五轴加工中刀具非线性误差的优化策略研究

近年来在机床加工的过程中五轴机床得到了广泛应用,在传统的三轴机床的基础上增加两个回转轴,可以提升加工工作的灵活性与自由度,大幅度提升自由曲面精确度,具有重要的意义。但是,在增加两个回转轴之后,会导致机床运动链的形式非常复杂,很容易在加工期间出现刀具非线性误差问题,主要因为相关的数控系统在使用线性插补形式之后,会在插补期间出现刀轴矢量和回转轴之间的非线性关系,不能确保刀具按照规定的轨线运行,出现误差问题。在此情况下,就应该结合五轴加工过程中的刀具非线性误差问题发生特点,采用有效的措施优化处理,保证各方面工作的高效化实施,提升刀具加工的准确性。     

五轴联动数控加工的刀具路径优化方法研究

为解决五轴联动加工复杂曲面过程中的刀具路径不连续问题,提出了五轴数控的刀具路径优化方法。通过五轴NC代码的坐标变换还原有效切削路径,对切削路径进行误差约束下的非均匀有理B样条(NURBS)曲线拟合。对旋转轴路径采用五次样条曲线进行插值,建立切削路径和旋转轴路径的参数映射关系,通过机床逆运动变换求解C2连续的平动轴路径。实验表明,经过该方法优化后,切削路径和各驱动轴运动路径具有良好的平滑性,显著提高了五轴加工曲面精度和表面质量。     

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。     

五轴联动数控加工中的刀具补偿方法

分析了现行五轴联动数控加工编程标准ISO6983对数控系统刀具半径补偿和刀具长度补偿功能支持的不足,提出一种刀具半径补偿向量模式的编程方法,以主轴头旋转类型的五轴数控机床为例说明了五轴加工中实现刀具补偿的方法。     

五轴数控加工中多刀加工自由曲面的刀具选择

针对自由曲面的五轴数控加工，提出一种新的刀具选择方法，此算法可以自动地选择出最优刀具组合，每个刀具对应一个或多个特定的加工区域。多刀具组合的加工方法既可以保证加工曲面的精确性，又可以实现大刀具的高效加工。此外，还提出了种五轴教控加工时间的近似算法，通过对比用刀具组合加工时间和单个刀具加工时间，从而证明了该方法的有效性。     

环形刀五轴数控加工刀具路径生成算法

将微分几何理论应用于环形刀五轴加工无干涉刀具路径生成方法的研究,分别推导出刀触点处刀具曲面和工件曲面曲率分布方程,结合这两个方程,进行进给步长、加工行距以及相邻刀触点等的计算并建立判断有无干涉发生的条件,利用该条件对刀具姿态角进行修正以避免干涉.对实际曲面进行路径计算结果表明,提出的方法能有效避免干涉而且缩短加工路径长度.     

五轴加工刀具路径生成的有效加工域规划方法

为复杂曲面五轴数控加工的刀具路径优化生成问题提出一种新的有效加工域规划方法。在对工件被加工表面和刀具的几何特征进行分析的基础上,得到在加工件表面上各处的最优可加工域宽度和刀具切削方向。通过采用离散采样和插值计算生成优化的有效加工域集,得到最优化的初始刀具路径;同时建立一种迭代搜索算法,用于解决最优加工域的选择规划问题。采用此算法生成优化的后续刀具路径,使得有效加工域最终完全覆盖整个被加工表面。给出的示例显示相对于传统的五轴加工刀具路径生成算法,有效加工域规划方法可以减少刀具路径的总长度和加工时间,得到更为优化的刀具路径和更好的工件表面质量,因此有效加工域规划方法可以被用于五轴数控加工实践以降低加工成本和提高产品质量。     

五轴加工中局部曲率的计算及其应用研究

针对复杂曲面五轴数控加工中的局部干涉的检验与修正问题,运用微分几何理论推导环形刀刀触点处刀具曲面和工件曲面沿任意方向的曲率分布函数.根据局部曲率,建立了判断有无干涉的条件.对示例曲面和给定的加工刀具进行了曲率计算并绘制出了曲率分布函数图形.对所得到的图形进行分析表明,所推导的曲率公式和建立的无干涉条件完全正确且符合实际加工情形.     

五轴加工中灵活的刀具倾角策略

近几年来,根据制造业的不断需求,Cimatron公司从E7版本开始在产品线上增加了超强的5轴产品加工模块;由于Cimatron公司对市场的敏锐把握,Cimatron用户（包括教育用户）数量一直以直线上升态势发展,行业涉及航空、航天、军工、汽车和医疗器械,软件的功能提高了客户的产品质量和生产效率,得到了客户的一致好评,为他们创造了前所未有的价值。持续技术革新,把5轴加工能力保持在世界一流水准用以高端产品加工是Cimatron集团公司永不改变的目标。     

基于可视锥理论的五轴加工刀具碰撞检验方法

针对复杂曲面数控加工中刀具与工件的碰撞问题,提出一种基于可视锥理论的刀具碰撞检验方法。根据点的可视性特点推导点的可视锥算法,对任意采样点进行可视锥模型构建,通过刀轴矢量与可视锥的布尔运算判断刀具与工件的碰撞,由此计算刀轴避免碰撞时应转过的最小夹角,并对旋转后的新刀轴矢量是否在机床刀轴可加工范围内进行检验。通过将该方法应用于整体叶轮加工中,可快速检验出发生碰撞的区域并对刀轴矢量进行修正,有效地解决了刀具在数控加工中的碰撞检测问题,为刀具路径规划提供了有效的检验方法。     

Comparison of 5-Axis and 3-Axis Finish Machining of Hydroforming Die Inserts

The recent growth in hydroforming technology has sparked interest in alternative methods to the current conventional die manufacturing techniques. Hydroforming dies typically have shallow forming channels and open, low curvature surfaces, making them ideally suited for 5-axis machining. To fully appreciate the benefits and to properly demonstrate the capabilities of 5-axis machining for hydroforming dies, a comparison of 5-axis and 3-axis finish machining was done. Two hydroforming die insert sets were machined on a 5-axis machine with a tilt/rotary table. The tool paths for 5-axis machining were generated using custom software based on a modified form of a tool positioning strategy called the principal axis method. The quality of generated 3-axis toolpaths was verified against the machining times of a third set of die inserts, similar to those machined in 5-axis, by an independent industrial mould and die manufacturer using a 3-axis high-speed machine. A comparison of the generated 3-axis paths versus the 5-axis paths for one of the die inserts was made using total finish machining tool path lengths to eliminate differences in machines. The results show that the generated 3-axis tool paths are longer than the 5-axis paths by at least 247%. The paper discusses the different tool-path generation methods along with the geometry of cusp formation and the effect of tool selection. Methods to improve the 3-axis results are also presented.     

基于临界约束的四轴数控加工刀轴优化方法

针对自由曲面四轴加工中复杂刀具运动导致的干涉和刀具运动不连续等现象,提出一种基于临界约束的刀轴优化方法。基于刀具与工件约束曲面之间的相对位置关系,利用曲线上的点搜索算法确定切触点处的临界刀轴矢量,并计算当前切触点刀轴摆动的可行域;以切削行内所有切触点的刀轴可行域为基础,建立当前切削行内无干涉且相邻刀轴变化最小的刀轴矢量优化模型,实现了自由曲面四轴加工无干涉刀轴矢量的光顺控制。整体叶盘四轴加工试验表明,利用此方法获得的刀轴矢量可以显著改善机床运动的连续性,并避免刀具干涉的产生,提高了加工质量。     

基于机床运动学约束球头刀多轴加工刀轴矢量优化方法

针对目前航空发动机叶片进排气边加工精度和表面质量较差的问题,提出了一种基于机床运动学约束球头刀多轴加工刀轴矢量优化方法。建立刀位优化变量与刀位数据之间的关系方程,同时建立刀位数据与机床回转轴角度之间的运动变换方程,从而推导出刀位优化变量与机床回转轴角度之间的关系方程。通过求解上述方程得到球头刀多轴加工复杂曲面的刀轴矢量计算公式。在此基础上,给出球头刀多轴加工刀轴矢量优化方法和刀轨生成方法。同时,以某航空发动机叶片为例,分析了本文算法和Sturz算法对机床回转轴角度的影响。分别利用本文算法和Sturz算法生成该叶片进气边加工的刀轨,并在五轴数控机床上进行加工试验。试验结果表明,该算法能够避免加工过程中机床回转轴的大幅波动,使机床轴运动更加平稳和光滑,从而提高曲面的加工质量和加工效率,具有一定的实际应用价值。     

自由曲面五轴加工刀轴矢量的运动学优化方法

针对五轴加工中刀轴矢量变化过大导致加工误差较大和破坏零件表面加工质量的问题,提出采用运动学方法优化刀轴矢量。建立机床的运动学约束条件,并由此确定机床转动角速度可达区域作为刀轴矢量优化的约束条件。针对选定结构的机床,结合平底刀加工不发生过切的充要条件和被加工曲面沿行距方向的法曲率,给出初始后跟角的自动计算方法,并指出机床转动角度的变化相对于后跟角的变化是单调的。在得出切触点无干涉区域与机床转动角速度可达区域的基础上,从两个区域的交集中选取优化的刀轴矢量。如果两个区域的交集为空,则调整该点之前切触点的刀轴,从而使交集不为空。算例分析表明,所提出的运动学优化方法合理可行,能够使刀轴矢量变化均匀,充分发挥机床的性能。     

Determination of Cutter Orientation for Five-Axis Sculptured Surface Machining with a Filleted-End Cutter

In this paper, an accurate and efficient method is proposed for determining filleted-end cutter orientation based on surface analysis. With this method, the surface geometry is first analysed and classified according to its shape. Different kinds of surface shape require different treatments with regard to cutter orientation, so that the local geometry of the filleted-end cutter is matched with that of the surface as closely as possible without gouging the surface in the local region of the cutter contact points. The proposed method has been successfully implemented using the visual C ++ language and the ACIS geometric modeller. Finally, some illustrative examples are given. ID="A1"Correspondance and offprint requests to: Dr T. Chen, CAD Centre, School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, Hubei 430074, PR China. E-mail: tc29@chinese.com     

基于数控加工CAPP系统的刀具选择

讨论基于数控加工的箱体零件创成式CAPP系统中的关键问题——刀具选择。通过对此选择过程进行优化分析,建立了以加工质量、加工效率和成本等多种因素共同作用的优化决策理论模型。     

五轴联动激光淬火路径规划

研究了基于五轴多功能激光加工机床激光淬火的工艺特点,提出了用于复杂型面五轴联动激光淬火路径规划的方法,实现了针对于五轴多功能激光加工机床激光淬火的前计算,为使五轴联动激光淬火应用于实践奠定了一定的基础。该方法主要是在考虑了以下3个约束条件的基础上提出的:(1)在淬火的过程中要保证激光光斑相对于工件表面的扫描速度恒定;(2)在激光淬火过程中要保证工件表面激光光斑的大小不变;(3)在进行激光扫描时要使插补时产生的弦误差最小。通过保证这3个约束条件,进而保证工件表面淬火质量。     

五轴数控加工奇异点问题研究

研究了五轴数控加工奇异点问题,分析了奇异现象及产生的原因。在对前人工作分析的基础上,提出了在刀轨规划时避免奇异现象的方法。该方法通过监测刀轴与旋转轴的夹角,找出产生奇异的刀位点,并以上一刀位点对当前刀位点进行优化。结果显示机床各运动轴能平缓通过奇异区域,证明该方法切实可行。     

基于VERICUT的整体叶轮高速五轴刀轨优化

采用VERICUT软件对开式整体叶轮的切削轨迹进行优化,使其更适合五轴高速切削加工,有效避免了高速加工下负载不均导致的断刀。