参数预估的空间曲线插补器设计

针对复杂曲面笔式加工时刀具路径为无具体方程表达式的特点,给出一种可保持刀触点切削速率恒定的空间曲线插补算法。该算法根据导动曲线和刀触点轨迹的加工状态近似模型,通过简化导动曲线参数的计算,间接得到投影在曲面上的曲线插补点。该算法的提出扩充了CNC系统的轨迹控制功能,提高了复杂曲面的加工效率。仿真结果证明该算法可行且有效。     

复杂曲面环形刀五轴端铣加工的刀具轨迹规划方法

为了降低复杂曲面类零部件加工的刀具路径,减小刀具路径条数,提高加工效率,提出了一种新的复杂曲面环形刀五轴端铣加工刀具轨迹优化方法。在局部可铣性基础上对刀轴矢量角进行自适应优化,采用新型加工带宽计算方法——等残留高度算法,给出了等残留高度算法的刀具轨迹生成具体步骤。仿真结果表明:与传统等残留高速算法相比,刀具轨迹优化算法的刀具路径更短、条数更少,能够有效提高复杂曲面加工效率。     

基于Tri-NURBS轨迹同步插补的五轴加工技术

为提高复杂曲面五轴加工过程中刀具运动的平稳性，在分析了五轴NURBS插补摆刀轨迹后提出了一种满足插补精度的等距Tri-NURBS轨迹同步插补算法。首先结合NURBS曲线理论生成了三次Tri-NURBS轨迹模型，结合二阶泰勒展开法计算出三条轨迹对应位置的插补参数。然后针对三条轨迹参数不同步的问题，以刀心点轨迹参数为基准，分别对刀触点和刀轴点的轨迹参数进行同步，实现了插补过程中三条轨迹参数的同步运动。最后，使用两个评价指数对等距Tri-NURBS轨迹同步插补算法的插补精度进行评价。MATLAB仿真结果表明，提出的方法能够得到插补精度高的Tri-NURBS同步轨迹，实现了复杂自由曲面的高效率和高质量加工。     

开式整体叶盘通道插铣粗加工技术的研究

针对整体叶盘等复杂结构件，从锻造毛坯到最终零件加工成形，需要切除大量的多余材料的问题，提出了一种开式整体叶盘通道的五坐标插铣粗加工方法。利用直纹面逼近叶型曲面，进而确定通道粗加工区域的边界轮廓；通过连接刀心轨迹线和刀轴驱动线上的对应点，规划插铣粗加工叶盘通道时的刀具轨迹。加工实践表明，利用插铣方式，可以有效避免粗加工过程中的振动现象，开式整体叶盘的粗加工效率提高50%以上。     

空间圆柱凸轮轮廓曲面的计算机生成方法

提出了模拟圆柱凸轮加工过程的圆柱凸轮轮廓曲面的计算机精确生成方法:建立刀具中心空间轨迹方程,保持刀具矩形截面垂直于刀具中心轨迹且沿其切线方向运动,从而在空间圆柱上切割出凸轮轮廓曲面.使用Pto/ENGINEER编程时,则将刀具中心空间轨迹方程程序化为基准曲线,应用可变截面扫描工具使矩形截面垂直于基准曲线且沿其切线方向运动,即可在圆柱实体上切割出该圆柱凸轮轮廓曲面.实现了直动从动件圆柱凸轮轮廓曲面设计的可视化和参数化.     

复杂曲面笔式加工仿真系统研制

为研究复杂曲面笔式加工的规律和过程,给出了面向多轴加工的计算机仿真研究方法.针对曲面上曲线型刀具轨迹,建立了加工路径数学模型,结合复杂曲面笔式加工直接插补算法的思想,编制了仿真程序,获得了理想的仿真效果.仿真得到的加工过程数据可用于进一步的实验.     

复杂参数曲面高精度刀具轨迹规划算法

在对等残余高度刀具轨迹规划算法加工参数曲面研究的基础上,提出带有误差补偿值的复杂参数曲面高精度刀具轨迹规划算法——高精度刀轨误差补偿算法。通过分析刀触点及与之相应的相邻路径上的粗、精刀位对应点间的关系,引入误差补偿值以提高精对应刀位点的求解精度,得到经过合理简化的误差补偿值表达式,并得出粗、精对应刀位点与理论刀位点的距离误差表达式。高精度刀轨误差补偿算法可以在满足插补运算实时性要求的前提下,使相邻轨迹上与刀触点相对应的刀位点的参数值计算精度得到极大提高,进而提高复杂参数曲面的加工刀具轨迹精度。以使用平底铣刀为例进行仿真加工,结果表明高精度刀轨误差补偿算法适合进行对复杂参数曲面的高精度加工。     

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。     

基于三角网格曲面映射的数控高速加工刀轨规划

为进一步改善数控加工曲面的表面质量,提出一种针对三角网格曲面的螺旋刀具数控加工轨迹规划方法,在充分考虑刀具轨迹的几何与动力学特性以及三角网格单元特性的基础上,有效减少了抬刀次数,保持了刀具轨迹的连续性。该方法从网格边界轮廓曲线上的刀触点开始逐层偏置,在参数域上对刀触点进行规划,并拟合成螺旋轨迹,将其逆映射到网格曲面上得到螺旋加工轨迹。与传统的截面法和环切法相比,该算法可以生成一条具有边界一致性、轨迹光滑连续的、无需多次进退刀的高质量螺旋加工轨迹。     

曲面笔式加工刀位点曲线的实时拟合

针对曲面高速高精度加工问题,给出一种刀位点轨迹实时生成算法。该方法的实现包括曲面上离散刀触点的生成和基于三次非均匀B样条曲线的刀位点轨迹实时高精度拟合两部分。第一部分,由导动曲线和刀触点轨迹的运动学关系,通过计算导动曲线参数,间接得到投影在曲面上的离散刀触点;第二部分,通过合理参数化、构建模长因子等实现刀位点参数曲线的分段实时拟合。仿真实例表明该算法简单易于编程,曲线拟合精度高,适用于自由曲面笔式加工中刀具路径计算与生成,从而满足复杂曲面高性能数控加工需求。     

复杂多曲面3轴粗加工刀轨优化的计算方法

针对复杂多曲面３轴粗加工方法的刀轨自动生成问题,提出一种刀具轨迹的优化算法。该算法注要研究层切法粗加工各切削层刀轨的合理规划的进刀方式的选取,运用该算法可以自动生成复杂曲面３轴粗加工的有效刀轨,算法简单、可靠。     

基于遗传算法的复杂槽型铣刀片铣削参数优化

复杂槽型铣刀片具有优于平前刀面铣刀片的切削性能。文中针对复杂槽型铣刀片的加工过程，建立了铣削加工的工艺参数优化模型和约束条件，提出了基于遗传算法的铣削参数多目标优化算法，并进行了优化实例分析，得到了合理的铣削参数。     

复杂曲面机器人三维测量的误配准筛除算法

航空叶片属于复杂异形曲面,作为航天发动机的重要零件之一,其形状结构的高精度检测必不可少。复杂异形曲面由于其边缘曲率复杂,使得目前的点云配准技术尚无法满足其高精度配准需求,针对航空发动机叶片复杂异形曲面高精度配准的要求,提出了基于多尺度描述子的空间角度差分阈值筛除误配准对的配准算法,创新性的通过多尺度特征与空间角度差分阈值筛除算法相结合的方法实现高精度的异形曲面配准。该方法可以有效降低误匹配点和噪声点对配准效果的影响。实验表明,本算法对于航空叶片复杂异形曲面具有很好的配准效果,配准精度高,且具有良好的鲁棒性。     

航空钛合金高效插铣加工实验与多目标优化研究

钛合金整体叶盘是航空发动机的重要零部件,结构复杂,加工难度大。插铣加工因其轴向承受能力强和刚性大等特性,非常适合加工钛合金整体叶盘这类难加工、结构复杂的零部件。针对钛合金插铣加工效率的问题,采用响应曲面法设计插铣实验,建立切削力经验模型,以切削力和材料去除率为目标,采用NSGA-II算法进行多目标优化获得Pareto最优解。研究表明:切削力随主轴转速的增加而缓慢减小,随切削宽度、切削步距和每齿进给量的上升而增加;与实验初始参数组合相比,优化后的材料去除率提高了81.19%,而切削力减小了23.68%,达到了本研究的高效加工目标。     

Research on tool path planning method of four-axis high-efficiency slot plunge milling for open blisk

The great mass of machining allowance for blisk is removed in the rough milling, so improving the rough machining efficiency for the blisk’s tunnel is the key of realizing high-efficiency machining of blisk. According to the structure characteristic of open blisk’s tunnel, a four-axis plunge slot rough milling with high-efficiency and low machining cost is advanced. First, the plunge slot process for blisk and the generation process of the ruled enveloping surface for the freeform surface of the blisk’s blade are put forward. Then, the generating method of the ruled enveloping surface for the blade’s freeform surface and the tool path generation method of four-axis plunge slot milling for blisk are studied. The rough milling region of open blisk’s tunnel is determined by generating the ruled enveloping surface of blade’s offset surface, and the algorithm of tool path for four-axis plunge milling is given. When using a ruled surface to approach a freeform surface, the problem of getting boundary is solved, and the error from the calculation of tool path is avoided by the algorithm. At last, the experiment shows that comparing to the traditional side slot milling, the cutting force of four-axis plunge milling can be reduced by 60% and even the rough machining efficiency can be increased to more than double.     

直纹面叶轮插铣加工关键技术

为提高整体叶轮的粗加工效率,弥补目前商用计算机辅助制造软件在五坐标插铣加工能力方面的不足,研究了直纹面叶轮五坐标插铣加工的关键技术。根据直纹面叶片的偏移边界矢量,利用四元数插值方法计算插铣加工的刀轴矢量,提出并推导了五坐标插铣加工的行距和步距计算公式,保证了插铣加工的材料去除率和加工效率。依据上述算法自主开发了整体叶轮五坐标插铣加工专用计算机辅助制造软件,并对该软件生成的刀具轨迹进行了仿真和实际加工验证。结果证明,该方法在一定程度上提高了叶轮零件的粗加工效率。     

钛合金整体结构件高效插铣工艺实验研究

针对钛合金整体结构件粗加工的插铣和侧铣工艺,从切削力、切削稳定性、切削温度等方面进行了切削实验和分析对比。实验结果表明,在相同切除率条件下,插铣的轴向切削力略大于侧铣的轴向切削力,而插铣作用力仅为侧铣的1/3%;随着切削深度的增加,插铣刀具的振动比侧铣刀具的振动小,且切削过程稳定;
插铣的切削温度要比侧铣的切削温度低。最后,以TC4钛合金整体叶盘通道开槽为例,进行了插铣验证。验证结果表明,插铣切削过程稳定,效率比侧铣提高了近1倍,刀具成本仅为侧铣的13%。     

EQUIVALENT NORMAL CURVATURE APPROACH MILLING MODEL OF MACHINING FREEFORM SURFACES

A new milling methodology with the equivalent normal curvature milling model machining freeform surfaces is proposed based on the normal curvature theorems on differential geometry. Moreover, a specialized whirlwind milling tool and a 5-axis CNC horizontal milling machine are introduced. This new milling model can efficiently enlarge the material removal volume at the tip of the whirlwind milling tool and improve the producing capacity. The machining strategy of this model is to regulate the orientation of the whirlwind milling tool relatively to the principal directions of the workpiece surface at the point of contact, so as to create a full match with collision avoidance between the workpiece surface and the symmetric rotational surface of the milling tool. The practical results show that this new milling model is an effective method in machining complex three- dimensional surfaces. This model has a good improvement on finishing machining time and scallop height in machining the freeform surfaces over other milling processes. Some actual examples for manufacturing the freeform surfaces with this new model are given.     

基于遗传算法工具箱的插铣切削力的预测模型

根据插铣核电材料A508-3钢各向最大切削力的正交实验数据,建立插铣过程的切削参数(切削速度、每齿进给量和径向切削宽度)各向最大切削力预测模型。把切削力预测值与实验值的残差平方和为适合度函数,采用谢菲尔大学研究的遗传算法工具箱实现各向最大切削力预测模型的各项参数。结果表明切削力预测模型与实验值吻合较好。本文目的是在特定插铣切削参数条件下预测切削力。     

TC11钛合金插铣工艺切削参数选择方法研究

为了优化TC11钛合金插铣加工的切削参数,采用三因素四水平正交实验法进行了插铣实验,建立了插铣过程中切削力和切削温度的经验公式,分析了插铣参数对切削力及切削参数的影响规律。基于此规律以及刀具许用挠度,提出了铣削速度、每齿进给量和铣削深度的选择方法。结果表明:铣削深度对切削力影响最大,而铣削速度对切削温度影响最大;插铣参数选取原则是在刀具材料允许下取较大铣削速度,适中的每齿进给量,最后根据刀具挠度选择合适的铣削深度。最后在根据此原则选择的插铣切削参数条件下,材料切除率达到了25.1 cm3/min。