多曲面岛屿五轴螺旋刀位轨迹规划

针对复杂拓扑关系的多曲面岛屿加工,以叶片阻尼台为研究对象,提出基于清根刀心轨迹的五轴球头刀螺旋刀位轨迹生成算法。首先建立局部坐标系,定义并确定中轴线,然后按层逐点创建投影射线,利用实体求交构造初始刀心螺旋轨迹;通过变步长迭代算法修正,使得刀心点距实体最短距离在加工精度范围内等于刀具半径。最后根据实体结构控制刀轴矢量,规划出无干涉的螺旋刀位轨迹。算例表明,本文算法统一了阻尼台加工与清根加工,避免了复杂偏置曲面片的构造,保证在加工过程中没有冗余进退刀的同时刀具不会过切叶身曲面,实现了阻尼台多曲面岛屿五轴球头刀高效精密加工。     

整体叶轮侧铣数控加工刀位轨迹生成新方法

为提高整体叶轮的加工质量和效率,提出了分段侧铣的方法,在每一段曲面上,基于斜等距曲面的原理,推导出叶片分段侧铣加工时刀位轨迹的生成和计算;并用计算仿真和刀心轨迹图对刀位进行了验证。结果表明,采用分段侧铣的方法,生成的刀位轨迹刀轴矢量变化均匀,刀轴未发生干涉,且加工效率和加工质量明显得到提高。     

复杂通道类零件五坐标加工全局干涉处理方法

 针对复杂通道类零件五坐标端铣加工中全局干涉问题,提出一种基于临界约束与临界位置精细化的干涉处理方法。通过分析刀杆碰撞干涉特点,以切触点处垂直于走刀方向平面与被加工曲面交线为基础,计算刀具的初始临界位置。在零件坐标系下,建立自动编程刀具轮廓函数,基于初始临界位置,选定与刀具临近点集。在刀具坐标系下,采用距离监视的方法计算点集到临界刀轴的距离,判断干涉点集,计算与之对应的刀具旋转角度集,选取最大的旋转角,从而确定出无干涉刀轴矢量。算例结果表明,该方法能够快速确定干涉检测范围,准确生成无干涉刀位轨迹。     

高缠绕叶轮流道4+1轴高效分段开槽方法

高缠绕叶轮流道的高效粗加工是提高整个叶轮加工效率和缩短生产周期的关键。针对高缠绕叶轮流道的粗加工,提出了一种4+1轴高效分段开槽方法。首先,给出了分段开槽加工方法的基本概念,并分析了高缠绕叶轮流道加工特点;然后,结合机床结构特征,给出了五轴机床在主轴摆角固定为常值时切削点处单点最大刀具尺寸的计算方法;基于各切削点加工特征参数的分析,采用聚类算法进行了叶轮流道加工分段区域的划分;最后,确定了各分段区域的可加工刀具尺寸和4+1形式的刀轴矢量。算例分析表明,提出的4+1轴分段开槽方法得到的开槽轨迹旋转轴变化均匀,材料去除量较传统开槽方法增加了32.5%,改善了切削过程稳定性,提高了叶轮的粗加工效率。     

基于中轴变换的型腔高速铣削刀具轨迹生成方法

框、梁、壁板、蒙皮等飞机关键零部件中包含大量型腔特征,其加工效率直接影响零件的整体加工效率。高速铣削机床的发展为此类零件的高效加工奠定了很好的硬件基础,也给型腔铣削刀具轨迹生成带来了新的问题。例如蒙皮镜像铣由于其特殊的设计,对刀具轨迹提出平滑无抬刀、步距变化严格控制在一定范围内等更严苛的要求,从而保证蒙皮高质量加工。结构件高速加工中为了保持刀具的高进给和高转速,也要求刀具轨迹平滑且步距平稳变化。然而现有的型腔铣削刀轨生成方法大多基于局部优化解决加工残余和刀轨不平滑问题,难以生成同时满足多工艺约束尤其是步距约束的刀具轨迹,无法完全发挥高速机床的性能。针对此问题,本文提出基于中轴变换的型腔高速铣削刀具轨迹生成及优化方法。该方法首先基于中轴变换提取型腔骨架线,并进一步修正从而生成刀轨偏置基准和初始刀轨。其次利用图像变形算法对初始刀轨进行迭代变形优化,使最终优化刀轨与目标型腔区域吻合,且满足高速加工的工艺约束条件。该方法在离散的图像域内从整体角度优化刀具轨迹,不仅保证轨迹平滑无抬刀,还能保证步距在容许范围内平稳变化。实验证明本文提出的方法在保证轨迹平滑和步距平稳变化等方面的有效性,能够满足高性能加工的要求。     

环面工具加工叶根过渡曲面的刀位可行域

利用环面工具加工过渡曲面时经常发生整体干涉,主要原因是缺乏对复杂环面工具加工复杂曲面时刀位可行域的研究。虽然采用常规的优化方法在大范围内对可行刀位进行搜索是可行的,但是需要耗费大量时间。为了避免刀具与过渡曲面的干涉并同时提高加工效率,研究了一种更加符合此区域结构特点的刀位优化算法,使得叶根过渡曲面得以无干涉地整体宽行加工。通过对典型叶根过渡曲面的可行刀位进行研究,发现其可行域形状为盾形,且行宽最大的刀位位于该盾形区域的两个底部边界上,有时位于该边界的端点上。根据该原理提出一种最优刀位搜索方法——沿着盾形区域底部边界搜索,应用最优化的刀位可行域以获得高的加工效率。以某航空发动机叶片的叶根过渡曲面为例进行了刀位优化计算、仿真和加工实验,验证了该方法在叶根过渡曲面加工中的有效性。     

叶片型面曲率属性对数控铣削加工过程的影响

提出了一种基于曲面曲率属性分析数控铣削加工过程的方法.该方法通过在构建的自由曲面上规划走刀轨迹,建立刀位轨迹等参数曲线,来分析等参数曲线曲率属性对加工干涉和加工带宽度的影响.同时,通过对刀位轨迹和残留高度与曲面曲率属性之间关系的研究,获得了影响数控铣削加工效率、加工精度及发生干涉的一些规律.此外,研究表明通过对刀具半径、残留高度与加工表面曲率之间的吻合关系曲线合理优化,可有效提高加工带宽度.试验结果证明该曲面曲率属性分析数控铣削加工过程的方法是有效的,加工效率可提高5%~8%.      

复杂曲面五坐标加工中双线驱动刀轨规划(英文)

针对目前利用包含环面刀具等多种刀具加工复杂曲面时普遍存在的不能实现一阶连续问题,本文提出了一种复杂曲面五坐标加工中双线驱动刀轨规划算法。该方法首先利用多点法来优化每一个刀位,从而获得整行刀轨的最大加工带宽,于是可以在工件曲面上确定两条驱动线。然后,在保证刀轨光顺的前提下,使刀具沿着两条驱动线滑动,且在每个刀触点处都重新定位刀具。最后,通过仿真和加工试验来验证该方法的有效性,并利用三坐标测量机对加工型面进行了测量,结果表明该方法能有效地消除相邻刀轨衔接处的尖锐残高、保证刀轨的光顺性和提高曲面的加工质量。     

复杂曲面边界槽五座标数控加工的刀位计算

以两种较简单的加工──交线及底曲面的刀位计算结果产生槽加工的刀位数据。提出了刀具位置边界槽及基于边界槽的刀位计算方法。该算法中刀心位置由底面加工的刀心轨迹相对边界槽裁剪而得;刀轴矢量由边界槽空间网格划分产生。提出并证明了用于获得无干涉的和均匀变化的刀轴矢量的空间网格划分的准则。本文算法可对带岛屿及复杂曲面边界的槽进行五座标数控加工的刀位计算。     

沿曲面交线多坐标数控加工的算法研究

分析了曲面交线加工中刀具的偏置类型,提出了新的交线加工刀位轨迹生成算法。该算法利用曲面跟踪求交算法计算两曲面交线,并根据交线处曲面局部微分几何性质推算刀具的初始位置,然后采用牛顿迭代算法精确刀位。该算法的优点是能够精确控制刀具与曲面的加工误差,可处理单支点、双支点偏置情况下球头刀、平底刀、圆角刀的交线域加工,算法稳定、统一。     

Dual Drive Curve Tool Path Planning Method for 5-axis NC Machining of Sculptured Surfaces

The problem of finished surface being not first-order continuous commonly exists in machining sculptured surfaces with a torus cutter and some other types of cutters. To solve this problem, a dual drive curve tool path planning method is proposed in this article. First, the maximum machining strip width of a whole tool path can be obtained through optimizing each tool position with multi-point machining (MPM) method. Second, two drive curves are then determined according to the obtained maximum machining strip width. Finally, the tool is positioned once more along the dual drive curve under the condition of tool path smoothness. A computer simulation and cutting experiments are carried out to testify the performance of the new method. The machined surface is measured with a coordinate measuring machine (CMM) to examine the machining quality. The results obtained show that this method can effectively eliminate sharp scallops between adjacent tool paths, keep tool paths smooth, and improve the surface machining quality as well as machining efficiency.     

端点误差控制刀位算法的改进

 对端点误差控制数控加工刀位算法进行了改进：采用2个端点间偏置距离代替它们的参数差值用于衡量加工带宽和进行加工误差控制，提出了一种新的采用循环迭代计算刀具旋转角度的方法，并给出了格点法对偏置方向角进行优化的过程；使得算法不受具体的曲面参数化方式影响，简化了刀具定位时计算量，刀位得到了充分的优化。利用UG二次开发技术进行的实例计算表明：设置走刀方向沿着曲面的最小主曲率方向比沿着曲面的最大主曲率方向加工带宽更宽，前者应该是该算法的最优走刀方向，而且沿着最优方向走刀的优化刀位和多点切触加工算法得到的加工刀位一致,该算法也比多点切触加工算法有更大的适应性。     

A new error-controllable method for smoothing the G01 commands

In real machining, the tool paths are composed of a series of short line segments, which constitute groups of sharp corners correspondingly leading to geometry discontinuity in tangent. As a result, high acceleration with high fluctuation usually occurs. If these kinds of tool paths are directly used for machining, the feedrate and quality will be greatly reduced. Thus, generating continuous tool paths is strongly desired. This paper presents a new error-controllable method for generating continuous tool path. Different from the traditional method focusing on fitting the cutter locations, the proposed method realizes globally smoothing the tool path in an error-controllable way. Concretely, it does the smoothing by approaching the newly produced curve to the linear tool path by taking the tolerance requirement as a constraint. That is, the error between the desired tool path and the G01 commands are taken as a boundary condition to ensure the finally smoothed curve being within the given tolerance. Besides, to improve the smoothing ability in case of small corner angle, an improved local smoothing method is also proposed by symmetrically assigning the control points to the two adjacent linear segments with the constrains of tolerance and G3 continuity. Experiments on an open five-axis machine are developed to verify the advantages of the proposed methods.     

复杂曲面零件五轴加工刀轴整体优化方法

 针对复杂曲面零件五轴加工中刀轴矢量变化剧烈、严重影响工件表面加工质量的问题,提出一种基于临界约束的五轴刀轴矢量整体优化方法。首先,构造了给定切触点处所有可行摆刀平面,并在摆刀平面内根据临界约束计算出临界刀轴矢量,在获得临界刀轴矢量的基础上,对其进行平面映射,建立了刀轴摆动的初始可行域;其次,通过对初始可行域进行均匀离散,根据离散点之间相对位置关系构造邻接矩阵,并结合最短路径搜索算法获得了初始参考刀轴,从而构造了新的刀轴摆动可行域;最后,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,实现自由曲面五轴加工无干涉刀轴矢量的光滑控制。两种自由曲面叶轮的加工算例分析表明,采用本文方法获得的刀轴矢量可以明显改善机床的运动性能,避免了刀具干涉的产生,可提高复杂曲面零件的加工质量与效率。     

虚拟制造系统中球头铣刀磨损预测

基于球头铣刀铣削方式及铣削参数的特点,应用微分理论基本方法提出了一种虚拟制造系统中球头铣刀磨损预测的数学模型,为提高虚拟制造系统的真实感和实时性奠定了基础.     

Four-axis trochoidal toolpath planning for rough milling of aero-engine blisks

The Blade Integrated Disk (Blisk) is one of the key components in the aero-engine, it is generally manufactured by the multi-axis milling and almost 90% raw materials are removed. To avoid the full immersion of a cutter in the rough machining of a blisk channel, the trochoidal milling is a promising strategy since it can keep a small immersion angle in the rough milling process while maintaining the high machining efficiency. However, while toolpaths are being planned for the trochoidal milling process, the conventional methods are mainly for the planar machining area with fixed tool orientations, which cannot be used for complex channels where the multi-axis machining should be employed. To this end, this paper presents a four-axis trochoidal toolpath planning method with a ball-end cutter, and thus the blisk channel can be machined efficiently. For this to happen, the trochoidal paths are planned in the parametric domain and then mapped into the physical domain, with tool orientations controlled by the quaternion interpolation method to have smooth tool movement along the toolpaths. Both geometric simulation and physical milling experiments of the proposed method have convincingly demonstrated the validation of the proposed method.     

基于Z-map模型的球头铣刀铣削力建模与仿真

对球头铣刀铣削力建模进行了研究。在Z-map仿真模型的基础上,提出了识别加工中参与切削的切削刃单元的方法,通过考虑刀具偏心和刀具变形对瞬时切削厚度的影响,推导出了瞬时切削厚度的表达式,由铣削力和切削负载之间的关系,建立了球头铣刀三轴铣削力仿真模型。铣削力仿真计算与铣削实验的对比表明在考虑刀具偏心和刀具变形后所建立的铣削力模型能够对铣削力进行准确的预测。     

基于特征的蒙皮镜像铣加工残区刀轨优化方法

镜像铣加工装备及其加工工艺是蒙皮零件加工的有效手段,其特殊工艺对加工刀轨提出了等步距、无交叉、无抬刀且无残留等特殊要求。针对蒙皮零件加工特征的复杂形状,在满足等步距、无抬刀、无交叉的条件下对加工残留区域进行刀轨优化是一个难题。为解决以上难题,本文提出了一种基于特征的蒙皮镜像铣加工残区刀轨优化方法。该方法基于特征将蒙皮零件的工艺信息与几何信息相关联,自动提取加工特征的加工面及其对应的刀轨,将刀轨分割成若干段子刀轨,并构建子加工区域,再利用布尔并运算得到最终可加工区域。然后对加工面区域与最终可加工区域求布尔差识别出加工残留区域,并根据加工残区位置自适应生成满足蒙皮镜像铣特殊要求的优化刀轨。以典型复杂蒙皮零件验证本文提出的方法,结果表明,基于特征的蒙皮镜像铣加工残区刀轨优化方法可自动识别加工残区,并生成满足蒙皮镜像铣特殊要求的加工残区优化刀轨,为提高蒙皮零件数控编程效率提供技术支撑。