一个面向5轴曲面加工的实时NURBS曲面插补器

提出了一个实时非均匀有理B样条(NURBS)曲面插补器,论述了5轴平头刀加工方法运用Taylor展开和坐标变换方法分别推导并实现了NURBS插补、刀具有效加工半径、刀具补偿以及逆运动变换等算法。与传统自由曲面加工不同的是,所提出的插补器能根据刀触点进给率而非刀位点进给率实时生成计算机数控(CNC)机床运动指令。对实例零件曲面进行演示与仿真分析结果表明该曲面插补器可以应用于5轴曲面加工中。     

角速度可控的五坐标NURBS插补方法实现(英文)

在复杂形体零部件的高速高精数控加工方面,五坐标数控机床起着非常重要的作用。为了适应高速加工的需要,提出了一种用于机床五坐标加工的非均匀有理B样条(NURBS)插补指令。采用该插补指令进行数控加工时,为了获取实时加工过程中的刀位矢量,开放式控制器以相邻刀位矢量间的夹角为参数构造方位B样条曲线。构造映射插补过程中位置曲线弧长和方位矢量角度的多项式曲线,利用该曲线实现线性轴速度及旋转轴速度的同步控制。详细介绍了该插补指令的算法流程及其在开放式控制器中的实现过程。最后,通过加工实例验证了该插补指令的性能。     

NURBS曲线插补算法在圆弧插补中的分析与实现

NURBS曲线插补技术是目前高档数控机床研究的一个热点问题,针对传统插补方法中存在的精度低,速度慢的缺点,本文在分析NURBS曲线特点的基础上,提出了一种基于轮廓误差调整的圆弧曲线插补算法,实时修正插补参数,减小轮廓误差,并进行了仿真实现。通过与传统插补方法对比实验表明,该方法可以极大提高圆弧曲线的插补精度及插补效率,满足插补运算实时性的要求。     

S形加减速的嵌套式前瞻快速算法

前瞻处理功能是现代数控系统的标志性功能之一,前瞻算法设计直接关系到数控机床的加工效率和运动平稳性。针对目前广泛研究的S形加减速前瞻算法复杂、难以满足实时性要求的问题,从工程实现的角度设计了嵌套式自适应前瞻算法。依据S形加减速曲线的对称性建立了速度规划模型,通过对加速度等效曲线逼近提高了模型求解效率,给出了S形速度规划曲线构造和校验两主要运算阶段的解析解。以连续短直线加工为例,给出了完整的嵌套式快速前瞻算法和实例加工验证。实验结果表明,所提出的算法能获得全局最优运动效率,计算量不足传统方法的30%,结果精确,耗时稳定,能满足现代数控系统甚至是高速高精度数控系统对前瞻处理的实时性要求。给出的解析结果对S形加减速模型的求解有通用意义,可适用于连续短直线、二次曲线以及非均匀有理B样条曲线(NURBS)等参数曲线的S形加减速前瞻速度规划。     

连续短线段空间圆弧转接与插补

针对连续短线段高速加工控制需求,研究了利用空间圆弧转接实现高速插补的方法。建立了圆弧转接数学模型,研究了转接的几何约束和运动约束、转接参数计算、空间圆弧插补等相关理论与算法,并详细分析了算法的使用范围、效率制约因素和计算量等工程实现相关问题。仿真和加工实验表明:该转接算法能显著提高加工效率,减小振动,改善工件表面质量。作为空间圆弧转接算法基础的空间圆弧插补算法对空间任意平面内圆弧插补具有实用价值。本文所有算法已经在自主研发的数控平台上进行了验证,应用效果良好。     

含孤岛型腔铣削加工的螺旋刀轨生成算法

当型腔含有孤岛时,使用传统环切铣削方法加工往往难以避免拐角方向存在突变的问题,故提出一种螺旋刀轨生成算法,实现含凸边界孤岛型腔的快速铣削加工。首先在孤岛和型腔的加工轮廓上设置放样点,将放样点连接成放样线,线性插值放样线生成螺旋折线;接着插入以指数函数规律分布的控制顶点,并以其所定义的任意阶B样条曲线规划最终刀轨。所生成的刀轨能适应孤岛偏心的情况。实验结果显示,与传统环切相比,高阶连续的B样条曲线刀轨可直接用于具有NURBS插补功能的加工中心,孤岛轮廓的加工精度高,可有效避免刀轨方向突变,降低切削力的变化幅度,提高加工效率。     

型腔铣削加工光滑螺旋刀轨生成算法

 针对传统行切、环切刀轨存在方向突变的拐角,不适用于型腔快速铣削的问题,提出一种新的刀轨生成算法。首先通过线性插值型腔边界的等距多边形生成螺旋状折线,然后以指数函数分布规律插入控制顶点,以这些控制顶点所定义的B样条曲线为基础规划最终刀轨。所生成刀轨不需要离散成大量小直线段即可直接用于具有NURBS插补功能的高速数控系统;另外,刀轨可以任意阶连续,从而减小切削力的变化幅度,避免方向突变,提高加工效率和加工精度。     

多轴联动条件下插补速度实时可调的前瞻控制算法

针对目前多轴联动条件下S形加减速算法复杂,一条插补线段内最大进给速度不能实时可调的问题,提出了一种插补速度实时可调的前瞻控制算法。算法首先根据机床特性和线段夹角建立了小线段衔接处进给速度的约束条件,然后采用加速度跟随原理提出了最大进给速度连续可调的S形加减速控制方法,在此基础上设计了一种加速度自适应调整的前瞻处理算法。该算法在不降低轨迹插补精度的前提下,能以最大的速度通过线段的转接点,从而使整个线段插补过程具有高度的柔性和快速性,能满足现代数控系统对前瞻处理的实时性要求。结果表明该算法有效降低了机床运动时的振动,与传统速度规划算法相比,同等加工条件下,加工效率明显提高,工件表面质量也得到改善。     

开放式数控系统中五轴样条插补功能的实现方法(英文)

针对现行复杂曲面加工常采用的五轴联动线性插补方法速度精度较低且数控文件大等缺点,利用非均匀有理 B 样条(NURBS)曲线在表示空间曲线时具有的优势,提出了一种适合于五轴联动实时插补运算的双 NURBS 曲线指令格式。同时介绍了这种格式数控代码的生成过程。给出了在自行研制的开放式数控系统中实现其插补功能的方法。通过实例表明所提出的方法完全可以克服五轴线性插补方法的不足之处,并且是切实可行的。     

Realization Methodology of a 5-axis Spline Interpolator in an Open CNC System

By making use of the advantages of non-uniform rational B-spline （NURBS） curves to represent spatial curves, an instruction format with double NURBS curves suitable for 5-axis coordinated real-time interpolation is presented to replace the current 5-axis coordinated linear interpolation method defective in low-speed, low-accuracy and enormous numerical control （NC） files in sculptured surface machining. A generation procedure of the NC files with the presented format is introduced and the method to realize the interpolation in an open computer numerical control （CNC） system is developed by ourselves. These illustrated the feasibility of the proposed method and its capability of avoiding all the shortages of 5-axis linear interpolation method.     

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。     

用于五坐标加工的样条插补控制器及其在开放式数控系统中的实现(英文)

为满足复杂形体件高速高精数控加工的需要,在自行研制的开放式数控系统中开发了具有曲线插补功能的五坐标机床控制器。介绍了该曲线插补功能的指令格式及数控文件的编制过程。在控制器内部生成的位置矢量插值曲线和方位矢量插值曲线二阶连续,且该两曲线中立于逆机床运动。通过配置相应的运动变换模块,该控制器可适应任意形式五坐标机床。位置样条曲线采用截断的泰勒级数展开式进行实时离散计算。通过建立位置样条曲线参数和方位样条曲线参数的对应关系,使得加工过程中平动轴和旋转轴协调运动。通过实际加工验证了该控制器的性能。     

大型非球曲面光学零件步长伸缩双圆弧插补技术研究

提出了一种适用于非球曲面光学零件数控加工的“步长伸缩双圆弧插补”的插补算法,采用转角平分法在非圆曲线两相邻节点之间构造两相切圆弧进行拟合。该算法可根据加工精度要求自动调节插补步长,能在满足加工精度的要求下获得最少的拟合圆弧段,从而提高了加工效率,且计算相对简单。     

Constructing G~2 Continuous Curve on Freeform Surface with Normal Projection

This article presents a new method for G～2 continuous interpolation of an arbitrary sequence of points on an implicit or parametric surface with prescribed tangent direction and curvature vector,respectively,at every point.First,a G～2 continuous curve is constructed in three-dimensional space.Then the curve is projected normally onto the given surface.The desired interpolation curve is just the projection curve,which can be obtained by numerically solving the initialvalue problems for a system of first-order ordinary differential equations in the parametric domain for parametric case or in three-dimensional space for implicit case.Several shape parameters are introduced into the resulting curve,which can be used in subsequent interactive modification so that the shape of the resulting curve meets our demand.The presented method is independent of the geometry and parameterization of the base surface.Numerical experiments demonstrate that it is effective and potentially useful in numerical control (NC) machining,path planning for robotic fibre placement,patterns design on surface and other industrial and research fields.     

数控加工运动的平滑处理

为了满足高速加工的要求,提出假设圆弧过渡法来处理两相邻运动矢量拐角处的速度,过渡小圆弧的半径能随加工精度的变化而自动地调整,通过限制加工小圆弧的最大速度来限制拐角处的速度,利用超前分析的方法,根据减速所需的最大距离提出了一种多程序段运动平滑算法,实现进给速度提前减速,从而防止刀具在拐角处发生过载,并有效地减少了工件形状在拐角处,或小半径圆弧的加工误差;用等效的梯形加减速方法实现了S型曲线加减速的分析,导出了S型曲线加减速实时精确的插补算法,从而克服了用查表法来近似计算速度的缺点。这些算法简单、有效,已在最新开发的高速铣床上得到应用。在高速加工时获得了高的加工精度。     

直摆头与斜摆头五坐标机床数控加工程序互换求解算法

 针对复杂结构零件五坐标加工设备变更带来的程序处理问题,分析讨论了直摆头-转台式和斜摆头-转台式两种五坐标机床之间的数控加工程序互换求解算法。根据不同的机床结构,建立了机床坐标系之间的对应关系;基于机床自动跟踪模式下的数控加工程序后置处理和逆后置处理方法,提出了机床之间数控加工程序的互换算法;采用单步距走刀时间不变的控制方式,给出了加工进给速度的互换算法,实现了程序转换对工艺参数的继承。实际应用验证表明,该算法可有效解决直摆头与斜摆头五坐标机床数控加工程序之间的互换问题。     

飞机蒙皮机器人化制造曲面分片算法研究

为实现飞机曲面机器人加工的自动轨迹规划,研究了基于模型几何特征的飞机曲面分片算法。通过分析飞机构件加工的工艺参数信息,以表面加工允许的最大曲率或最大偏角为阈值,提出基于近似曲率的三角网格模型分片方法。以三角网格中任意面片为起点,沿网格邻接关系向外拓展联接,形成若干近似平面化的模型分片结构,当超过阈值时则停止拓展,从而得到一整片曲面。通过对飞机CAD模型进行分片,发现采用本文提出方法可以保证分片结果的均匀性,为后期加工轨迹自动规划规划提供保障。     

Feedrate scheduling method for constant peak cutting force in five-axis flank milling process

It is extremely important to select appropriate feedrates for the stable machining of parts with ruled surface in modern aviation industrial applications. However, the current studies take too much time to achieve this goal. Therefore, this paper presents an efficient feedrate optimization method for constant peak cutting force in five-axis flank milling process. The solution method of the instantaneous undeformed chip thickness (IUCT) is proposed using least squares theory with the cutter entry angle and feedrate as variables. Based on this method, an explicit analytical expression of the peak cutting force for each cutting point is established. Furthermore, a feedrate scheduling method is developed to quickly solve the appropriate feedrate under constant peak cutting force. To verify the proposed IUCT model, the fitting IUCT is compared with the accuracy data at different feedrates. Additionally, some experiments of five-axis flank milling are conducted to demonstrate the effectiveness of the peak force model and the feedrate scheduling method. And the surface roughness before and after feedrate scheduling is detected. The results show that the proposed feedrate scheduling method can quickly adjust the feedrate and ensure constant peak force during machining. At the same time, the surface quality is kept at a high level.     

具有公共三次曲线的NURBS曲面片G2光滑拼接算法

非均匀有理B样条(NURBS)曲线、曲面造型理论是当前最先进的几何造型方法之一，大量基于NURBS的实用造型系统得到发展。对NURBS而言，虽然具有参数连续性，但为了实用需要，仍需构造具有一定光滑程度的合成曲面，满足局部设计和修改的目的。在作给出的具有公共三次曲线的NURBS曲面片G^1光滑拼接算法基础上，给出了具有公共三次曲线的NURBS曲面片G^2光滑拼接条件，得到了相应控制顶点、权系数的具体算法；对于一个已知NURBS曲面，构造另一个NURBS曲面，使其达到G^2拼接是简单易行的。     

Path,feedrate and trajectory planning for free-form surface machining: A state-of-the-art review

Nowadays, free-form surfaces have been widely used in various industrial fields. They are usually machined by CNC machine tools, but recently have also begun to be manufactured by industrial robotic arm manipulators, thanks to low cost, large operation reaching space and high machining flexibility of robot. So far, various methodologies have been proposed to improve efficiency and quality of free-form surface machining, thus this paper aims at providing a state-of-the-art review on research advances in free-form surface machining. In this review, tool path generation, feedrate scheduling in Cartesian space and trajectory planning in joint space are focused for both CNC machining and robot machining, and their research statues, existing difficulties and key issues are discussed in detail. Finally, the feasible routes, breakthrough points and future development trend are also expounded.