自由曲面加工理论与应用(第03讲--刀具路径生成算法概述)
自由曲面铁削加工的刀位轨迹生成方法
自由曲面铁削加工的刀位轨迹生成方法1 .与自由曲面刀位轨迹生成方法相关的术语l )切触点(Cutting Contact Point )刀具在加工过程中与被加上零件曲面的理论接触点。
对于曲面加工,不论采用什么刀具,从几何学的角度看,刀具与加工曲面的接触关系均为点接触。
2 )刀位点(Cutter Location Point )用来确定刀具在加工过程中所在的位置点。
一般来说,刀具在工件坐标系中的准确位置可以用刀具中心点和刀具轴矢量来描述,其中刀具中心点可以是刀心点,也可以是刀尖点。
采用刀尖点时刀具长度补偿比较方便,是目前的习惯用法。
由刀位点按一定的顺序连接而成的轨迹就是通常所说的刀位轨迹。
3 )导动面(Drive Surface )与导动点(Drive Point )由于待加工曲面的差别较大,有的曲面片组合相当复杂,如果直接对曲面片进行离散难度很大。
因此,通常采用映射方法来获得组合曲面的刀位轨迹,具体地说,就是先构造一张(组)比较简单的曲面,称为导动曲面,在导动曲面上按给定的加工工艺条件计算出刀位轨迹点,称导动点。
然后根据一定的规则(如沿主轴方向投影)把导动点映射到待加工表面上,经计算修正就可以获得待加工表面上相应的刀位点序列。
4 )干涉检查(Interference Check )对于用映射方法将导动点映射到待加工表面上的做法,不可避免地存在一个导动点对应多个刀位点的情况。
如果要从多个可能的映射点中确定出唯一的结果,就需要提供相应的附加判据:一是不可过切,二是欠切(一般由后续加工完成)最少。
对于直接对曲面进行离散也会碰到类似灼问题,我们把这一判断过程称为干涉检查。
干涉检查是自由曲面刀位轨迹生成算汰的关螃挤术之一。
在工程应用中,由CAM 软件自动判断,不需人工干预。
2 .基于参数空间的刃位饮迹生成方法自由曲面刀位轨迹生成方去可归纳为两类:一是基于参数空间的刀位轨迹生成方法;二是基于笛卡尔空司刀位轨迹生成方法。
刀具路径生成算法
刀具路径生成算法一、粗加工刀具路径生成算法1、粗加工路径算法等距切削分层切削(等高粗加工)适合的加工对象:单元切削截面线法插铣加工2、粗加工算法中要解决的主要问题切削边界提取边界偏置形成刀具路径(针对环切而言)3、粗加工走到方式行切环切4、构型空间(Configuration Space, C-Space )将物体中心放在障碍物的边缘,通过Minkowski sum 后,物体可作为点来处理。
示意图入下:5、粗加工刀具路径生成算法—G-buffer 方法1)G-buffer 模型生成G-buffer 模型:被加工零件的Configuration Space 模型,也是CL Surface 构造方法:刀具遍历曲面、反转刀具形成G-buffer 模型的示意图:2)G-buffer 模型的构造在工件上方构造一网格平面,网格交点为点集{Pij}将刀具放在网格平面中的网格点P(i, j) 上刀具向下移动(投影)直到触碰到工件停止,记录该网格点P(i, j)对应的Z 坐标值Zij重复上述步骤,直到得到所有网格点的Z 坐标值所有网格点的Z 值构成了工件的G-buffer 模型3)G-buffer 模型与Z-buffer 模型的区别4)切削区域边界用等高面Zc 与G-buffer 求交,形成切削区域边界Zij < Zc ,记录该网格点P(i, j)Zij > Zc ,不记录该网格点P(i, j)这些被记录的网格点集合{Pij} 构成切削区域无干涉边界点见下图:切削区域边界追踪利用图像处理中轮廓算法,顺序连接位于切削区域边界上的网格点5)切削区域判定(从外到内:一层加工,一层不加工)边界描述树:用来保存切削区域的边界,并识别切削区域边界拓扑结构的一种树状结构,边界之间的包容关系决定了边界在边界描述树中的位置。
6)刀具路径生成环切法环切加工刀具路径生成:利用等距线计算方法,对每个切削区域的边界按走刀步距的数值计算等距线,不断循环偏置,从而产生环切加工刀具轨迹。
数控加工中基于自由曲面表面特性的刀具路径安排
2007年第26卷12月第12期机械科学与技术M echanical Science and T echno l ogy for A erospace Eng ineer i ng D ece m be r V o.l 262007N o .12收稿日期:2006-09-27基金项目:国家自然科学基金项目(50575082)资助作者简介:何雪明(1966-),男(汉),江苏,副教授,硕士,hxue m 2003@163.co m数控加工中基于自由曲面表面特性的刀具路径安排何雪明1,2,李成刚1,胡于进1,曲 萍2,马仙龙2(1华中科技大学机械科学与工程学院,武汉 430074;2江南大学机械工程学院,无锡 214122)摘 要:目前CNC 上的轨迹控制功能仍主要是直线和圆弧插补,因此当加工自由曲面时,大多只能采用直线或圆弧逼近算法来对曲线进行逼近处理。
针对数控加工的实际需求,现在数控系统技术人员对数控机床插补器进行研究并开发出了许多曲线和曲面插补功能。
基于曲线插补,在保持进给速度尽可能恒定的条件下,对刀位路径和刀位速度进行离线的曲线拟合,以便于得到用于数控加工的刀位文件。
这种方法能有效解决进给速度的波动问题,并能有效压缩刀位文件。
为此,提出几种算法来拟合刀位路径和刀位速度轮廓曲线。
曲线和曲面插补在数控代码数据量和逼近误差方面都有较大的改善。
关 键 词:刀位路径;刀位速度;曲线插补;曲线拟合中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:1003-8728(2007)12-1517-07CNC Tool Path Planni ng Base d on Characteristics of Free -for m SurfaceH e X ue m i ng 1,2,L i Chenggang 1,H u Y u ji n 1,Qu P i n g 2,M a X ian l ong2(1Schoo l o fM echan i ca l Sc i ence and Eng i neering ,H uaz hong U n i versity of Sc i ence and T echno logy ,W uhan 430074;2Schoo l ofM echan i ca l Eng i neering ,Southern Y ang tze U n i versity ,W ux i 214122)Abst ract :A t presen,t co m puter num erica l contr o l(C NC)m ach i n es still use li n ear i n terpo lation and arc interpo la -ti o n to contr o l their trajectories .Therefore ,i n m ac h i n i n g a free -fo r m surface ,m ost o f t h e m use the li n ear and arcapproach algo rithm to approach its curves .A cco r d i n g ly C NC techn icians study the i n ter polato r o f a CNC m achine too l and deve l o p m any functi o ns o f cur ve interpo lation and free -for m surface i n ter polati o n .U si n g the curve i n terpo -lation ,they perfor m the of-f li n e curve fitting o f cutter l o cation(CL)path and CL feeding ve l o c ity under the cond-i ti o n t h at t h e latter is kept as constant as possi b le .Thus they obta i n CL fil e s to be used i n CNC m achining .Th is m ethod can effectively reduce the fluctuation of feeding velocity and condense CL files .For these reasons ,w e pro -pose several algorithm s for fitting the pr o file curves of CL path and CL feeding ve l o c ity .The algorithm no tab l y i m -proves the curve and free -fo r m surface interpo lator i n ter m s o f the nu m ber o f C NC codes and approach errors .K ey w ords :cutter location path ;curve interpo lation ;cur ve fitti n g ;c u tter locati o n feeding veloc ity 曲面加工是数控技术和CAD /C AM 的重要应用与研究对象,如何经济地实现高效高质量的加工一直是其重点问题[1]。
刀具路径生成算法
刀具路径生成算法一、粗加工刀具路径生成算法1、粗加工路径算法等距切削分层切削(等高粗加工)适合的加工对象:单元切削截面线法插铣加工2、粗加工算法中要解决的主要问题●切削边界提取●边界偏置形成刀具路径(针对环切而言)3、粗加工走到方式行切环切4、构型空间(Configuration Space, C-Space)将物体中心放在障碍物的边缘,通过Minkowski sum后,物体可作为点来处理。
示意图入下:5、粗加工刀具路径生成算法—G-buffer方法1)G-buffer模型生成●G-buffer模型:被加工零件的Configuration Space模型,也是CL Surface●构造方法:刀具遍历曲面、反转刀具形成G-buffer模型的示意图:2)G-buffer模型的构造●在工件上方构造一网格平面,网格交点为点集{Pij}●将刀具放在网格平面中的网格点P(i, j)上●刀具向下移动(投影)直到触碰到工件停止,记录该网格点P(i, j)对应的Z坐标值Zij●重复上述步骤,直到得到所有网格点的Z坐标值●所有网格点的Z值构成了工件的G-buffer模型3)G-buffer模型与Z-buffer模型的区别4)切削区域边界➢用等高面Zc与G-buffer求交,形成切削区域边界●Zij < Zc,记录该网格点P(i, j)●Zij > Zc,不记录该网格点P(i, j)●这些被记录的网格点集合{Pij}构成切削区域无干涉边界点见下图:➢切削区域边界追踪利用图像处理中轮廓算法,顺序连接位于切削区域边界上的网格点5)切削区域判定(从外到内:一层加工,一层不加工)边界描述树:用来保存切削区域的边界,并识别切削区域边界拓扑结构的一种树状结构,边界之间的包容关系决定了边界在边界描述树中的位置。
6)刀具路径生成环切法环切加工刀具路径生成:利用等距线计算方法,对每个切削区域的边界按走刀步距的数值计算等距线,不断循环偏置,从而产生环切加工刀具轨迹。
自由曲面加工理论与应用(第04讲多轴加工刀具路径生成算法
SCHOOL OF MECHANICAL SCIENCE & ENGINEERING
自由曲面加工理论与应用
第04讲--刀具路径生成算法
11 June 2012
1
粗加工刀具路径生成算法 精加工刀具路径生成算法 补加工刀具路径生成算法 五轴加工刀具路径生成算法 基于点云数据的刀具路径生成算法 刀具轨迹后置处理技术 自由曲面加工刀具轨迹生成实例
一化就是所球包围盒的方向向量。 OBB的中心和半边长计算方法:将凸包上的点投影到方向向量上
向上的投影;
β1:过刀尖的水平线与下锥面母线的夹
角, ;
β2:刀轴与上锥面母线的夹角, ; h:刀具切削刃长度。
精加工刀具路径生成算法_多面体法
被加工曲面的多面体模型
10
11
0110 0111 00
0100
Root
00 01 10 11
0100 0101 0110 0111 0110 0110 0110 0110
切削区域边界
用等高面Zc与G-buffer求交
Zij < Zc,记录该网格点P(i, j) Zij > Zc,不记录该网格点P(i, j) 这些被记录的网格点集合{Pij}构成
切削区域无干涉边界点
切削区域边界追踪
利用图像处理中轮廓算法,顺序连 接位于切削区域边界上的网格点
切削区域
边界点筛选
粗加工刀具路径生成算法_Z-map方法
切削区域边界追踪 参照G-buffer方法
切削区域判定 边界描述树,参照G-buffer方法
曲面加工的刀路定义及自动编程
曲面加工的刀路定义及自动编程一、实训目的( 1)、初步掌握 M aster CAM曲面粗、精加工的刀路定义方法( 2)、了解MasterCAM曲面加工刀路定义的主要参数设置( 3)、初步了解MasterCAM曲面加工工艺二、预习要求认真阅读教材中有关曲面加工的刀路定义及自动编程部分的内容。
三、实训理论基础1 .曲面的选取:在曲面数量不太多时,可一个一个地直接选取;在曲面数量很多时,就需要采用快捷的选取方式,可能大多数情况下是选“所有曲面”项,当只需要加工众多曲面中的部分,而另外部分曲面需要定义为干涉曲面时,最好事先将相应的曲面定义成群组。
这样在选取曲面时就可有选择性的选“群组”项。
对于全体曲面中刀具加工不到的曲面部分, MsterCAM 在进行刀路计算时会根据曲面干涉情况自动测算,因此大多数情形下不需要考虑要不要将这些曲面从加工群组中剔除。
2 .曲面深度设定图 14-1 深度分层控制曲面深度设定用于控制 Z 方向要加工的范围。
默认设定是顶部和底部都预留 0.2mm 的增量坐标方式(如图 14-1a ),即加工范围为曲面最高点下方 0.2mm 到曲面最低点上方 0.2mm ;如果需要人为控制 Z 加工范围,可设定绝对坐标方式,这样可以根据曲面的曲率变化情况有意识地将曲面按不同的 Z 区段以不同的 Z 步距进行刀路设计,从而有效地控制加工质量。
Z 向加工的分层控制,主要是设定 Z 向步距值。
3 .曲面粗加工1 ).挖槽式:以挖槽的方式,可将限制边界范围内的所有废料都切除掉,切削量分配合理,是块状料粗切的较理想的方式。
图14-2挖槽式曲面粗切刀路2 ).平行式:以垂直于 XY 面为主切削面(由加工角度决定),紧贴着曲面边廓产生刀路。
图14-3平行式曲面粗切3 ).径向扫射式:以指定的一点为扫射中心,以扇面的方式产生刀路。
该法适用于圆形坯件的切削。
图14-4径向扫射式4 ).等高外形方式:以 XY 为主切削面,紧挨着曲面边廓产生刀路,一层一层地往下推进。
自由曲面加工理论与应用(第02讲--自由曲面加工基础)
一、自由曲面加工概述
SSM系统的信息处理需要解决的问题
根据SSM系统的3个输出,对应3个信息处理阶段 • 基于特征的处理阶段(feature-based processing stage)
以最小的P/M-rate生成UMOs
• 几何处理阶段(geometric processing stage)
自由曲面加工理论与应用 第02讲--自由曲面加工基础
一、自由曲面加工概述 二、自由曲面加工数学基础 三、刀具路径生成基础
一、自由曲面加工概述
自由曲面(Sculptured Surface or Free Formed Surface)
The term “sculptured surface” denotes those surface shapes which “cannot be continuously generated ” and have the arbitrary character of the forms traditrs —— Duncan and Mair (1983) 随着自由曲面复杂程度的增加,需要数控编程技术 的发展
基于特征的信息处理 (feature-based processing) • 特征提取:由设计曲面提取加工特征 • CAPP( computer-automated process planning): 根据加工特征产生一系列UMO。
需解决的问题:如何定义加工特征,如何根据特征定义和生成UMO
一、自由曲面加工概述
几何信息处理(Geometric information processing)
• 刀具路径规划( Tool-path planning):根据设计曲面为每个UMO生 成刀触点轨迹(CC-paths)或初始刀位点轨迹(initial CL-paths) • 刀位计算(CL-data computation):由CC-paths计算CL-paths • 加工仿真(Cutting simulation) • 干涉检查(过切检查,Gouge detection)
自由曲面数控加工刀具轨迹映射算法
Internal Combustion Engine&Parts0引言实际工程应用中,形状相对比较复杂的自由曲面,其刀具路径规划技术仍然是研究的重点,因此学者们相继提出了不同的刀具轨迹规划技术。
通常,自由曲面包含多个不同的特征域,每个特征域对应的曲面信息、刀具轨迹及其他加工信息都有差异或相似性,对其分类规划,按一定规则,可自适应地实现同类特征面域的加工轨迹规划[1-2]。
为提高加工效率,已有研究者以典型的船用柴油机机架类零件为例,提出基于特征模板,应用重用技术研究同类别零件数控加工刀具轨迹的生成[3-4]。
典型的刀具轨迹生成算法中,投影法是计算稳定且较快的一种算法,广泛应用于参数曲面和三角网格曲面的数控加工。
Orazi等[5]提出了一种新的三角网格曲面点连续投影算法,该算法用三角曲面片顶点定义的法线来执行投影,投影方向取决于投影点,方向与用三角形网格逼近的原始曲面相一致,可有效应用于需要将大量点投影到网格曲面上的情形。
对于精加工,文章作者采用“投影法”思想,设计刀具轨迹映射算法,将已有的数控加工轨迹投影到同类型曲面上,得到待加工曲面的数控加工信息。
产生已有轨迹的曲面和待加工曲面是具有相似性的同类曲面,曲面点的曲率决定该点的投影方向,可减少投影后映射轨迹的失真,从而提高质量。
自由曲面数控加工刀具轨迹映射算法Tool Path Mapping Algorithm for Free-form Surface NC Machining汪雨蓉WANG Yu-rong(杨凌职业技术学院机电工程分院,杨凌712100)(School of Mechanical Engineering,YangLing Vocational and Technical College,Yangling712100,China)摘要:对自由曲面的数控加工,寻求最优的刀具轨迹生成方法至关重要。
本文基于开源3D库Open CASCADE(OCC)和编程开发环境Microsoft Visual Studio2010(VS2010),应用B样条表达的自由曲面,采用“投影法”思想,研究“重用已有相似刀具路径”方法,提出了处理自由曲面的NC刀具轨迹映射算法。
自由曲面加工刀具路径轨迹规划算法研究
自由曲面加工刀具路径轨迹规划算法研究一、本文概述随着现代制造业的快速发展,复杂曲面零件的加工需求日益增加,而自由曲面加工刀具路径轨迹规划作为决定加工质量和效率的关键因素,已成为研究的热点。
本文旨在探讨自由曲面加工刀具路径轨迹规划的相关算法,以期为提高加工精度和效率提供理论支持和实践指导。
本文将首先综述自由曲面加工刀具路径轨迹规划的研究背景和意义,分析当前国内外在该领域的研究现状和发展趋势。
在此基础上,深入探讨自由曲面加工的特点和难点,以及刀具路径轨迹规划的基本原则和要求。
随后,本文将重点研究自由曲面加工刀具路径轨迹规划的关键算法,包括曲面造型算法、刀具轨迹生成算法、轨迹优化算法等,并对这些算法进行详细的理论分析和实验验证。
通过本文的研究,旨在提出一种高效、稳定的自由曲面加工刀具路径轨迹规划算法,为复杂曲面零件的加工提供一种新的解决方案。
本文的研究成果也将为相关领域的研究人员提供有益的参考和借鉴,推动自由曲面加工技术的进一步发展。
二、自由曲面加工理论基础自由曲面加工,作为一种高度灵活的加工方式,在现代制造业中占据了重要的地位。
自由曲面,区别于传统的规则几何面,具有非常复杂和不规则的几何形状。
这类曲面的加工需要依赖先进的数控加工技术和精确的刀具路径轨迹规划算法。
自由曲面加工的理论基础主要包括数学几何理论、数控加工技术、刀具运动学以及切削力学等。
数学几何理论为自由曲面的描述和建模提供了基础,如参数化曲面、NURBS曲面等数学模型,能够精确地描述自由曲面的形状。
数控加工技术则负责将数学模型转化为具体的加工指令,通过数控系统控制机床的运动,实现曲面的加工。
在刀具路径轨迹规划方面,关键在于根据曲面的几何特征,选择适当的加工策略,生成无碰撞、平滑且高效的刀具路径。
这涉及到刀具运动学的知识,如刀具的姿态调整、切削速度的设定、刀具与工件的相对运动等。
切削力学则关注在加工过程中,刀具与工件之间的切削力、切削热等物理量的变化,以及这些物理量对加工质量的影响。
曲线、轮廓加工刀具轨迹计算
1、等参数的逼近离散
等参数逼近是对曲线参数t进行等距分割(亦即等参数
步长),然后将每个节点的参数值代入曲线表达式中 计算出该点坐标,将各相邻离散点用直线段顺序相连 即构成逼近原曲线的刀具轨迹,如图(1)所示。
特点:算法简单稳定,但参数空间与实际空间非 线性关系,各离散点距离不等,不能保证各逼近 线段与原曲线间误差一致。
4、1、1曲线加工
1)曲线加工:生产实际中存在这样一类加工,如凸轮 槽加工和花纹图案雕刻等,加工时只要控制刀具按设计 的曲线运动即可,其轮廓形状由所用的刀具包络而成, 这类加工可称为曲线加工。
可见,曲线加工的理论刀具轨迹也就是曲线本身,不必 考虑刀具形状的补偿问题。 2)考虑到程序量的大小还有计算的复杂性,在应用中 简单的直线逼近法应用较多。 3)对于负载曲线的离散可以采用等参数、等步长和等 误差三种对其进行逼近。
(6)环的有效性判 断:若一偏置环的走 向与原轮廓的走向一 致,则该环为有效环, 若走向相反,则为干 涉环。然而,这种方 法可能出现错误。
偏置轮廓
4.1.3二维型腔加工
型腔是指具有封闭边界轮廓的平底或曲底凹坑,而且
可能具有一个或多个岛屿。
型腔的加工包括型腔区域 的加工与轮廓(包括边界 与岛屿轮廓)的加工。 要求是:要切净内腔区域 的全部面积不留死角,不 伤轮廓,同时尽可能的提 高加工效率。
(1)轮廓预处理与轮廓精加工刀具轨迹生成
该步骤目的是生成用于最后对型腔边界与各岛屿轮 廓进行精加工的刀具轨迹。
(2)轮廓粗加工刀具轨迹生成
该步骤目的是生成作为后续内腔区域加工轨迹边界约 束的型腔边界轮廓偏置环与各岛屿轮廓偏置环。
(3)区域加工约束边界的处理
构成区域加工约束边界的各环均是由直线、圆弧段组 成。对其进行以下处理:
自由曲面五轴平底刀加工路径的NURBS化
图2
求相邻路径的切削点
在确定出 P 点的切削宽度所对应的截交点 P' 之 后, 要求得下一路径对应的 P! 点, 同样以可能发生干 涉的凹区域为例进行分析。 计算与 P' 相邻的下一个截 交点的在比较平面内的曲率 K, 同时可计算出其对应 的曲率中心, 采用与由 P 搜索 P' 同样的方法, 由 P' 搜 索出 P! 。 在由 P' 搜索 P! 的过程中, 需计算 P' 以后的截交 点处比较方向的曲率。 截交线在截交点的曲率 K, 并不
1
刀具路径规划
设待加工曲面的方程为:
m I
r = ( r U, 1 )=
( ( N, 3 U) 3 1) Z Z!i,ii,Ni, i=0 =0
m I
(1)
( ( N, 3 U) 3 1) Z Z!i,Ni,
i=0 =0
式中, — — 曲面参数;i — — — 控制顶点; — — 各控 U、 1— !— 制顶点对应的权因子;Ni, — — 三次 B 样条基函数 N, 3、 3— 首先, 选其某一边界线作为初始加工路径, 不失一 般性, 以 1 = 1 min 这条 U 线作为初始加工路径。 再令进 给步长 !L 为: (其中, 为指定的最 1 max !L = 1 maxe!T 大进给速度、 。 由于 !T 的取值 !T 为铣床的插补周期) 很小, 因此 !L 的值也很小。 在这个微直线段内, 一般 都能够满足插补误差的要求。 以 !L 为步长离散初始 加工路径, 得到一系列的切削点 (简称为 CC 点) 。 由这 些点对应的 U 、 通过 NURBS 曲面方程很容易求得 1 值, 对应的法矢 I 、 进给方向的切矢 S , 以及比较方向的法 曲率 I(比较方向为: 。 采用等残留高度法, g = S X I) 0 对刀具路径上任意一个 CC 点 P , 可求得相邻的下一路 径上对应的 CC 点 P e 。 如图 1 所示, 对 CC 点 P , 其比较平面为 0 。 为求得 e 相邻的下一路径上对应的 CC 点 P , 首先必须求出刀 具在 P 点的切削宽度。 而为了保证加工精度, 有必要求 出比较平面与曲面的截交线。 由于 NURBS 曲面的复杂 性, 求截交线的解析表达式比较困难。 因此采用密集的 离散点来近似截交线。 由于离散点在需要的时候可进一
自由曲面高性能数控加工刀具路径技术研究
自由曲面高性能数控加工刀具路径技术研究一、本文概述随着现代制造业的快速发展,自由曲面零件在众多领域中得到了广泛应用,如航空航天、汽车制造、模具制造等。
自由曲面零件的加工精度和表面质量直接影响着产品的性能和使用寿命。
研究自由曲面高性能数控加工刀具路径技术,对于提高加工效率、保证加工质量和降低加工成本具有重要意义。
本文旨在探讨自由曲面高性能数控加工刀具路径技术的相关理论和方法,分析刀具路径生成过程中的关键因素,研究优化刀具路径的策略,并通过实验验证所提方法的有效性和可行性。
本文将对自由曲面数控加工刀具路径技术的研究现状进行综述,分析现有技术的优点和不足。
研究自由曲面数控加工中的刀具路径规划方法,包括刀具选择、路径生成和优化等方面。
接着,探讨基于不同优化算法的刀具路径优化技术,以提高加工效率和质量。
通过实验验证所提方法的有效性,并对实验结果进行分析和讨论。
本文的研究不仅有助于推动自由曲面数控加工技术的发展,还可为相关领域提供有益的参考和借鉴。
本文的研究成果对于提高我国制造业的整体水平和竞争力也具有一定的促进作用。
二、自由曲面数控加工技术概述自由曲面,作为一种复杂且不规则的几何形状,在航空、汽车、模具等制造领域具有广泛的应用。
由于其形状复杂,传统的加工方法往往难以满足其精度和效率的要求,自由曲面数控加工技术应运而生。
数控加工技术通过计算机控制机床,实现对工件的精确加工,尤其适用于复杂曲面的加工。
自由曲面数控加工技术主要包括刀具路径规划、数控编程和机床控制三个核心环节。
刀具路径规划是数控加工的关键技术之一,它决定了加工过程中刀具的运动轨迹,直接影响着加工质量和效率。
刀具路径规划需要考虑的因素包括曲面形状、材料特性、加工精度、切削力、切削热等。
在刀具路径规划过程中,常用的算法有等参数线法等残留高度法、基于几何特征的刀具路径规划等。
等参数线法是根据曲面的参数方程,沿着参数线进行刀具路径规划,适用于参数化的自由曲面。
浅析自由曲面数控加工中刀具路径规划
由于通过直线插补大量刀位点来进行数控加工,存在很
多缺陷,利用NURBS刀具路径进行数控加工,已受到更加广 泛的重视。为了将有序刀位点表示的刀具路径,转化为 NURBS形式表示的刀具路径,必须对刀位点数据进行NURBS 曲线的拟合处理。由于刀位点数据特殊性的存在,特别是刀位 点数据量大的特点,使前面介绍的数据拟合方法在应用于刀 位点的NURBS曲线拟合时,往往出现较大的误差,无法得到 理想的曲线,不能满足NURBS刀具路径生成的需求。 2.4优化算法 设有m+1个有序刀位点只(_『=0,l,…,而,对这些刀位点
自由曲面数控加工中,刀具路径的规划问题较为复杂。近
所得到的点位信息较多;优点是计算比较简单。 (2)参数筛选法。首先按预设的等参数步长离散u或a参 数线,计算出零件表面对应的点列和每一点处的法矢,然后按 曲面的曲率和加工精度,从点列中筛选出点位信息。这种方法 中运用了过滤算法和细化算法,过滤算法用于依据曲率变化 合并一些间隔,以减少数据量;细化算法则依加工误差的要
2.3
NURBS刀具路径 为了克服线性插补刀具路径本身固有的缺陷,许多新型
数控系统己经配备了先进的NURBS曲线插补功能模块。由 NURBS曲线的性质可知,当曲线的阶次确定以后,NURBS曲
NURBS曲线拟合及刀具路径生成
线便可以由控制顶点、权重因子矢量和节点矢量三组参数所
唯一确定。通过NURBS插补,CNC系统可以控制机床精确实 现NURBS曲线刀具轨迹的运动,从而克服由线性插补来近似 曲线加工所带来的加工缺陷。这样,利用NURBS刀具路径进 行加工,就可以实现更加光滑连续的刀具轨迹,得到高精度的 光顺被加工表面质量。对相同的刀具路线,若以直线段插补的 刀具路径表示,当编程精度为0.05 lllm时,此路径曲线需要离 散成24段短小的直线段组成的刀具路径;当编程精度为0.02 Inn,!时,则需要39段直线段;对于更高的加工精度要求,则组 成刀具路径的直线段数量会更多,且该数量还会随着曲线形 状复杂程度的增加而增加。 在使用NURBS刀具路径进行数控加工时的NC程序指
曲面数控加工中面向NURBS刀具路径生成的刀位点分段算法
曲面数控加工中面向NURBS刀具路径生成的刀位点分段算法一、引言- 研究背景- 目的与意义- 现有研究问题及不足二、相关技术和理论- 曲面数学和NURBS基础知识- 数控加工技术与加工路径生成方法- 面向NURBS刀具路径的刀位点生成算法三、面向NURBS刀具路径的刀位点分段算法- 算法流程设计- 刀位点分布规则分析- 刀位点分段实现方法四、算法实现与验证- 程序设计与调试- 实验测试与结果分析五、结论及展望- 研究工作总结- 存在问题及改进方向- 前景与意义参考文献一、引言随着现代制造技术的不断发展和进步,数控加工技术越来越广泛地应用于各种工业制造领域。
其中,曲面数控加工技术是一种常见的高精度零件加工方式,具有加工精度高、加工效率高、加工自动化程度高等特点。
因此,曲面数控加工技术在航空、机械、模具等制造领域广泛应用。
曲面数控加工的基本任务是将 CAD 三维模型数据转化为数控加工机床的 G 代码,控制刀具轨迹实现加工操作。
在曲面数控加工中,生成高效、准确的刀具路径非常重要,可以直接影响加工质量和效率。
因此,如何将 CAD 三维模型数据转化为高效的数控加工机床 G 代码,逐渐成为曲面数控加工技术中的研究热点。
NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines)是一种常用的曲面表达方法,它在现代制造技术中得到了广泛应用。
针对NURBS 接口的刀具路径生成是曲面数控加工的一项重要研究内容。
目前,如何在计算机中精确地表示和绘制 NURBS 刀具路径已成为数控技术中需研究的关键。
在曲面数控加工中,如何实现高效的刀位点分段成为研究领域之一。
本论文将针对面向 NURBS 刀具路径生成的刀位点分段算法进行研究,为曲面数控加工机床提供高精度的 G 代码生成方案。
本文将从以下几个方面展开研究:首先,简要介绍曲面数控加工技术的发展背景、研究现状及存在问题。
随后,探讨本研究所需要用到的相关技术和理论,包括曲面数学和NURBS基础知识、数控加工技术与加工路径生成方法、面向NURBS刀具路径的刀位点生成算法等。
自由曲面数控加工刀具轨迹的规划与计算
图7 短程线曲率半径的计算 根据短程线的几何性质可知,曲面上在给 定点处的短程线的主法矢方向是沿着曲面在该 点处的法矢方向,于是可以根据曲面的第一和 第二基本公式计算出短程线曲率半径
图 5 CL路径截面法生成刀具轨迹 对于复杂曲面的加工,截面法加工效果明 显,容易实现曲面间的光滑走刀。其不足之处在 于计算比较复杂,如果曲面求交算法的可靠性 不高或精度低,那么可能会导致计算结果错误 或者轨迹不满足精度要求。 采用截面法加工曲面时,如果曲面各处都 比较平坦,则可以生成分布比较均匀的刀具轨 迹,加工后可使零件表面上的残留高度比较均 匀。但是截面法加工的截面间距不易控制,难以 与曲面实际形状相吻合,导致在曲面的平坦处 轨迹较为密集,而在陡处轨迹比较稀疏,加工后 表面的残留高度不均匀,表面质量不一致,加工 效率也不高。下图为截面法加工马曲面的刀具 轨迹:
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工 程 论 坛
中国科技信息 2005 年第 13 期 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jul.2005
(a) 参数空间 (b) cartesian空间 图4 曲面离散过程
1)将曲面在参数空间沿 u 向和 v 向进行四叉 树划分,然后把四边形分解为两个三角形(如图 a 所示);
2 )曲面模型——刀触点轨迹——无干涉 刀位轨迹。其基本思路是首先生成不考虑干涉 问题的刀触点轨迹,然后通过干涉检查与处 理,生成无干涉刀位轨迹。这种策略非常适用 于四、五轴数控加工,因为在四五轴数控加工 中,由于刀轴控制的灵活性,很难由刀位点确 定刀触点和刀轴的最佳偏转角度,所以四五轴 数控加工尤其是非球头刀加工进刀具轨迹的生 成算法基本采用该策略。
光学自由曲面飞刀加工刀位轨迹的生成算法
第!"卷第#期"$$%年#月光学技术&’()*+,(-*./)01-2345!"/35#!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!6785"$$%文章编号:#$$"9#:;"("$$%)$#9$$!#9$!光学自由曲面飞刀加工刀位轨迹的生成算法"杜建军,高栋,王素娟,姚英学(哈尔滨工业大学深圳研究生院,深圳:#;$::)摘要:基于双三次<样条曲面对光学自由曲面的描述,采用参数变化量控制法进行刀具轨迹的计算。
通过分析飞刀加工的特点,推导出单晶金刚石飞刀加工光学自由曲面的刀位点的计算方法,编程实现了该算法。
根据走刀路径规划和刀位轨迹计算方法可以生成飞刀加工的数控程序,成功地应用该算法进行了光学自由曲面的加工。
关键词:光学自由曲面;超精密加工;飞刀;刀位轨迹中图分类号:(.#%#文献标识码:+!"#$%&’()#*+*%,’&$+$-’$$".,’(-$%-"/01’’*%01’’&+#$--%**-$%)$.’&0221%-,0*!"#$%&’()&,*+,!-&.,/+0*1)’()%&,2+,2$&.’3)4(=>?8@>?8A B7C D7E?=F>334,.7B G H8)8I E H E D E?3J(?F>8343K L,=>?8@>?8:#;$::,*>H87)!32’%,0’:+F F3B C H8K E3E>?M3C?43J J B??J3B M3N E H F I,O>H F>O7I B?N B?I?8E?C G L E>?P3D G4?*D G H F<9=N4H8?=D B J7F?,F38E B34 3J N7B7M?E?B I Q7B H7E H38O7I D I?C E3F74F D47E?E>?/*M7F>H8H8K E334N7E>5<7I?C387874L@H8K E>?F>7B7F E?B H I E H F I3J M383F B L I E74C H7M38C J4L FDE E?BM7F>H8H8K,E>?J3B M D47J3B F74F D47E H8K F D E E?B43F7E H38C7E7O7I C?C D F?C78C E>?F3B B?I N38C H8K74K3B H E>MO7IB?74H@?C G L N B3K B7M M H8K5+F F3B C H8K E3E>?74K3B H E>M78C N7E>47L3D E3J F D E E H8K J??CM3C?,E>?/*N B3K B7MH I K?8?B7E?C78C F78G?7N N4H?C E3M7F>H8?J B??J3B M3N E H F I54*/5$%62:J B??J3B M3N E H F I;D4E B79N B?F H I H38M7F>H8H8K;J4L F D E E?B;E334N7E>7前言光学自由曲面由于具有成像质量好、简化仪器结构、降低成本等优点,因而在光电和通讯领域获得了越来越多的应用。
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自由曲面加工理论与应用
第03讲--刀具路径生成算法概述
刀具路径生成方法的分类
(Taxonomy of tool-path generation)
❑刀具路径生成方法包含的要素(Tool-path generation (TPG) mechanism)
•1)刀具路径规划的区域(Path-planning domain)
在二维区域内规划走刀模式(toolpath patterns),生成刀
具路径
(2D domain where tool-path patterns are planned)
•2)刀具路径生成的曲面(Path-generation surface)
在CC-surface或CL-surface等3D surface上生成刀具路径
(3D surface →CC-surface or CL-surface)。
三种刀具路径规划的区域(Three types of Path-planning domains)
1)参数区域(Parameter-domain(PD)): tool-paths are planned on the u,v-domain of the 3D surface r(u, v), and then they are mapped back to r(u, v).
2)导动平面(Guide-plane(GP)): tool-paths are planned on a separate “guide-plane”, and then they are projected on the surface.
3)导动曲面(Drive-surface(DS)): tool-path are defines as a series of intersection curves between “drive surfaces”and the pare-surface
❑TPG-mechanism = (PD CC , GP CC , DS CC , [PD CL ] , GP CL , DS CL )PD CC ——CC-based parameter-domain method
GP CC ——CC-based Cartesian tool-path
DS CC ——CC-based APT-type tool-path
PD CL ——CL-based parameter-domain method
GP CL ——CL-based Cartesian tool-path
DS CL ——CL-based APT-type tool-path
对3轴刀具路径生成而言,CL-based method have distinct advantedges over the traditional CC-based methods.
Note the combination ‘PD CL ’is optional because it is not likely to be employed in practice.
刀具路径生成方法(Tool-Path Generation Methods)
1) Conventional TPG Methods (CC-based methods)
2) CL-based Method (C-space method)
CC-based TPG methods
种类(对应于三种刀具路径规划的区域)
(1) Isoparametric method: CC-paths are planned on the parameter-domain
(2) CC-Cartesian method: Tool-paths are planned on a guide-plane
(3) APT method: Intersecting the part surface with a series of drive-surfaces.
过程(TPG procedure in CC-based methods):
1) Mapping: computation of a CL-point for a given ¡domain-point¡.
2) Marching: find the next domain-point from the current point on the path.
3) Side stepping: find the initial domain-point on the next path.
Isoparametric Tool-Path Generation
刀具干涉(Cutter-interference)
❑刀具干涉的种类(Cutter interference types)•曲率干涉(CL-point interference)
gouging occurs at a CL-point.
•运动干涉(CL-line interference)
gouging occurs on a CL-line.
•碰撞(collision)
Dead center collision (round-endmill), holder collision and
shank collision
1)曲率干涉(CL-point interference)
Sufficient condition for concave-gouging:d > 1/ρ ,
2)运动干涉(CL-line interference ,Convex gouge)(1)凸干涉(Convex-gouge)
凸干涉避免方法(Convex gouge avoidance)
method:insert additional CL-points at q i(for i=1,2)参见:Ball-end cutter
interference avoidance
in NC machining of
sculptured surfaces.
CAD
(2)Round-endmill gouge and Vertical gouge (convex)
3)碰撞(collision)
三种(three types):
Dead center collision (round-endmill) Holder collision
Shank collision
切削仿真和验证(Cutting Simulation and NC Verification)
❑切削仿真的几何模型(Geometric models used for cutting simulation)
Z-map model
Dexel model
Discrete vector model
Voxel model.
切削仿真的类型(Type of cut-sim)
•视觉仿真(Visual cut-sim)
To obtain a visual image of the machined-surface.
•几何仿真(Geometric cut-sim)
To examine the machined accuracy, usually down to 0.01mm.
•物理仿真(Physical cut-sim)
To verify cutting conditions (by computing excepted cutting forces).
Thanks…
谢谢!。