多轴加工刀轨最优行距计算方法研究

以五轴加工为例,对多轴加工行距提出了一套刀轨最优行距计算方法。该方法通过推导五轴加工刀具运动刃口回转面包络方程,计算相邻轨迹刀具包络面的交线,即残余凸台的顶尖线,进一步计算该线到加工曲面的距离,从而得到最大残余高度值,由此判断当前行距的优劣,据此进行进一步的搜索,最终得到最优的行距。     

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。     

复杂母线鼓形刀具宽行侧铣加工算法

基于宏域曲率吻合原则充分优化刀具参数,以鼓形刀有效特征线段上一端点与加工曲面的误差偏置面重合进行初步定位,通过调整鼓形刀具上有效特征线段端点的位置及刀具在该点绕曲面表面法矢方向和走刀方向旋转的角度以避免干涉和实现刀位优化,最终获得行宽为最大的无干涉刀位。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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.     

自由曲面侧铣刀具轮廓与轨迹同步优化方法

针对自由曲面侧铣加工中轨迹规划困难、加工精度难保证等问题，提出了一种自由曲线母线类刀具的外形轮廓设计方法。该方法在优化刀具轮廓的同时，充分考虑了加工过程中的工件精度和刀轴光顺性问题，实现了自由曲线母线类刀具的形状设计和对应侧铣加工轨迹的生成。首先，通过分别定义刀具轮廓母线和刀轴轨迹面实现对刀具形状和侧铣加工轨迹的表达，并由此计算切削行上刀具工件干涉量来评价加工误差，以刀轴轨迹面能量评价刀轴光顺性，建立了基于加工误差和刀轴光顺性的刀具轮廓与加工轨迹的同步优化模型；其次，为实现对同步优化模型的求解，给出了基于序列逼近法的求解策略，以及优化初值中刀轴轨迹面控制参数和刀具轮廓控制参数获取方法；最后，分别通过加工轨迹规划实验和刀具轮廓设计实验，验证了本文算法在在自由曲面四轴侧铣加工刀具轮廓设计与加工轨迹优化中的正确性及有效性。研究成果为提高自由曲面类零件侧铣加工精度、实现侧铣加工刀具轮廓设计及侧铣加工轨迹规划提供了一种有效的方法和手段。     

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。     

Positioning method of a cylindrical cutter for ruled surface machining based on minimizing one-sided Hausdorff distance

Motivated by the definition of the machining errors induced by tool path planning methods, a mapping curve of the tool axis of a cylindrical cutter is constructed on the tool surface.The mapping curve is a typical one that can be used to express the closeness between the tool surface and the surface to be machined. A novel tool path planning method is proposed for flank or plunge milling ruled surfaces based on the minimization of the one-sided Hausdorff distance(HD) from the mapping curve to the surface to be machined. It is a nonlinear optimization problem in best uniform approximation(BUA) or Chebyshev sense. A mathematical programming model for computing the minimum one-sided HD is proposed. The linearization method of the programming model is provided and the final optimal solutions are obtained by simplex method. The effectiveness of the proposed BUA method is verified by two numerical examples and compared with the least squares(LS) and double point offset(DPO) methods. The variation in tool orientation induced by the optimization of the tool positions is also evaluated.     

闭式整体叶盘通道五坐标分行定轴加工刀轴矢量规划方法

闭式整体叶盘是新一代航空发动机实现减重增效的关键零件,其通道结构属于典型多约束复杂通道结构。针对闭式整体叶盘通道精加工,提出了一种基于五坐标分行定轴加工的刀轴矢量规划方法。从加工原理上给出了分行定轴加工方法的基本概念,并分析了闭式整体叶盘通道五坐标加工的特征;在刀具预定义和建立检查面球体包围盒层次树结构的基础上,给出了刀轴矢量无干涉区域的计算方法;基于刀位点最短刀长的计算与分析,进行了叶盘通道加工区域划分,建立了分行定轴加工刀轴矢量规划方法。实验验证表明:分行定轴相对五轴联动加工方法不仅可明显提高加工过程中的稳定性和叶片加工表面质量,还可提高叶片精加工效率。     

叶轮四坐标数控加工中刀轴矢量的计算

对于任意曲面叶轮的四坐标加工，提出了一种计算刀轴矢量的方法。由于四坐标铣床自由度的限制，根据曲面上接触点的几何量计算出的刀轴矢量，不一定能在四坐标系床上实现。以四坐标铣床的主轴位置为初始刀轴矢量，以倾斜工作台的法矢量为旋转轴，形成一组刀位矢量，这些矢量组成一个锥形面；在这组矢量中，求出与由曲面几何量计算出的刀轴矢量最相近的矢量，并且使刀具处于该刀轴矢量时与叶片不发生干涉，将这个矢量作为最终的刀轴矢量。     

自由曲面叶轮的四坐标数控加工研究

 针对自由曲面叶轮的四坐标加工，提出了一种刀轴矢量的确定方法。给定工作台倾斜角度和刀具后跟角，四坐标加工的刀轴矢量必然位于这两个角度确定的两个圆锥面上。通过对两个圆锥面求交并结合叶轮加工的实际特点，给出了自由曲面叶轮四坐标加工刀轴矢量的计算方法。根据得到的刀轴矢量，计算相应的侧偏角，从而可将五坐标加工的理论和方法直接应用于四坐标加工中。算例表明，该方法合理可行，能够有效提高四坐标加工效率、降低叶轮加工成本，并可推广至一般曲面的四坐标加工以及五轴四联动加工。