复杂曲面机器人自动化研抛加工试验

为提高复杂曲面工件光整加工的效率和表面质量,搭建了以KUKA 30-3机器人为基体的自动化研抛平台并对复杂曲面工件进行了研抛加工试验。基于机器人工具坐标测量原理,针对本试验工件进行刀具坐标测量,利用CAD/CAM进行轨迹规划,采用一定倾角的弹性抛光盘进行研抛加工。试验结果表明,采用"XYZ-4点"方法确定刀具坐标系原点和采用ABC世界坐标法确定刀具坐标系姿态,实现了加工过程中研抛刀具沿研抛轨迹的精确走刀。CAD/CAM轨迹与姿态规划的自动生成代替了传统复杂、费时的示教方法,实现了加工过程的主动柔顺性,而弹性抛光盘的采用实现了被动柔顺性。采用该试验平台和方法实现了复杂曲面工件自动、高效、低成本的研抛加工。     

4+2自由度叶片抛磨专用机器人轨迹规划方法研究

砂带抛磨作为复杂曲面叶片精密加工的最后一道工序,其加工质量直接影响叶片的服役性能和寿命。传统6自由度机器人多关节串联具有明显的弱刚性,在末端夹持大型叶片时抗变形能力欠佳。为此,文章自主设计研发了4+2自由度叶片抛磨专用机器人系统,并开展复杂曲面叶片抛磨轨迹规划方法研究。首先基于D-H法建立该机器人运动学模型,进行机器人运动学的正、逆解的求解;其次给出了综合考虑抛磨工具与工件曲率的干涉、刀路轨迹行距和轨迹点密度对残留高度的影响规律的轨迹规划方法,建立了2个单元的协同运动模型保证叶片的加工实现;最后通过叶片抛磨轨迹数控程序验证了所获得的抛磨轨迹的正确性。     

复杂曲面五轴研抛加工模型的研究

针对复杂曲面加工的高尺寸精度和高表面质量的要求,基于五轴超精密复杂曲面研抛设备,依据Preston理论,从工件与研抛工具头在工作过程中的相对速度入手,推导出了复杂曲面加工的去除函数模型;根据复杂曲面上每一研抛点的去除量要求,推导出了加工的进给模型;进而根据相邻两点的位置关系,得出了复杂曲面加工过程中的残差,根据残差验证了数控研抛加工过程中加工步长选择的合理性,并通过实验对此进行了验证。研究结果表明,通过采用所建立的模型进行的研抛实验,获得了表面粗糙度Ra0.04的表面质量,说明了该模型的正确性和可行性,为实现复杂曲面的高效研抛加工提供了有力的理论依据。     

仿人研抛NURBS曲面的五坐标加工轨迹优化

从五坐标铣床的特点和人工分片研抛机理出发，提出了内圆和外圆变焦法，分别用于工件的边界子片和内部子片，可产生类似人工研抛的螺旋线工具轨迹，并模仿人工研抛的肘、腕关节姿态以产生工具轴方向矢量。该方法从减少工具轨迹的陡峭转折入手，产生了较光滑的准螺旋线工具轨迹，可降低被研抛工件的表面粗糙度，适用于五坐标研抛轨迹规划。用MATLAB验证了算法的正确性，给出了仿真的工具接触点轨迹和工具轴方向规划图。实验结果表明，该方法可行。     

NURBS曲面五轴加工刀具规迹生成技术研究

为解决传统的复杂参数曲面五轴加工中所存在的效率和精度不高的问题,提出了一种基于STEP-NC的NURBS曲面五轴加工刀具轨迹生成技术。采用STEP-NC的数据格式描述复杂NURBS参数曲面,在此基础上采用等残留高度法对五轴加工刀具轨迹进行了规划,包括刀轨行距的计算,刀具轨迹的生成等任务。采用加工试验的方式对本文方法进行了验证,并与传统方法进行对比分析。试验结果表明,新方法能够提高复杂参数曲面的加工效率和表面加工质量。     

自由曲面四坐标数控柔顺研抛技术研究

针对自由曲面研抛加工五坐标平台存在操作困难、成本昂贵的问题,现以三轴数控铣床为载体,设计了一套具有良好曲线追踪能力的四坐标柔顺研抛工具系统,来实现模具曲面的自动化光整加工。对工具系统采取力/位混合伺服柔顺控制策略,将研抛加工中的力控空间和位控空间实施了正交分解。在考虑其与数控铣床坐标系统差异的基础上,具体研究了自由曲面四坐标精密研抛的成型机理与成型过程。利用面向对象的开发工具Visual Basic开发了一款自动编程软件系统,能生成该工具系统可执行的数控代码,并借助ADAMS进行了仿真验证。研究结果表明,轨迹与曲面形貌相吻合,该技术能胜任自由曲面的精密研抛。     

光学自由曲面的超精密加工技术及应用

光学自由曲面是指非对称性、不规则、不适合用统一的光学方程式来描述的光学曲面.自由曲面光学元件在光电产品及光通讯产品中的应用日益广泛.采用多轴超精密金刚石机床加工光学自由曲面,可达到亚微米级形状精度和纳米级表面粗糙的高精度水平.文章介绍了光学自由曲面的超精密加工技术及其在光电产品领域的应用,并开发适合几种典型光学自由曲面超精密加工的刀具轨迹自动生成软件.     

非球曲面精密加工技术的研究

通常非球曲面精密零件加工,采用车、磨,研抛等工序,其耗时长、劳动强度大、精度低。采用宏程序编程技术和在研抛基本理论的研究基础上提出了一种基于磁流变液力矩伺服装置的非球面光整加工方案,采用力伺服装置实现对研抛力的控制,并采用masterCAM软件实现复杂研抛程序的编写,完成研抛轨迹的控制,对双曲面试件进行试验研究,得到了高品质的双曲面试件。     

机器人自动研抛系统平台搭建及重力补偿研究

为进行复杂曲面工件的柔顺研抛加工,自行搭建了机器人自动研抛系统平台,系统的关键技术之一是实现ATI六维力/力矩传感器和PC机的在线研抛力控制。通过对传感器测量值进行受力分析,提出研抛工具和连接件的重力补偿算法,用于消除加工过程中重力产生的干扰。采取基于位置内环的力外环柔顺控制策略,以45钢曲面工件作为加工对象进行研抛实验。实验结果表明,研抛力在一定范围内保持相对恒定,研抛曲面加工质量稳定,证明了该机器人自动研抛系统平台的可行性,良好地实现了机器人的自动化研抛加工。     

基于6自由度串联机器人的电火花铣削加工轨迹规划及伺服控制策略研究

针对传统电火花铣削加工所存在的灵活性不足和被加工工件尺寸受限等问题，提出了基于6自由度串联机器人的电火花铣削加工方法。基于四元数理论建立了工具电极复杂轨迹规划方法，实现了工具电极变姿态铣削加工。为了解决串联机器人无法满足电火花加工对放电间隙实时调整的快速响应要求，提出了工具电极垂直轨迹回退的伺服控制策略，实现了对加工间隙的快速调整。利用机器人的3个自由度和6个自由度分别开展了工具电极定姿态和变姿态下的电火花铣削加工实验，实验结果表明当工具电极变姿态时，加工过程中工具电极端部与工件表面发生放电，铣削加工轨迹的槽宽略大于工具电极直径，因此工具电极变姿态电火花铣削加工曲面工件时精度和效率更高。最后，在半球形工件上实现了电火花铣削加工三种复杂轨迹，验证了基于6自由度串联机器人电火花铣削加工技术的可行性和有效性，具有很大的市场应用潜力。     

大型曲面自适应研抛机器人运动学仿真

为了提高加工效率,提出了一种安装盘状工具在大型曲面上进行自适应研抛加工的机器人,可以在行进中进行作业.在分析了大型曲面的特征,针对盘状工具多点切触加工的特点,确定了机器人的技术构成.通过Pro/Engineer软件建立了研抛机器人的虚拟模型,研究了自适应研抛机器人和加工系统的运动学并建立了数学模型,应用Adams和Matlab软件对研抛机器人的自适应性和整机运动性能进行了联合仿真.仿真结果表明研抛机器人及其工具系统具有良好的动态性能,为研抛机器人系统的设计、制造和控制提供参考依据.     

应用四轴联动磁流变机床加工曲面

以永磁型磁流变抛光机为基础,提出了在光栅式加工轨迹下结合四轴联动机床(不含抛光轮转动轴)和变去除函数实现磁流变抛光技术确定性加工曲面的方法。讨论了曲面上光栅式加工轨迹等面积规划原则和基于矩阵乘积运算的驻留时间求解算法。分析了磁流变四轴联动机床的机械补偿方式,同时以变去除函数模型为基础从算法上实现了机械的剩余补偿。应用以氧化铈为抛光粉的水基磁流液对口径为80mm、曲率半径为800mm的BK7材料凸球面进行了修形验证实验,一次加工(5.5min)后显示:面形误差分布峰谷值(PV)和均方根值(RMS)从117.47nm和22.78nm分别收敛到60.80nm和6.28nm。实验结果表明:结合四轴联动的低自由度机床和变去除函数算法补偿的磁流变加工工艺能够有效地实现球面及低陡度非球面等曲面的高效确定性加工,为磁流变抛光在光学制造中的应用提供了有力的支持。     

研抛力对复杂曲面研抛表面质量影响的研究

复杂曲面研抛加工过程中,通过控制研抛力的方法对工件进行研抛加工,根据研抛去除量确定研抛时间,能够实现对待加工表面的确定性研抛加工。在研抛加工过程中,当研抛力存在误差时,会影响机床的定位误差、加工过程中的热以及研抛头的受力变形,研抛表面精度也会因此受到影响。为了获得精度更高的工件研抛表面,需要对研抛力对工件表面精度的影响进行研究,文中通过对K9玻璃球面反射镜进行研抛加工,分析了加工过程中不同的研抛压力对加工表面质量的影响,最终确定了最优研抛压力区间为[5,7]N,使研抛表面粗糙度值由Ra0.1μm降低到Ra0.008μm左右。     

新型的复杂曲面磁粒光整加工机床

介绍了一种复杂曲面光整加工机械--三坐标数字化磁粒光整加工机床.该机床通过对复杂曲面的数字化测量和自动编程,得到磁极与工件保持一定间隙沿工件表面运行的加工轨迹,利用吸附在工具磁极上面的磁性磨料为工具,通过磁极带动磁粒沿工件表面作高速旋转,从而实施对工件表面的光整加工.该机床的研制成功实现了复杂曲面光整加工的自动化.     

复杂曲面数控加工刀具轨迹规划技术研究进展

刀具轨迹规划一直是复杂曲面数控加工中的重点研究内容。针对复杂曲面轨迹规划的关键技术,对现有轨迹规划算法的发展与现状进行了综述,同时对刀具干涉类型、干涉消除算法以及行距和步长的确定进行了总结。分析了当前研究中的不足,指出一些新的研究成果尚不能完全满足工程实际需求,认为复杂曲面加工刀具轨迹规划技术应兼顾理论研究与实际应用,并考虑机床的运动学与动力学特性以实现高效、高速加工。     

基于力控制的机器人柔性研抛加工系统搭建

为了实现曲面的自动化柔性研抛光整加工,研发了一套基于力控制的机器人柔性自动研抛曲面加工系统。整套系统结构平台主要由工业机器人及运动控制器、力/力矩六维传感器、柔性研抛工具、控制计算机和空气压缩机等组成,并简要介绍了系统之间的通讯方式及通信协议。设计了一款新的机器人末端柔性研抛工具,该工具能够模仿手工研抛加工,克服了机器人刚度与柔性之间的矛盾。整套系统实现了基于力控制的研抛光整加工,保证了在加工过程中切削力的平稳,提高了加工质量。     

虚拟轴混联机床研抛模具自由曲面的分片规划

采用虚拟轴混联机床进行模具自由曲面的精加工,为了提高模具自由曲面的研抛精度和效率,论述自由曲面的分片抛光方法。根据计算机图形信息构造特点,将自由曲面划分为一系列曲面信息与工艺特征相同或相似的曲面片族,相似的曲面片族采用相同的工具和相近的工艺参数进行研抛加工。通过理论计算和仿真验证,此方法能够提高研抛效率。     

基于AKIMA插值的光学自由曲面刀具路径优化

FTS金刚石车削技术是加工复杂光学自由曲面加工的主要方法之一。为解决自由曲面难加工,效率低,插值误差波动大的问题,设计曲面离散出刀触点,采用AKIMA插值法对金刚石刀具圆弧半径进行刀具轨迹补偿,生成机床可识别的刀位点轨迹。通过MATLAB仿真实验表明,AKIMA插值法总体上更能逼近理想轨迹,虽然提出的插值方法计算相对复杂,但是插值精度显著提高,能够很好地控制曲面轮廓,保证了曲面的面型精度,同时也满足加工效率方面的要求。     

自由曲面数字化磁性磨粒光整加工机床

介绍一种自由曲面数字化磁性磨粒光整加工机床,着重介绍其原理、结构、组成、工具、磁性磨料、曲面数字化测量和编程方法。该机床通过对模具曲面的数字化测量和自动编程,得到磁极与工件保持一定间隙沿工件表面运行的加工轨迹,利用吸在工具磁极上的磁性磨料为工具,通过磁极带动磁性磨粒作高速旋转,实现工件自由曲面光整加工的自动化。     

SDI算法在成型铣刀后刀面数控磨削加工中的应用

针对成型铣刀后刀面为螺旋曲面，其数控磨削加工轨迹插补的特点，采用曲面直接插补(SDI)算法，提出了一种适合于复杂曲面类零件加工轨迹的CNC轨迹直接插补模式，为其他类多坐标复杂曲面零件精密高效加工轨迹控制提供了分析方法和借鉴。