五轴数控编程刀轴矢量控制技术研究

运用五轴数控编程的刀轴矢量控制技术,在整体式叶轮的加工过程中可以避免刀具与零件发生干涉,高质量地完成复杂曲面的加工,有效提高了加工效率。     

五坐标数控端铣渐开线螺旋面的刀位计算

介绍五坐标数控端铣加工渐开线螺旋面的刀位 (包括刀心坐标和刀轴矢量 )计算方法 ,并以具有A、B摆头的五坐标数控机床为例 ,将刀轴矢量转换成机床的运动坐标 ,完成编程计算的相关内容     

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。     

开式整体叶轮数控加工技术研究

研究了开式整体叶轮数控加工技术。首先分析了该类零件的几何特点以及加工难点,然后提出了一套适合于开式整体叶轮数控加工的关键技术,包括流道可加工性分析、前后缘走刀步长计算以及刀轴矢量的生成及其平滑处理。比较了分片铣削和整片铣削加工方式,提出采用整片铣削代替接刀痕严重的分片铣削加工方式。加工实例表明,该技术是有效的,所加工零件的误差控制在设计允许公差范围内,达到了设计要求。     

非典型叶轮数控5轴技术的研究

由于非典型叶轮结构复杂,无法使用主流CAD/CAM软件提供的叶轮5轴模块,在粗加工阶段采用3轴定向加工时,残余毛坯留量体积大形状不规则,严重影响了5轴加工的效率和质量。为此,一方面对于叶轮开式区域采用双圆柱面投影法获得驱动曲面,从而实现4轴联动粗加工,切削刚性大效率高;对于非开式区域则通过构建驱动曲面获得5轴联动刀轨,刀轨连续且刀轴矢量无突变。另一方面,提出了一种基于NC程序的刀轴矢量评价方法,可快速直观地评价5轴编程质量。实际使用结果表明:基于驱动曲面的刀轴矢量优化法能够显著提高复杂工件5轴加工的效率和质量。     

CAXA制造工程师典型五轴零件加工工艺研究

以数控竞赛样题为例,分析了零件结构,制定了加工工艺,采用CAXA制造工程师软件编制数控加工程序,重点阐明了3+2定向加工加工编程要点,以及基于Module Works组件的部分五轴加工策略的使用方法.最后通过Vericut软件仿真,验证了CAXA制造工程师软件的编程高效性及可靠性.     

开式整体叶轮数控加工技术研究

研究了开式整体叶轮数控加工技术.首先分析了该类零件的几何特点以及加工难点,然后提出了一套适合于开式整体叶轮数控加工的关键技术,包括流道可加工性分析、前后缘走刀步长计算以及刀轴矢量的生成及其平滑处理.比较了分片铣削和整片铣削加工方式,提出采用整片铣削代替接刀痕严重的分片铣削加工方式.加工实例表明,该技术是有效的,所加工零件的误差控制在设计允许公差范围内,达到了设计要求.     

曲面划分的刀轴矢量规划

在对复杂曲面加工过程中往往会遇到曲率变化过大的区域,这将导致相邻刀触点的刀轴矢量发生剧烈波动,影响加工质量,同时也会使得机床的稳定性下降。针对这一问题,提出一种基于曲面划分的刀轴矢量规划方法。该方法通过离散曲面,并计算各离散点的高斯曲率与平均曲率,以此为依据将曲面划分为多个区域。依次规划每个区域的刀轴矢量,对于出现的局部突变点进行优化。该方法有效地减小了刀轴矢量变化率。通过仿真实验分析验证了该方法的有效性。     

盘刀加工等基圆锥齿轮的刀具位姿及运动轨迹计算

为了实现使用盘形铣刀数控加工等基圆曲线齿锥齿轮,基于等基圆曲线齿锥齿轮理论,通过建立盘形铣刀加工数学模型,求解了决定刀具空间姿态的主要参数。通过盘形铣刀刀轴矢量、刀心坐标的求解,得到了轮坯坐标系下的刀位。结合通用五坐标数控机床,求得了五坐标数控加工等基圆锥齿轮运动轨迹的表达式。通过三维造型,对刀位求解进行了分析验证;通过仿真切削加工,验证了运动轨迹的正确性。结果表明,利用盘形铣刀数控加工等基圆锥齿轮的刀具位姿、运动轨迹的求解正确,在通用数控机床上利用盘形铣刀能够加工等基圆曲线齿锥齿轮。     

基于旋转轴运动插补的五轴联动加工非线性误差控制研究

五轴联动加工过程中会出现一类非线性误差——偏摆误差。首先,针对此类误差的产生进行了原理性说明,并建立了误差与两个旋转轴运动角度之间的运算关系;进而,对加工刀路中的误差超差位置进行判断,并通过限制旋转轴的运动角度来控制误差;最后,通过仿真和加工试验证明了该算法能够有效控制加工中的此类误差,更好的保证工件加工精度。     

非可展直纹面侧铣刀具插补轨迹优化方法

针对圆柱刀侧铣加工非可展直纹面的刀路规划问题，将刀具线性插补轨迹与理论轨迹面之间的几何偏差考虑到刀位优化中。首先从设计曲面的两条引导线偏置并离散成初始刀位，提出网格法构建刀位点处的误差函数，运用动点寻优的方法优化初始刀位的刀轴矢量。在此基础上，构建了插补轨迹面与理论刀具轨迹面之间的几何偏差分布模型，调整刀位点以减小相邻刀位间的几何偏差，在无需增加刀位点的情况下使刀具插补轨迹面逼近理论刀轴面。实验结果表明，优化后的加工曲面误差波动范围减小，最大误差值降低了35.78%。     

基于奇异避免的薄壁件镜像铣削加工路径优化

在双五轴镜像铣削加工中,由于旋转轴运动突变带来的奇异问题,导致薄壁件表面加工质量以及加工效率降低。在分析奇异问题产生原因的基础上,提出一种奇异区域加工路径优化的方法。基于C-空间的概念,在奇异区域边界约束条件下,同时满足镜像铣削加工中刀轴矢量与工件表面保持垂直,以最小刀轴矢量距离确定备选刀轴矢量,对奇异区域的刀轴矢量进行局部修正。然后对整条加工路径进行B样条曲线拟合,基于最小参数曲线应变能建立优化模型,通过对参数曲线的调整,提高路径的光顺性,保证加工效率,提高加工质量。最后,通过仿真实验和实际加工结果验证所提方法的有效性。研究结果表明,最小壁厚误差减小50%,最大壁厚误差减小75%,整体壁厚误差范围缩小了68.75%,同时完整的路径加工时间缩短了2.1%。     

用特定向量控制刀轴矢量的任意曲面数控加工算法研究

针对数控加工中有相当难度并且有一定普遍性的任意曲面,扩展了在数控编程中应用最广泛的参数法,提出了两种由有限的特定向量来控制刀轴矢量的方法。     

曲面高阶切触分析及其在曲面加工刀位规划中的应用

针对自由曲面五轴加工的刀位规划问题,提出回转刀具二次曲面与自由曲面切触时刀轴矢量的计算方法。通过分析曲面间高阶切触性质,建立了曲面切触阶与曲面几何不变量之间的对应关系;通过建立回转刀具加工自由曲面的运动学模型,推导出在离散刀位处刀具包络面与自由曲面二阶切触时的刀轴倾角函数关系,并解析求解该状态下的刀具姿态方程。加工实例表明,该模型能很好地描述刀具包络面与自由曲面间的切触关系,并保证加工过程中刀轴矢量变化的平稳顺滑性,从而获得较高的加工表面质量。     

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。     

基于关键刀轴矢量插值的球头铣刀五轴加工光顺刀轴矢量生成方法

提出基于贪心策略的复杂曲面加工刀具路径关键刀轴矢量序列整体优化方法，以及基于关键刀轴矢量插值的球头铣刀五轴加工复杂曲面光顺刀具姿态生成方法。计算各关键刀位刀触点处的刀轴矢量可行域，基于贪心策略从刀轴矢量可行域中选择关键刀轴矢量序列并且插值关键刀轴矢量序列，检查加工路径刀轴矢量序列是否存在碰撞干涉，进而获得可行的关键刀轴矢量序列集合。根据光顺评价指标从可行的关键刀轴矢量序列集合中选择最优的关键刀轴矢量序列，然后获得整个加工路径光顺的刀轴矢量序列。试验结果表明，该方法生成的复杂曲面加工刀具姿态能够使机床旋转轴运动平稳。     

离心叶轮的小摆角五坐标数控加工方法研究

由于工作台摆动角度受机床结构的限制 ,小摆角五坐标数控机床不能直接进行离心叶轮的连续加工。本文在分析机床结构和叶轮曲面特点的基础上 ,提出了两种解决该问题的方法 :叶型直纹方向重构法和立卧转换对接法 ,并给出了实现算法     

平底刀最优刀轴矢量规划算法

在进行自由曲面平底刀五轴数控加工刀轴矢量规划时,现有算法多以材料去除率最大作为优化目标,然而加工效率最高的刀轴矢量不一定是刀具最优姿态,还需要综合考虑加工质量、刀轴光顺等因素。从这几个方面建立单个刀轴矢量和相邻刀轴矢量光顺性的度量指标,并以归一化度量指标加权和最小作为优化目标建立刀轴矢量优化模型,经理论分析将多目标规划问题转化为力学平衡问题,弹簧模型中高斯球面上运动节点的平衡位置就是最优刀轴矢量。仿真结果表明SE权因子影响加工效率,DW、DM权因子影响机床运动平稳性,DF权因子影响切削条件,选择合适的权因子可以获得材料去除率大、加工效率高以及在工件坐标系、机床坐标系和进给坐标系下光顺的刀轴矢量。     

基于刀轴矢量程序的五轴后处理器开发

介绍了一种基于刀具轴向矢量程序的NX/Post Builder后处理器制作方法,不需要考虑五轴机床的结构形式即可制作五轴联动功能的后处理器,生成在不同结构五轴加工中心上通用的刀轴矢程序.以海德汉iTNC530系统为例,详细介绍了刀轴矢量程序NX后处理器的构建过程.为了验证刀轴矢量程序后处理器的效果,设计了一个试切模型,并用NX编写了一段试验程序.结果表明,刀轴矢量程序能顺利实现五轴定位加工和五轴联动加工.     

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。