刀具摆角对复杂曲面轮廓精度的影响研究

目的通过优化五轴联动加工中刀具摆角参数,基于后置处理技术提高复杂零件表面加工的轮廓精度。方法针对回转轴非线性运动造成的刀具姿态误差过大会导致零件轮廓精度低,提出了一种摆角优化方法。首先,对回转轴线性插补产生的刀具姿态误差进行分析,控制回转角的摆动幅度大小和初始位置;其次,将线性插补后的刀轴矢量投射到理论上始末两点矢量构成的平面上获得新的插补矢量,通过线性插补刀轴矢量来优化刀具空间姿态;最后,以某叶轮试件通过仿真及实际加工实验进行了验证。结果通过摆角优化方法后,叶片轮廓与理论轮廓的轮廓误差由0.08 mm减小到0.04 mm,最大过切量也由0.03 mm减小到0.01 mm。刀具摆角优化后,能大大提高复杂曲面零件的轮廓精度。结论基于后置处理技术对五轴机床回转轴摆角进行优化,在通用算法基础上加载角度优化算法,开发专用的后置处理器处理G代码程序,是一种提高复杂曲面加工轮廓精度的可行措施。实验验证了该方法的有效性。     

最小非线性插补误差约束的多轴侧铣刀轴矢量优化

机床运动轴的线性插补会导致刀具位置及刀轴矢量的非线性插补,造成的非线性误差是影响曲面侧铣精度的重要因素。为减少刀轴矢量非线性插补造成的侧铣加工误差,建立转台旋转-刀轴偏差角模型,证明当机床旋转轴线性联动时刀轴矢量的插补一定是非线性的,并提出刀轴矢量线性插补的条件。在加工坐标系中建立球面坐标系,讨论相邻插补刀轴矢量在球面坐标系中的经纬度差异,以及对刀轴偏差角的影响。通过计算知相邻刀轴矢量的夹角与刀轴最大偏差角不呈单调关系。提出相邻刀轴矢量平均纬度最小化的优化目标;通过改变工件装夹姿态,满足优化条件。以典型叶片曲面类零件的曲面侧铣加工为例,验证刀轴矢量线性插补的约束条件。利用BC轴转台式机床进行加工,借助优化刀轴矢量在转台旋转-刀轴偏差角模型中的平均纬度,验证所提方法的有效性。     

基于刀具姿态控制的指令点插补算法

为克服五轴数控加工中忽略刀具姿态控制所带来的旋转轴速度和加速度不连续等问题,提出一种基于刀具姿态控制的五轴数控加工指令点插补算法。该算法根据给定的数控加工程序确定刀尖点位置集合和刀轴矢量集合,分别采用样条曲线对离散刀尖点和刀轴矢量进行拟合,得到刀尖点曲线和刀具姿态曲线,在此基础上进行指令点插补。实验结果表明,该算法能够将离散刀轴矢量拟合成位于单位球面的二阶连续曲线,保证旋转轴速度和加速度的连续性。     

五轴联动数控机床非线性误差的研究

五坐标插补过程中,旋转轴运动的影响使实际刀位运动偏离编程直线,产生了非线性误差。在深入分析双摆头五坐标机床运动原理和非线性误差的产生机理的基础上,介绍了一种集成RTCP(旋转刀具中心点)功能的插补算法。RTCP功能可使数控系统自动对旋转轴的运动进行实时线性补偿,从而保证插补点始终位于编程轨迹上。通过MATLAB仿真计算验证了该算法可以有效减小非线性误差。     

五轴加工刀具矢量压缩平滑定向插补算法研究

为解决五轴加工中刀具矢量变化不均匀引起减速和加速的反复发生,带来加工形状变得粗糙和加工时间变长的问题,提出一种刀具矢量压缩平滑定向插补算法。通过对指令程序进行压缩处理,可以去除刀位点和刀具矢量变化小的指令,对刀具矢量平滑处理,可以使得刀具矢量的变化与线性轴的变化一致,定向插补是对优化后的指令刀位点数据和刀具方向进行插补计算,以实现高速加工。通过仿真实验验证了该算法的有效性和可行性。     

五轴联动加工中进给速度的控制算法

目的研究刀具进给速度平稳性对五轴联动加工中复杂自由曲面表面粗糙度、轮廓精度的影响。方法首先对五轴联动机床运动过程中的空间线性插补原理进行了分析,推导出插补周期内各轴的分解速度数学模型。根据数控系统中不同的速度指令方式以及刀具在空间的实际运动距离,分端铣和侧铣两种情况,分别建立了刀具空间运动的实际速度计算模型,然后根据机床各轴的最高速度及加速度约束条件,对各轴分速度、分加速度进行校核处理,最终求得刀具实际的合成速度。最后,基于后置处理技术,用开发的专用后置处理软件进行刀位源代码后置处理,采用某叶轮试件进行了验证,并对实验结果进行了分析。结果在复杂曲面加工中,稳定的表面进给速度会获得较高的表面质量及轮廓精度,曲面曲率变化越大,速度变化对加工质量的影响越大。在同等条件下切削,刀具采用恒表面速度与采用恒进给速度相比,获得的叶片进出汽边轮廓误差值由0.1 mm减小为0.04 mm。结论在五轴联动加工中,越稳定的表面进给速度,越能获得较高的表面质量和轮廓精度,对于曲率变化较大的复杂曲面,需要严格控制刀具的进给速度,尽量获得稳定的表面速度以减少过切值,从而提高零件表面质量。     

五轴联动数控系统非线性误差的研究与控制

五轴联动数控机床由于两个旋转轴的存在使得插补后获得的刀具轨迹与理论编程轨迹不相等,存在非常大的非线性误差。通过对运动学坐标变换、双摆头五轴联动机床刀具运动原理和插补原理进行分析得出引起非线性误差的原因。介绍一种基于时间分割法的插补算法,通过MATLAB进行仿真实验及参数分析,其结果表明了该算法的有效性。     

刀具参数对非线性误差的影响规律及控制方法研究

针对复杂曲面五轴加工过程中,数控系统的插补原理会导致旋转轴在线性插补过程中偏离理想运动平面,继而引起非线性误差并严重影响曲面的加工精度问题,研究刀具参数对非线性误差的影响至关重要。根据五轴联动过程中刀具的运动规律建立了相应的运动方程,获得刀具参数对非线性误差影响的数学模型;应用MATLAB对3种类型刀具引起的非线性误差进行仿真分析,得到刀具参数对非线性误差的影响规律并提出有效控制非线性误差的措施;最后通过某叶轮的仿真加工验证刀具参数对非线性误差的影响规律。     

五轴加工奇异问题及其处理方法

在五轴机床加工中,当刀轴矢量接近或平行于某一旋转轴(即奇异轴)而产生奇异问题,文章在分析奇异问题及其产生原因的基础上,提出一种奇异域检测的几何方法.这种方法可以根据始末位置刀轴矢量在未经插补的情况下,提前检测出刀轴是否经过奇异域及其类型,然后针对每种类型指定一种相应的插补算法,并且通过仿真实验.仿真结果表明该算法能够有效检测出加工中会出现的奇异问题并改善加工精度.     

基于运动学约束的刀轴矢量优化研究

针对五轴数控加工中由于避免全局干涉而带来的刀轴矢量变化过大的问题,提出了向前、向后修正的平缓过渡方法,优化刀轴矢量的变化。建立了机床旋转轴角速度约束条件,并且在每一刀触点处建立进给坐标系,通过在进给坐标系下调整已有刀轴矢量的倾角和摆角使得相邻刀触点间的刀轴矢量变化满足机床旋转轴运动学要求,保证刀具轨迹上进给率的连续性。算法仿真和算例分析表明,所提出的方法合理可行,能使刀轴矢量变化光顺,保证了加工过程的平稳和高效。     

五轴数控加工后处理关键技术分析与实现

从后处理的角度,分析了五轴数控加工的非线性误差,指出了其影响因素;提出了利用齐次变换矩阵和正向、逆向运动学相结合的误差计算方法以及相应的误差补偿策略;同时,引入了刀轴矢量"平滑化"的概念,提出了基于四元数向量插值的新算法;最后,以一个离心压气机叶轮为例,进行了计算机仿真加工和五轴机床试切加工实验.实验结果表明,所提出的方法改善了曲面加工精度和表面质量.     

水导激光耦合装置结构设计及流场仿真

为了进一步降低传统耦合装置的加工成本和制作时间,提升水导激光耦合装置的加工质量和效率性能,根据水导激光微细加工的工作原理,设计出了环形凹槽和等距柱型流道结构的新型耦合装置。通过SolidWorks软件构建轴对称射流水腔的三维数值模型,并用ANSYS Fluent软件对其进行数值模拟流场仿真,分析了水腔内部速度矢量图、流线图和射流出口处气液两相流仿真图。结果表明:在进水口径8 mm、入口速度1 m/s、喷口口径0. 25 mm的设置条件下,水导激光耦合装置各个剖面的速度矢量平稳、紧密,喷口处水流均衡稳定、无波动。该耦合装置结构设计合理可靠,完全能够满足水导激光微细加工设计和使用要求。     

五轴并联机床刀具末端运动位姿自适应控制技术

高精尖领域对精密小零件的加工精度要求越来越高，五轴并联机床作为主要机械加工设备，严格控制机床刀具的运动位姿对于保证成品零件的加工精度具有极其重要的作用。在此背景下，研究一种五轴并联机床刀具末端运动位姿自适应控制技术。在五轴并联机床前方布置两个CCD 摄像头作为视觉系统，拍摄关于刀具末端的左右两张图像；在图像预处理、特征点提取与匹配等环节的基础上，求解位姿参数，包括位置三维坐标以及3个姿态数据。以刀具末端运动实际位姿为输入，利用神经网络获取与刀具末端紧密相连的五轴关节角度补偿量。利用PID控制器，通过补偿量计算位姿控制量不断纠正位姿误差，靠近理想位姿。结果表明：应用所提控制方法，与理想位姿之间的平均误差均更小，且平均误差的波动最小，三维位置坐标波动仅在-0.02~0.015、-0.01~0.02、-0.02~0.02 mm之间；横滚角、俯仰角以及方位角波动仅在-0.02°~0.03°、-0.01°~0.04°、-0.02°~0.01°之间，由此说明所提控制方法的精度更高，控制稳定性更高。     

基于机床旋转轴角加速度的五轴加工刀轴矢量局部优化

针对现有刀轴矢量光顺方法缺少对刀轴矢量进行局部超限修正的不足,提出一种在机床坐标系下对刀轴矢量进行局部光顺的方法。通过四元数插值法,进行整个加工轨迹上的初次刀轴矢量规划,得到工件坐标系下光顺的初始刀轴矢量。以机床旋转轴角度变化最小为目标,以机床运动学性能限制为约束,求解得到超限区域。针对超限区域,以角加速度最小为目标进行局部修正。通过叶轮加工实例验证所提刀轴矢量局部光顺算法。结果表明：所提算法能够在保持原有刀轴矢量优良加工特性的同时,避免局部超限,从而达到对刀轴矢量进行局部光顺的目的。     

数控加工中变坐标问题的研究

针对多轴加工中心中机床无法加工死角或者干涉面的情况,添加能够变角度加工的刀具以实现不加装其他旋转轴或者翻转平面加工垂直刀具无法接触到的加工面,从而达到无需改变机床结构就可以增大其加工范围和适应性的效果,并能减少工件重复装夹次数,提高加工精度和效率。通过TCL语言对该后处理进行定制,达到自动判断实际加工时需要的G17/G18/G19平面,并且进行稳定的圆弧插补、直线插补、进刀和退刀,保证加工的安全性和准确性;除此以外,还加入了人性化的刀具列表和参数错误报警,为操作技师提供了很好的辅助参考;最后通过仿真实验证明该定制后处理可以在侧铣头加工中稳定、高效的使用,并获得较好的加工效果。     

基于遗传算法迭代学习的偏心轴廓形误差补偿研究

为了提高偏心轴类零件轮廓加工精度,引入遗传算法和迭代学习PID控制算法,利用遗传算法对偏心轴磨床不同转速下的X-C轴PID参数进行整定,再通过迭代学习PID控制方法对X-C轴进行迭代学习控制,减小偏心轴磨床X-C轴的跟踪误差,通过MATLAB的Simulink仿真工具建立偏心轴磨削迭代学习PID控制仿真程序,进行仿真实验。实验表明基于遗传算法的PID迭代学习控制比普通PID控制更能够有效控制X-C轴跟踪误差,提高偏心轴轮廓加工精度。     

数控刻楦中刀轴矢量平滑化及仿真

为了解决数控刻楦中刀轴矢量方向相对鞋楦表面法向频繁变换而造成冲击或发生干涉等问题,提出一种刀轴矢量平滑化插值方法。在确定刀触点的情况下,根据鞋楦表面的微分几何性质确定刀轴矢量方向。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：根据鞋楦误差要求,采用几何变换方法分析切削工步的起始和结束刀触点处的刀轴矢量变化状况。据此估计刻楦误差。以某规格鞋楦数控刻制过程为例对刀轴矢量光顺化方法进行仿真。结果表明,该方法可以避免刀轴方向频繁变换,并有效地提高加工精度。