equivalent polynomial equations and solved for discrete positions along the feed direction, is established including the effect of tool wear. Then, cutting edge is divided into a series of cutting points and an algorithm is proposed to determine the range of divided position angle. Finally, surface topography model is established based on the established cutting path equation, the range of position angle, the calculated cutting time, and spiral lag angle. By using this model, surface topography generation is simplified with respect to other models in literature and the modeling method of surface topography does not need to mesh the workpiece and the model can easily be extended to include other factors on surface generation. Based on the established surface topography model, an algorithm is proposed to simulate generation of surface profile in milling operation. Experimental work and validation of the established model is performed on a five-axis milling center by using stainless steel 1Cr18Ni9Ti and cemented carbides milling cutter. Cutting test results about the topography generation of the plane and cylindrical surface show good agreement with model predictions.     

坐标系旋转的五坐标数控加工后处理算法研究及其实现方法

通过坐标变换和分析计算,讨论工件坐标系围绕其自身坐标轴旋转形成新的加工坐标系进行五坐标数控加工时,工件坐标系围绕其各个坐标轴旋转的角度的算法。结合具体的摆头加转台式五坐标机床,计算了刀轴矢量与新加工坐标系的Z轴方向一致的情况下,在斜置平面上进行五坐标数控加工时机床各旋转轴的坐标值。     

未知工件CAD信息的气囊抛光技术研究

为解决传统的气囊抛光操作都需要工件CAD信息所引起的抛光效率低下、操作复杂等问题,现将一种能够在线自动重构工件几何信息技术应用到机械臂气囊抛光系统中。介绍了抛光工件未知曲面在线重构的操作方法,从而获取工件未知曲面的法矢量,提出了抛光气囊头与工件未知曲面接触力的主动控制方案,将传统的力/位并行控制算法模拟人的大脑,试着去识别工件表面的几何变化趋势,建立了具有时变约束的在线最优轨迹规划算法。通过在机械臂气囊抛光实验设备中对一未知几何信息的工件进行了自动抛光操作,对抛光效果和抛光过程中的接触力进行了实验对比和数据分析。结果表明,该策略在应用改进的力/位并行控制算法跟踪和识别一个未知的抛光工件曲面是可行、有效的。     

基于温度分区的激光沉积成形扫描路径生成方法

现有金属激光沉积成形工件是根据几何模型按照设定扫描路径层层叠加而成,不可避免造成局部热量累积,导致成形工件内部温度梯度大,产生局部应力集中,易引起工件变形开裂。对成形过程温度进行实时检测并实现动态扫描路径规划是解决工件变形开裂的根本途径。在研究不同基体温度对熔宽、熔高影响规律基础上,提出基于层面温度分区的激光沉积成形扫描路径生成方法。采用红外热像仪对沉积层面温度进行实时采集,提取不同温度分区轮廓;提出温度分区轮廓规则化方法,消除局部轮廓尖角,避免过熔覆;改进Weiler-Atherton算法,快速实现分层轮廓与温度分区轮廓的求交运算;针对不同温度分区采用适应性间距生成扫描路径,实现激光沉积成形动态扫描路径规划。试验结果表明：该扫描路径可有效提高成形工件质量。