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。     

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.     

五轴数控加工中旋转轴运动引起的非线性误差分析及控制

五轴数控(Computer numerical control,CNC)加工中,刀具路径规划阶段与实际加工阶段对旋转轴运动采用的插补方式存在差异,其中刀具路径规划阶段是根据零件的几何信息进行插补,而实际加工中则根据机床信息进行插补,这种差异将引起原理性加工误差。针对五轴数控加工中旋转轴的运动,分析采用线性插补方式控制两个旋转轴进行加工时刀具姿态变化引起的原理性误差,进一步研究不同加工情况下由此产生的在垂直于走刀方向的平面内的非线性误差。通过分析旋转轴运动过程中线性插补引起的刀轴偏差角,证明刀具在相邻两刀位点运动过程的中间时刻处刀轴偏差角取得最大值,并得到由该最大值的显式表达式,在此基础上分析最大偏差角的影响因素。提出通过限制相邻两刀位点间刀轴夹角来控制此非线性误差的方法,并给出实例验证。     

圆锥刀侧铣整体叶轮叶片曲面的刀轴轨迹规划

针对圆锥刀侧铣加工整体叶轮叶片曲面中复杂的刀轴轨迹规划问题,提出一种可行的刀轴轨迹生成方法。该方法首先根据两点偏置法给出初始的刀轴面,然后利用圆锥面的几何性质调整优化刀轴位置,"强制"刀具面与叶片曲面每瞬时线接触,建立以刀轴位置为变量的刀具面上多点与叶片曲面相切的超定方程组,并用最小二乘法求解。利用共轭曲面的数字仿真原理,以叶片曲面为基准面,以其上发出的标杆射线为纽带,建立刀具包络面与叶片曲面之间的误差计算模型,并给出加工干涉的判定依据。实例计算表明,刀轴优化后的包络误差显著降低,验证了所提方法的有效性。     

基于定向距离理论的五轴加工刀具轨迹规划算法

针对环形刀五轴加工自由曲面的残留误差问题,在传统等残留高度算法的基础上,提出了一种基于定向距离理论的等最大残留高度刀具轨迹规划算法。首先根据微分几何理论计算已知刀触点的初始侧向行距,并在侧向行距方向进行偏置得到相邻刀触点;然后以基于定向距离理论的残高误差计算模型对相邻刀触点间的实际残高值进行计算;最后通过迭代计算规划出等最大残留高度的相邻刀具轨迹。如此循环,从而获得整个曲面的刀具轨迹。实验结果表明,相对于商用软件MasterCAM9.0,该算法在充分保证曲面加工质量的同时最大限度地减小了刀具轨迹的总长度,从而提高了加工效率。     

基于三弯矩法的环曲面金刚石切削刀具路径规划及其仿真分析

为解决环曲面加工困难的问题,对环曲面金刚石切削方法进行研究。在刀具路径规划中,使用了刀触点综合离散方法,该方法结合了等角度离散与等弧长离散的优点;提出了通过控制相邻刀触点间Z向距离以减小刀具的Z向移动从而提高离散精度的方法。根据加工时刀位点插补的特点,应用三弯矩法计算插补入口参数,实现插值函数的二阶导数连续。仿真分析表明,综合离散方法能够减小离散误差,使用三弯矩法进行插补计算可将最大插值误差由Hermite插值的0.35 μm减小至0.001 2 μm,效果明显。加工试验结果表明,该路径规划方法可用于环曲面的加工,且能改善工件的加工质量。     

类回转体曲面数控加工刀位轨迹规划

针对类回转体曲面高速进给数控加工,提出螺旋线驱动方式下圆环刀具加工轨迹的规划方法。构造螺旋线作为类回转体曲面的导动线,根据曲面上已知接触点轨迹的切线方向估算后续导动点对应的初始接触点。计算初始接触点处圆环刀具的刀心位置,再计算初始刀心位置与后续导动点对应的目标刀位点分别在圆周方向以及轴向的距离差值,利用相邻刀位点与相邻接触点存在的准相似关系,得到接近目标接触点的搜索方向和步长,经过迭代得到目标接触点和刀位点。在分析接触点处曲面曲率和圆环刀曲率的基础上,给出圆环刀加工误差计算方法。将所提出的算法用于鞋楦的五轴数控轨迹规划中,计算结果表明,该算法搜索效率较高,具有理论和实际应用价值,并通过鞋楦的五轴数控加工试验验证了算法的有效性。     

基于CQEM的海量测量点集刀位轨迹生成算法研究

提出基于约束二次误差度量(CQEM)的海量测量点集刀位轨迹生成算法。算法以大规模测量点集为待加工曲面,依据刀具大小动态生成刀具邻域的插值网格,以平面截交网格交点作为初始刀触点,对其进行CQEM优化并细分该截交网格,在此基础上生成无干涉刀位轨迹。算法不仅利用网格的动态局部构造节约了大量的空间消耗而且通过刀触点集的COEM优化减小了加工曲面逼近测量点所在曲面的误差。     

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。     

五坐标数控加工的理论误差分析与控制

对五坐标曲面加工中由离散线性运动逼近理想刀具轨迹所引起的理论加工误差进行了较严格的分析。基于五维线性包络运动分析,得出了适用于多种类型刀具的加工误差估计的通能表达式。该误差是三维意义下较严格的刀具包络成型误差,综合考虑了零件表面的局部几何形状、刀具的形状尺寸与刀轴控制参数、走刀进给方向、机床旋转/摆动机构参数以及走刀步长的影响。在此基础上,分析了减小加工误差的措施,给出了能较严格满足给定精度要求的走刀步长估计算法,有效控制加工误差并提高刀具轨迹质量。     

基于特征的直纹面5轴侧铣精加工刀位计算方法

提出了基于加工特征的直纹面5轴侧铣精加工刀位轨迹的计算方法,给出了误差估算方法。通过对直纹面微分几何特性的研究,用扭曲度来刻画直纹面特征,将直纹面划分为可展化曲面和非可展化曲面。对于可展化曲面,通过调整直纹面上母线方向的变化规律,使之成为可展曲面,以便在加工中获得无脊棱的光滑曲面;对于非可展化曲面,提出用最小偏置角原理来求取刀轴矢量,以使加工误差在刀具与被加工曲面切触状态下趋于最小,最终获得无干涉刀位轨迹。     

五轴联动数控加工中的刀具轨迹控制算法

已有的五轴联动数控加工系统往往忽略刀轴矢量插补问题,只是简单地通过对线性轴进行插补、对旋转轴进行跟随的方式来实现刀具轨迹的控制,导致产生非线性误差和刀具碰撞与干涉等问题。为此,提出一种基于刀轴矢量插补的刀具轨迹控制算法。该算法采用大圆弧插补法对加工过程中的刀轴矢量进行控制,同时采用NURBS曲线拟合方法对控制过程中产生的中间点进行处理,并通过对拟合而成的NURBS曲线进行插补来实时计算各运动轴的位置。该算法不仅能够有效地提高五轴联动数控加工的精度,而且可以有效减小数据存储量。仿真和实际加工验证了算法的有效性和实用性,证明算法具有轨迹过渡平稳、非线性误差小的特点。     

三角网格曲面加工刀具路径生成等误差步长算法研究

针对三角形网格曲面加工中刀具轨迹的误差均匀性问题,提出了一种等误差步长规划的刀具路径生成算法。该方法将刀具沿网格曲面运动方向的线性误差和转动误差联合作为设计公差,在满足给定精度要求条件下,通过控制设计公差来优化各条刀具轨迹上的刀触点的位置分布,并生成相应的刀位点。在生成完整三角网格曲面刀具路径时充分利用了网格曲面的边界特性,保证了边界一致性。实验表明:该方法生成的刀具路径保持了良好的边界一致性,并显著提高了加工精度和加工质量的均匀性。     

基于开放式数控系统平台的空间刀具半径补偿技术实现

空间刀具半径补偿技术是数控系统实现复杂零件加工的核心技术。在基于曲面直接插补的空间刀具半径补偿中,使用3次B样条拟合刀位文件中的刀位点、切触点及刀轴矢量来获取刀轨的参数样条表示,实现空间刀具半径补偿功能。通过基于UG后置处理的加工轨迹,编制空间刀具半径补偿算法系统软件进行模拟,并在搭建的基于Twin CAT的开放式数控系统平台上进行加工验证,满足复杂零件的加工质量要求。此方法为数控系统的空间刀具补偿算法研究提供可行性验证。     

机器人砂带磨削路径优化插补算法

为解决经典泰勒插补算法生成的加工轨迹在加工中产生的过切问题,在机器人打磨离线编程系统上进行了机器人打磨路径插补算法的研究。通过对比各种路径刀位点生成方法,提出一种改进的泰勒插补算法。该算法在加工路径曲率变化较大的区域刀位点自适应地致密,避免了弓高误差超差引起的过切;当加工路径较为平滑时,刀位点稀疏,保证加工效率。通过设计优化算法与经典算法的对比磨削试验,验证了该插补算法的有效性。     

圆锥刀五轴侧铣加工刀具路径整体优化原理与方法

三维曲面加工制造是通过刀具刃口的运动扫掠面逼近设计曲面来实现的.针对单行侧铣加工,定义用于评价设计曲面与加工曲面之间偏差的点-刀具包络面有向距离函数.基于刀具包络面的双参数球族包络表示,提出无须构造包络面而直接计算该有向距离的方法,并推导出其关于刀轴轨迹面形状控制参数的一阶梯度表达式,以定量刻画刀具路径的改变对加工曲面法向误差的影响.在此基础上构造基于导数信息的刀具包络面向设计曲面的离散点云的最佳一致逼近算法,并应用序列线性规划算法来求解该约束优化问题,实现圆锥刀五轴侧铣加工刀具路径的整体优化,应用于叶轮叶片加工的实例表明该方法能够显著提高加工精度.有关理论和方法同样也适用于一般回转刀具的侧铣加工规划.     

自由曲面实时插补技术及其改进研究

本文指出了传统离线编程方法的不足,提出了自由曲面直接插补控制方法,提出了对传统插补方法的修正偏置算法及针对实时插补技术的速度修调,阐述了实时插补算法轨迹的生成过程、该插补算法基于曲面曲率等几何信息控制加工误差及切削步长、切削行宽,生成的刀具路径具有一定的自适应性。     

九轴联动叶片双刀对顶铣削的非线性误差分析与控制算法

针对双刀对顶铣削线性插补过程中三个旋转运动引起切触点实际运动轨迹与理论规划轨迹不重合的现象,为了保证工件的表面加工质量,提出了减小双刀对顶铣削中非线性误差的轨迹优化算法。针对双刀具的位置约束关系,建立九轴联动机床的运动学同步转换模型。结合工件表面的几何特征,阐述了切触点间非线性误差的理论表征方法,并建立旋转轴引起非线性误差的简化计算模型;以双刀对顶铣削轨迹线上非线性误差和加工误差为优化目标,建立双刀对应切触点同步插值的优化模型。以典型汽轮机叶片双刀对铣加工为例,同步修正了双刀对应线性插补轨迹线上的切触点,仿真和试验结果显示,该方法有效减小了加工过程中的非线性误差,可提高叶片型面的加工精度。     

两类参数曲面的高精度刀具轨迹规划

在曲面加工参数线法的基础上,提出引入误差补偿值的参数曲面高精度刀具轨迹规划算法(HPTPPAC)。通过引入误差补偿值,HPTPPAC在满足插补运算实时性要求的前提下,使插补点的参数值计算精度得到极大提高,有利于降低进给速度波动,实现高速切削。在使用平底刀五座标加工的条件下,证明HPTPPAC算法对两类曲面的适用性。实例表明HPTPPAC可以提高曲面的加工精度。