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。     

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。     

用极坐标投影法产生自由曲面铣削刀具路径方法的研究

应用微分几何工具,计算自由曲面的法矢、主曲率及其极值。由于自由曲面多采用多轴加工,且应考虑干涉、刀具轨迹规划和切削行距的确定等问题,故提出用极坐标投影法获得刀轴矢量和干涉区域的方法,通过刀触点偏移一定矢量长度的方法,可以得出切削行距及刀具轨迹。通过获取刀轴矢量的平滑变化,提出了求取刀具路径的方法从而避免了刀具碰撞的发生。     

自由曲面加工中的等参数螺旋轨迹生成方法

通过对刀具轨迹有效性的分析,将刀具轨迹规划分为曲面上曲线族的选择和有效合理排布方式的设计两个方面。以此为基础,针对数控加工中心的高速加工特性,提出一种等参数螺旋刀具轨迹生成方法。该方法以减少抬刀、路径转接为目的,并综合考虑刀具轨迹几何与运动力学性能。首先以等参数线型轨迹为基础,生成等参数环形轨迹,进而以对角曲线连接相邻路径,构造能够实现连续切削的等参数螺旋轨迹。仿真试验表明该方法,简单实用,而且避免了轮廓偏置中的干涉检测,特别适用于自由曲面的高速数控加工。     

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。     

基于切削载荷的余量规划策略

针对高速铣削加工的切削载荷控制问题,提出一种适用于平头立铣刀2.5维铣削加工,考虑切削载荷的余量规划策略——恒力余量。通过加工试验证实了该策略的有效性,并讨论了走刀方向、刀触点轨迹线的连续性、刀具浸入包角和刀具半径对恒力余量规划结果的影响。与传统的几何等距余量规划方法相比,恒力余量策略能够显著改善切削载荷的波动情况,避免切削载荷的突变,为控制铣削载荷提供有效途径。     

基于支持向量机的点云曲面刀具路径规划

针对单值散乱点云曲面刀具路径规划问题,提出了一种基于最小二乘支持向量机的计算方法。在计算过程中,将点云数据向平面投影,得到二维点集。应用网格划分和边界网格内测量点高斯映射技术,提取平面区域内的边界特征点。用边界特征点定义点云曲面的实际加工区域,在此区域内规划平行等间距刀具路径。应用最小二乘支持向量机拟合点云数据,求得被加工曲面的连续表达模型,经此模型将二维刀具路径数据向三维空间映射,求出刀触点数据。将刀触点经法向偏置计算,求得刀位点。实例验证证明,该方法能较好地解决信息不完备散乱点云曲面刀具路径生成问题。      

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。     

自由曲面5轴数控加工刀位轨迹的生成算法

应用计算几何技术来决定优化的刀具定位和刀具姿态以实现环形刀的5轴自由曲面数控加工。环形刀起切削作用的环形部分曲率半径的变化范围更大,而且刀具姿态随曲率而变化。这些特性使得该方法比平底刀且固定刀具姿态的加工方法更优越。分三部分来实现：①优化刀具定位和刀具姿态。②刀具轨迹规划。③干涉检测。     

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。     

基于广域空间的自由曲面宽行加工方法

为提高自由曲面环形刀五轴精加工的效率,在广域空间中分析刀具的干涉误差,对曲面宽行加工的刀具方位优化方法进行研究。首先根据环形刀刀具特性,定义曲面可能干涉的区域为广域空间,然后将广域空间离散点集变换至刀具坐标系中,计算刀具刀刃曲面的干涉误差,从而构建刀具的实际切削轮廓,并在此基础上精确计算有效的加工带宽。最后,通过建立刀具方位与加工带宽的函数关系,以加工带宽最大化为目标,实现环形刀五轴宽行加工刀具方位的自动优化。算例及试验表明,在相同的残留高度要求下,广域空间方法较之现有的二阶泰勒逼近方法,切触点轨迹长度减少了15.74%,说明基于广域空间的刀轴优化方法是实现自由曲面宽行加工的有效途径。     

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.     

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%。     

离散曲面慢刀伺服车削刀具路径规划

为解决离散曲面加工的难题,进行了离散曲面慢刀伺服车削刀具路径规划,研究了离散曲面的刀触点生成算法和刀位点生成算法,对比了两种刀位点速度插补算法。提出了基于Zernike多项式局部数据点拟合的刀触点生成方法和Z向刀具形状补偿方法。使用MATLAB软件以环曲面为例进行仿真,验证了该方法的正确性。通过对环曲面和渐进多焦点曲面进行刀具路径规划和加工实验,表明该刀具路径规划方法能够在避免对整个曲面进行拟合的基础上实现离散曲面的高精度加工。     

截面线等误差步长法计算点云刀具路径规划

提出了一种利用截面线等误差步长法计算点云刀具路径的算法。首先定义一组截平面,运用点云切片算法求出截平面与点云的交线,作为刀触点(CC)轨迹。刀触点轨迹是由大量离散点组成的点集,本文中提出了一种等误差步长法对刀触点轨迹计算刀触点,然后利用最小二乘法拟合刀触点附近点获得平面,平面法矢作为刀触点的法矢,沿法矢偏置刀具半径得到对应的刀位点,并对生成的刀位点进行干涉处理。该算法计算出的刀具路径包含的刀位点数量更少,误差均匀且都满足最大误差要求,最后通过实例验证了算法的可行性。     

自由曲面行距自适应五轴数控加工刀轨生成方法

在满足残留高度的前提下,增大行距能够有效减少加工刀轨的行数,从而减少刀轨总长度。针对自由曲面平底刀五轴加工,提出了一种行距自适应的刀轨生成方法。在刀具进给方向法平面上,以椭圆等效表示平底刀切削轮廓,基于曲面局部轮廓线和等残留高度点的几何特征提出迭代计算等残留高度点的方法;再根据等残留高度点、切削轮廓和曲面之间的几何关系,通过迭代调整下一行切削轮廓位置计算出满足残留高度要求的下一行刀轨信息;最后以下一行和当前行刀触点之间最小的参数差值作为自适应行距值规划刀轨。以叶片曲面为例生成刀轨,验证了算法的可行性和有效性。     

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。     

基于公差约束的复杂曲面宽行加工方法

为了提高复杂曲面环形刀加工的加工效率,结合设计公差带,对复杂曲面的宽行加工算法进行研究.借用二阶泰勒逼近方法计算整条切削轨迹的切削带宽,根据设定的切削带宽比率阈值对其进行切削带宽可调整性评估;针对符合可调整性的切削轨迹,分析影响切削带宽的切触点,在公差约束范围内,将实际切触点沿其所在位置曲面法矢反方向平移一段合适的距离,从而反算出最优的切削带宽.通过分析切触点变化后曲面性质对切削带宽的影响,说明了公差约束思想在宽行加工算法中具有通用性.算例表明,与二阶泰勒逼近算法相比,该方法能大幅度地提高切削带宽,提高量可达到原切削带宽的26.5％,同时,切触点轨迹长度缩短了22.7％;仿真结果验证了该方法在复杂曲面环形刀宽行加工中的有效性.     

五轴曲面铣削的通用表面纹理形貌建模方法

为进一步提高五轴铣削加工曲面纹理形貌仿真建模方法的通用性,同时为考虑刀具姿态角影响及分类的曲面纹理质量评定提供参考,提出了一种基于刀具结构通用参数和通用曲面刀触点坐标系的五轴铣削曲面纹理形貌建模及仿真方法。基于具有通用性的环形铣刀,采用刀具倾斜角?和旋转角θ定义刀具位姿,建立了能够适用于不同刀具及曲面的五轴铣削表面纹理过程的刀具切削刃点表达式。基于离散化思想,结合刀具切削刃点表达式,提出通过几何关系寻找瞬时扫掠四边形内工件网格点来实现曲面纹理形貌仿真。建立了平面和球面两类常用不同几何特征曲面以及不同类型自由曲面在不同刀具姿态角下表面纹理形貌仿真模型,并将平面仿真形貌分为?=0°、?≠0°两类,同时通过平面仿真时间对比验证了该仿真方法的效率更高。最后进行平面切削实验,结果表明,θ=-40°、?=20°及θ=15°、?=60°组合下实际切削与仿真表面纹理特征基本一致,同时实际切削表面纹理形貌特征与仿真分类结果一致,验证该曲面纹理形貌建模和仿真方法正确有效。     

基于网格曲面模型的等残留刀位轨迹生成方法

三角网格曲面因其快速灵活、拓扑适应能力强等优点,在与制造业密切相关的航空航天、汽车、造船以及模具等工业领域得到越来越广泛的应用。针对网格曲面加工截面线型路径与边界不一致性等问题,提出一种保持边界一致的等残留刀位轨迹生成方法。该方法以减少抬刀、路径转接为目的,并综合考虑刀具轨迹几何与运动力学性能。首先对网格曲面局部区域进行精确拟合,进而给出一种网格曲面上曲线的偏置方法。以此为基础,对网格模型的边界轮廓进行等残留偏置,从而生成精确的刀位轨迹。实例表明该轨迹生成方法简便、可靠,具有良好的边界一致性,并可显著提高加工的效率和精度。