基于运动学约束的刀轴矢量优化研究

针对五轴数控加工中由于避免全局干涉而带来的刀轴矢量变化过大的问题,提出了向前、向后修正的平缓过渡方法,优化刀轴矢量的变化。建立了机床旋转轴角速度约束条件,并且在每一刀触点处建立进给坐标系,通过在进给坐标系下调整已有刀轴矢量的倾角和摆角使得相邻刀触点间的刀轴矢量变化满足机床旋转轴运动学要求,保证刀具轨迹上进给率的连续性。算法仿真和算例分析表明,所提出的方法合理可行,能使刀轴矢量变化光顺,保证了加工过程的平稳和高效。     

最小非线性插补误差约束的多轴侧铣刀轴矢量优化

机床运动轴的线性插补会导致刀具位置及刀轴矢量的非线性插补,造成的非线性误差是影响曲面侧铣精度的重要因素。为减少刀轴矢量非线性插补造成的侧铣加工误差,建立转台旋转-刀轴偏差角模型,证明当机床旋转轴线性联动时刀轴矢量的插补一定是非线性的,并提出刀轴矢量线性插补的条件。在加工坐标系中建立球面坐标系,讨论相邻插补刀轴矢量在球面坐标系中的经纬度差异,以及对刀轴偏差角的影响。通过计算知相邻刀轴矢量的夹角与刀轴最大偏差角不呈单调关系。提出相邻刀轴矢量平均纬度最小化的优化目标;通过改变工件装夹姿态,满足优化条件。以典型叶片曲面类零件的曲面侧铣加工为例,验证刀轴矢量线性插补的约束条件。利用BC轴转台式机床进行加工,借助优化刀轴矢量在转台旋转-刀轴偏差角模型中的平均纬度,验证所提方法的有效性。     

Bézier曲线在五轴直线插补刀路优化中的应用

为了解决五轴机床直线插补过程中,机床抖动及进给轴速度与加速度不连续等实际问题,对五轴直线插补刀路转接光顺进行了研究。基于刀轴的球面坐标系与平面坐标系存在的数学关系,通过2个欧拉角表示刀轴矢量,将其转换为平面问题。针对刀位点与刀轴矢量,利用Bézier曲线对其同时进行转接光顺,提出了一种新的插补光顺思路。经过Bézier曲线转接光顺后的五轴直线插补路径,保证了直线轴和旋转轴速度与加速度没有突变。在模拟过程中共生成839个插补点,每个插补点所消耗的直接计算时间为0.186ms,能够满足实时性要求。在五轴龙门式雕铣机上进行验证,光顺后的速度和加速度没有超过最大约束值,验证了插补光顺思路的可行性。     

6R机器人时间最优加加速度平滑的双NURBS轨迹优化

为了提高切削加工机器人的加工效率以及加工稳定性,对机器人加工轨迹进行了优化。在机器人任务空间中用双NURBS曲线描述刀位轨迹及刀轴矢量轨迹,并将其转化到关节空间。将刀轴矢量通过旋转坐标变换转换为机器人旋转矩阵,并结合基于旋量的机器人正运动学方程求取关节角,此角度值作为求运动学逆解的约束条件,以保证机器人加工时刀轴矢量相对于工件表面不变。基于骨干粒子群优化算法提出了一种自适应罚函数的约束多目标骨干粒子群优化算法,对机器人加工过程中的时间、加速度、加加速度等指标进行多目标优化,该算法采用自适应指数罚函数对约束进行处理,为了避免算法早熟,引入时变变异因子,增强了算法全局搜索能力和局部探索能力。最后,通过实验验证所提出算法的正确性和有效性。     

5轴加工奇异区域非线性误差控制方法

5轴数控机床在加工奇异区域时,由于旋转轴的剧烈变化导致产生较大的非线性误差,加工质量下降。针对这个问题,以A-C双转台机床为例,分析机床产生奇异现象的原因,提出检测5轴加工奇异区域的方案,通过对奇异区域相邻刀轴矢量之间进行插值处理,减小相邻刀轴的角度变化,使相邻刀位点之间的最大非线性误差小于机床允许的最大非线性误差。用MATLAB对比插值前后5轴机床转角和非线性误差的变化,证明该方法可以降低C轴的过大转角同时减小非线性误差。     

侧铣加工刀位轨迹优化算法研究

针对非可展直纹面侧铣精加工刀轴矢量计算中存在的问题,侧铣加工误差几何模型分析圆柱铣刀加工非可展直纹面误差产生的原因。以两点偏置法和三点偏置法等基本算法为基础,提高非可展直纹面类零件的加工精度,文章提出一种定点旋转寻求最优刀轴矢量组的计算方法,并且采用密切法进一步优化。通过优化算法使加工误差趋于最小,最终得到整体最优的刀轴轨迹。此方法与已有方法进行加工实验对比,从仿真结果可以看出明显提高了加工精度,对非可展直纹面侧铣加工提供一定的参考意义。     

数控刻楦中刀轴矢量平滑化及仿真

为了解决数控刻楦中刀轴矢量方向相对鞋楦表面法向频繁变换而造成冲击或发生干涉等问题,提出一种刀轴矢量平滑化插值方法。在确定刀触点的情况下,根据鞋楦表面的微分几何性质确定刀轴矢量方向。采用空间矢量光滑插值方法获得一系列中间位置刀轴矢量使刀轴变化较均匀：根据鞋楦误差要求,采用几何变换方法分析切削工步的起始和结束刀触点处的刀轴矢量变化状况。据此估计刻楦误差。以某规格鞋楦数控刻制过程为例对刀轴矢量光顺化方法进行仿真。结果表明,该方法可以避免刀轴方向频繁变换,并有效地提高加工精度。     

VMC850F五轴联动机床坐标变换的研究

以某数控机床研究所研发的VMC850F五轴联动机床为例,通过坐标系统间的变换关系,推导出了刀轴矢量及刀位点运动换模型,对该模型方程进行了求解。根据此算法开发了后置处理器,通过在VMC850F机床上加工叶轮样件得到了验证,为五轴后置处理器的开发提供了参考。     

五轴加工奇异问题及其处理方法

在五轴机床加工中,当刀轴矢量接近或平行于某一旋转轴(即奇异轴)而产生奇异问题,文章在分析奇异问题及其产生原因的基础上,提出一种奇异域检测的几何方法.这种方法可以根据始末位置刀轴矢量在未经插补的情况下,提前检测出刀轴是否经过奇异域及其类型,然后针对每种类型指定一种相应的插补算法,并且通过仿真实验.仿真结果表明该算法能够有效检测出加工中会出现的奇异问题并改善加工精度.     

基于刀具姿态控制的指令点插补算法

为克服五轴数控加工中忽略刀具姿态控制所带来的旋转轴速度和加速度不连续等问题,提出一种基于刀具姿态控制的五轴数控加工指令点插补算法。该算法根据给定的数控加工程序确定刀尖点位置集合和刀轴矢量集合,分别采用样条曲线对离散刀尖点和刀轴矢量进行拟合,得到刀尖点曲线和刀具姿态曲线,在此基础上进行指令点插补。实验结果表明,该算法能够将离散刀轴矢量拟合成位于单位球面的二阶连续曲线,保证旋转轴速度和加速度的连续性。     

一种圆环面刀具五坐标端铣加工局部干涉检测算法

对圆环面刀具五坐标端铣加工复杂曲面的特性进行了深入分析.在此基础上,提出了一种快速的局部干涉检测算法,首先计算圆环面刀具圆环面的环心圆到工件曲面之间的最小距离,然后将该最小距离与圆环面刀具的圆角小半径进行比较,以实现对局部干涉的判断,并通过调整刀轴矢量对发生局部干涉的刀位进行处理.算例表明,所提出的干涉检测不仅正确稳定,而且具有很高的效率.     

五轴联动刀轴矢量插补优化算法

目的研究解决五轴联动机床旋转轴角度采用线性插补方式生成的加工轨迹,导致刀具姿态偏离所设计的理想平面,引发刀具姿态误差的问题,减少非线性误差,提高零件表面质量。方法首先对旋转轴角度线性插补方式引发刀具姿态误差的原理进行了分析,提出了一种刀轴矢量插补优化算法。然后在线性插补的基础上,根据提出的刀轴矢量插补优化算法保证首末点间的刀轴插补矢量始终位于首末刀轴矢量所构成的平面内,实现刀具姿态优化,并在MATLAB中对线性插补和矢量插补优化两种方式进行仿真分析,观测出对应方式下刀轴插补矢量的空间位置。最后利用叶片试件在AB型转台摆头类型机床上进行仿真和加工验证,对比两种刀轴矢量插补方式仿真数据。结果在VERICUT同等条件下仿真,刀轴矢量采用线性插补时,叶片进出汽边误差值分别为-0.218 66 mm和-0.312 58 mm;刀轴矢量插补优化后,叶片进出汽边误差值分别为-0.095 46 mm和-0.099 05 mm。刀具姿态经过插补优化算法后,叶片进出汽边的过切值明显降低。结论刀具姿态经过插补优化算法后,叶片过切值的大小和数目明显减少,使得非线性误差明显降低,从而提高了零件表面质量。     

基于加速度约束等残留高度刀轨生成算法

针对传统的等残留高度刀轨规划算法加工自由曲面时刀轨不光顺问题,提出了一种基于加速度约束等残留高度刀轨生成算法。通过判断同一条刀轨相邻刀触点之间的平均加速度来调整不符合加速度条件的刀触点,从而保证刀具轨迹的光顺性。基于该算法利用VC++6.0和UG OPEN/API二次开发平台编写程序。对拟合自由曲面得到的参数曲面进行处理后,并在UG(Unigraphics NX)CAM模块进行刀路模拟。结果表明,该算法有效的改善了刀具轨迹的光顺性,得到了理想的效果。     

两种实用的数控铣床对刀方法

数控铣床是在数控系统的控制下完成自动加工的,建立正确的坐标系,并且通过对刀确定工件原点的位置,是准确控制刀具的运动轨迹、保证加工质量的前提.本文阐述了机床原点、参考点、工件原点、机床坐标系、工件坐标系等概念,结合具体零件,以FANUC-Oi系统为例,探讨了数控铣削加工中两种实用的对刀方法,详细介绍了对刀原理和对刀步骤,并介绍了验证对刀结果的编程方法.     

基于STL数据模型的NURBS刀轨生成算法

为了提高数控加工的加工效率,提出了一种适用于STL数据模型的NURBS刀轨生成算法。由刀触点计算无干涉直线刀轨的刀位点;采用最小二乘法将刀位点拟合成NURBS切削刀轨,在拟合过程中,计算拟合偏差及投影点参数,并用投影点参数对刀位点参数进行修正。在切削刀轨之间采用NURBS曲线过渡;通过调节节点矢量,使得切削刀轨和过渡刀轨在连接处保持C1连续。实验结果表明,采用文中算法生成的NURBS刀轨具有较少的控制顶点、较高的拟合精度以及较好的光顺性。     

船用螺旋桨数控加工干涉仿真及刀轴方向控制技术研究

干涉检测是螺旋桨数控加工中的关键问题,如果在加工过程中发生干涉,会破坏机床甚至造成重大损失。基于UG软件,构建了螺旋桨加工仿真平台,利用该平台进行螺旋桨加工过程仿真和干涉分析;在虚拟环境中,检验数控程序是否干涉;针对虚拟仿真过程中发现的发生干涉的刀位点,反复自动调整刀轴矢量,计算出无干涉刀轴矢量数据,优化数控程序,以避免干涉碰撞,提高了数控程序编程效率。     

5轴CNC机床空间运动学研究

在5轴加工中,为使机床CNC系统能根据刀位点数据实时生成机床运动坐标,必须在CNC系统软件中加入机床运动空间坐标变换算法.文章通过建立各中间坐标系,用齐次矩阵方法详细论述了两种典型5轴数控机床空间运动算法.     

五轴数控加工后处理关键技术分析与实现

从后处理的角度,分析了五轴数控加工的非线性误差,指出了其影响因素;提出了利用齐次变换矩阵和正向、逆向运动学相结合的误差计算方法以及相应的误差补偿策略;同时,引入了刀轴矢量"平滑化"的概念,提出了基于四元数向量插值的新算法;最后,以一个离心压气机叶轮为例,进行了计算机仿真加工和五轴机床试切加工实验.实验结果表明,所提出的方法改善了曲面加工精度和表面质量.     

双摆台五坐标铣削后置处理软件Star-Fpost研究

针对MIRON UCP800双摆台立式五坐标加工中心,研究其五坐标加工的数学模型.推导出刀心和刀轴矢量六坐标转换成AC双摆台式五坐标的算法公式.利用坐标矩阵转换的方法实现直线圆弧插补刀轨源文件到机床代码的后置处理过程.使用面向对象程序,采取逐行读取刀轨文件关键字触发的方式,开发了专用的五坐标铣削后置处理软件Star-Fpost,在VERICUT仿真环境中完成五坐标机床的建模,在UGNX通过三元整体轴径流式叶轮的仿真加工,仿真结果验证了后置处理软件的功能,可以为MIKRON UCP800五坐标机床实际加工提供参考.     

一种采用综合比较方式的后置处理转角优化算法

五轴数控机床后置处理是优化加工工艺的关键步骤,其难点是如何在满足刀轴矢量的条件下,尽量提高转轴运动的连续性。针对后置转角的优化问题,提出一种利用运动行程限制将根据各行刀位矢量求解的理论解转化为有效解,再根据有效解类型逐行比较得到两列不同的备选解,最终选择不发生转角突变或突变次数少的解作为优化结果的计算方法。该方法突破优势区间及机床机构的限制,具有通用性,可有效利用机床行程,尽量避免由于转角不连续所附加的提刀轨迹,提高加工效率和稳定性。