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.     

基于测量数据的雕塑曲面数控粗加工

提出一种新的雕塑曲面数控粗加工刀位规划方法。被加工曲面用多面体模型来描述 ,采用分层切削方法加工。在各切削层分别用一个参考平面与毛坯和曲面模型求交 ,根据各相交环之间的拓扑关系 ,求出有效加工区域 ,利用数控编程自动生成粗加工刀具轨迹 ,并进行干涉检查和修正。该方法成功地解决了层切法加工雕塑曲面时不能处理岛中岛的难题。     

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。     

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%.      

突发威胁下的航迹规划问题研究

提出采用一种结合三角网格退化、变域动态规划以及航迹优化的方法来解决突发威胁下的航迹规划问题。针对无人飞行器航迹规划中应对突发威胁存在时间延迟过长问题,采用一种速度较快的退化网格方法,有效提高了重规划的速率。在动态规划中,采用一种有向变域动态规划方法,进一步缩短了路径生成的时间。仿真结果显示,该方法能有效减少时间延迟过长问题,并满足地形回避和威胁回避的要求。     

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。     

基于罚函数序列凸规划的多无人机轨迹规划

多无人机（UAVs）轨迹规划是具有非线性运动约束和非凸路径约束的最优控制问题。引入序列凸规划思想,将非凸最优控制问题近似为一系列凸优化子问题,并利用成熟的凸优化算法进行求解,以更好地权衡最优性和时效性。首先,建立了多无人机协同轨迹规划的非凸最优控制模型。然后,利用离散化和凸近似方法将其转换为凸优化问题,包括对无人机运动模型的线性化,以及对威胁规避约束和无人机碰撞约束的凸化。同时,提出了一种离散点间的威胁规避方法,保证无人机在离散轨迹点间的飞行安全。在凸优化模型的基础上,给出了基于罚函数序列凸规划求解多无人机轨迹规划的具体框架。最后,通过数值仿真验证了方法的有效性,结果表明该方法在多机轨迹规划结果的最优性和时效性都要优于伪谱法,而且优势随编队数量的增加而增大。     

Tool path planning based on conformal parameterization for meshes

The similarity property of conformal parameterization makes it able to locally preserve the shapes between a surface and its parameter domain, as opposed to common parameterization methods. A parametric tool path planning method is proposed in this paper through such parameterization of triangular meshes which is furthermore based on the geodesic on meshes.The parameterization has the properties of local similarity and free boundary which are exploited to simplify the formulas for computing path parameters, which play a fundamentally important role in tool path planning, and keep the path boundary-conformed and smooth. Experimental results are given to illustrate the effectiveness of the proposed methods, as well as the error analysis.     

基于压缩量偏差约束的整体叶盘砂布轮数控抛光路径规划

数控抛光是实现整体叶盘叶片表面光整加工自动化、高效化的关键技术,而抛光路径规划对表面质量有着显著的影响。在抛光曲面时,砂布轮沿接触曲线上的径向压缩量偏差导致材料去除量一致性较差。针对该问题,提出一种基于压缩量偏差约束的路径规划方法。通过对砂布轮受曲面挤压变形几何分析,建立了自由曲面抛光接触线上砂布轮压缩变形量分布模型。在给定刀触点处,以接触曲线上最大压缩量偏差最小化为评价指标构建了刀轴矢量优化模型,并利用改进的粒子群优化（PSO）算法进行求解。基于最优刀轴矢量,完成自由曲面上等参数相邻刀触轨迹曲线的计算。最后,通过数据对比和试验,验证了所提方法的正确性和有效性。结果表明,抛光区域的轮廓度、粗糙度均得到明显的改善。     

基于改进多元优化算法的动态路径规划

为满足动态路径规划实时性强和动态跟踪精度高的需求,提出一种基于能够同时发现并追踪多条最优以及次优路径的改进多元优化算法(IMOA)的求解方法。首先,通过利用贝赛尔曲线描述路径的方法把动态路径规划问题转化为动态优化问题;然后,把相似性检测操作引入到多元优化算法(MOA)中,增加算法同时跟踪多个不同最优以及次优解的概率;最后,用IMOA对贝赛尔曲线的控制点进行寻优。实验结果表明:当最优路径由于环境变化而变为非优或者不可行时,利用IMOA对多个最优以及次优解动态跟踪的特点,能够快速调整寻优策略对其他次优路径进行寻优以期望再次找到最优路径;其综合离线性能较其他方法也有一定的提高。因此,IMOA满足动态路径规划的实际需求,适用于解决动态环境中的路径规划问题。     

复合加载下加劲板疲劳裂纹扩展研究

本文以含倾斜裂纹平板和加劲板为实验模型,进行了平板和加劲板Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹疲劳扩展实验。本文提出了复合型加劲板应力强度因子的工程算法,并利用S法和应变准则进行寿命估算,对扩展路径以及线切割预制和疲劳预制裂纹的异同进行了讨论。 实验与计算的结果表明,本文提出的复合型加劲板应力强度因子算法是一种较好的工程算法,应变准则应用于疲劳问题以估算寿命,其结果相当令人满意。     

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。     

轮廓度约束下近净成形叶片余量优化方法

针对近净成形的叶片在自适应精加工中余量不均这一问题,提出了考虑叶型截面线轮廓度公差约束的余量优化方法。在设计基准与加工基准配准的条件下,改变工件做刚性位移的余量优化思路,建立一种新的叶身优化模型,避免优化后叶片检测处的截面线超出轮廓度公差,提升叶片余量优化阶段寻找到目标加工曲面的能力。最后以某压气机叶片为例进行验证,此方法不仅能够保证叶身加工余量,还能同时满足型面检测处的轮廓度公差,为近净成形的叶片在自适应加工中提供一种新的余量优化方法。     

Adaptive path planning for unmanned aerial vehicles based on bi-level programming and variable planning time interval

This paper presents an adaptive path planner for unmanned aerial vehicles (UAVs) to adapt a real-time path search procedure to variations and fluctuations of UAVs’ relevant performances, with respect to sensory capability, maneuverability, and flight velocity limit. On the basis of a novel adaptability-involved problem statement, bi-level programming (BLP) and variable planning step techniques are introduced to model the necessary path planning components and then an adaptive path planner is developed for the purpose of adaptation and optimization. Additionally, both probabilistic-risk-based obstacle avoidance and performance limits are described as path search constraints to guarantee path safety and navigability. A discrete-search-based path planning solution, embedded with four optimization strategies, is especially designed for the planner to efficiently generate optimal flight paths in complex operational spaces, within which different surface-to-air missiles (SAMs) are deployed. Simulation results in challenging and stochastic scenarios firstly demonstrate the effectiveness and efficiency of the proposed planner, and then verify its great adaptability and relative stability when planning optimal paths for a UAV with changing or fluctuating performances.     

航空发动机叶片叶缘随形磨抛刀路规划

航空发动机叶片是整机核心零件,其制造量占到30%以上。叶片叶缘具有大弯扭复杂曲面、薄壁圆角半径微小渐变、精度要求苛刻等特征,末端工序磨抛的精度和品质直接决定整机的性能与寿命。人工仍然是叶片叶缘磨抛的主要手段,然而粉尘危害健康、经验依赖性强、零件一致性差等不足决定了自动化磨抛是必然趋势。叶片叶缘自动化磨抛多采用砂轮横磨或纵磨的刀路规划方式,存在刀路不连续且分行密集、力控制困难等不足,易造成叶缘局部过切,难以保证圆角轮廓创成。为此,建立了砂带包络叶缘的螺旋进给力控磨抛工艺,提出了面族与复杂曲面高阶切触的随形磨抛路径规划方法,实现了叶片叶缘的宽行高效磨抛。首先对叶缘区域进行横磨刀路规划,然后依照圆弧拟合曲线原理进行高阶切触式包络段再规划,最后进行横纵混合磨抛路径规划实现螺旋式连续进给。针对航空发动机叶片开展仿真和实验验证,结果表明所提出的方法相比于传统的横磨或纵磨方法,可将刀触点减少78.8%,轮廓精度由-0.06~+0.07 mm提高到-0.015~+0.05 mm,表面粗糙度由R_a>3.2 μm提高到0.175 μm,并且有效保证了叶缘轮廓形状,避免了过切现象。     

5轴自由曲面上加工行距的计算方法研究

根据刀具扫掠曲面方程和设计曲面上等残留高度的等距曲面方程,讨论了一种精确的等残留高度 加工带宽计算方法,由此确定出加工行距;且该方法可为局部干涉检测提供必要的数学基础。     

一种机器人砂带磨削的路径规划方法(英文)

机器人砂带磨削系统具有弹性接触和宽行加工两个显著优点,被广泛应用在具有复杂工件的终加工领域,提高表面质量和加工效率。有关在曲率约束下的磨削路径规划研究较为少见。由于工件与接触轮之间存在复杂的弹性接触,因此,机器人磨削路径可以利用接触运动学的一般方法来求解。机器人砂带磨削过程且需要满足一般的砂带磨削工艺要求,其中最重要的是保证接触轮与工件的局部几何特征贴合。在曲率较小的局部,相邻刀位点的弧长加大,以保证加工效率。相反地,在曲率较大的局部,相邻刀位点的弧长较小,以保证加工精度。利用一系列平面与目标曲面相截,得到相应的截平面的轮廓曲线。对于任意一条轮廓线,优化相邻刀位点之间的弧长,在曲率较大的局部增加一个中间刀位点。本文提出了一种包含弧长优化和主曲率匹配的磨削路径生产方法,通过离线仿真验证了有效性,并利用该方法提高了曲面的磨削质量。该路径规划方法为生成光顺且精确的机器人曲面磨削路径提供了理论依据。     

固定翼无人机编队的启发分布式模型预测控制

针对无人机编队飞行控制中队形保持、路径规划、重构、防撞等多重功能需求,采用启发型分布式模型预测控制框架,将需求转化为多目标优化问题中的代价函数与相容性约束求解,实现了对无人机编队飞行的一体化控制.同时,采用分阶段式的轨迹规划算法,融合模型预测轨迹规划与多项式轨迹规划,利用多项式轨迹系数实现高效的邻居轨迹信息交互,从而增大了模型预测控制的预测范围,并降低了规划控制过程中的计算量与通信量.最后,通过9架无人机的协同避障编队仿真,证明了该方法的有效性.     

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。     

Hypersonic reentry trajectory planning by using hybrid fractional-order particle swarm optimization and gravitational search algorithm

This paper proposes a novel hybrid algorithm called Fractional-order Particle Swarm optimization Gravitational Search Algorithm (FPSOGSA) and applies it to the trajectory planning of the hypersonic lifting reentry flight vehicles. The proposed method is used to calculate the control profiles to achieve the two objectives, namely a smoother trajectory and enforcement of the path constraints with terminal accuracy. The smoothness of the trajectory is achieved by scheduling the bank angle with the aid of a modified scheme known as a Quasi-Equilibrium Glide (QEG) scheme. The aerodynamic load factor and the dynamic pressure path constraints are enforced by further planning of the bank angle with the help of a constraint enforcement scheme. The maximum heating rate path constraint is enforced through the angle of attack parameterization. The Common Aero Vehicle (CAV) flight vehicle is used for the simulation purpose to test and compare the proposed method with that of the standard Particle Swarm Optimization (PSO) method and the standard Gravitational Search Algorithm (GSA). The simulation results confirm the efficiency of the proposed FPSOGSA method over the standard PSO and the GSA methods by showing its better convergence and computation efficiency.