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刀具轨迹生成与动态切削过程仿真


刀具轨迹生成与动态切削过程仿真五坐标数控加工 丁 1,*,双 qingzhen2,朱利民 2 华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室,,武汉 430074; 上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室,,上海 200240 2009 年 10 月 9 日 2009 年 12 月 29 日收到 五轴数控加工提供了一种有效、 高效的方法来制造复杂形状的机械零件,这是一 种有效的方法广泛应用于航空航天,能源和国防工业。其技术创新在最近备受关 注岁月。在本文中,国家的最先进的技术,五轴加工工艺规划的总结和挑战从刀 具路径生成,集成几何/机械仿真和分析的问题进行了分析加工稳定性分析。基 于可访问性的刀具定位优化方法研究进展线接触和三点接触加工, 刀具包络面形 状控制和铣削稳定性预测详细介绍。最后,新兴趋势和未来的挑战进行了简要讨 论。 关键词:五轴加工,刀具轨迹生成,集成几何/机械仿真,动力学仿真 引文: 在传统的三轴数控加工的翻译刀具的运动是允许的, 而刀具方向可以改变一五轴 机床因为另外两个旋转轴。优势五坐标数控加工主要依赖于控制工具取向: ( 1) 零件间的碰撞可通过选择可访问的工具的方向,它提供了机器的能力复杂的形 状,如航空航天,涡轮叶片和船用螺旋桨。(2)大的加工条带宽度如果工具方 向被正确地规划,则可获得工具提示几何匹配的零件几何。再者,高效的刀面研 磨可以应用于机器航空叶轮用一五轴机床。(3)在五轴加工中,切削条件可以 得到改善。例如,它是可以缩短的工具悬挑长度如果工具定位优化。确定在一个 密闭的空间中, 当表面被机械加工时,安全和最短的刀具长度是非常有用的小直 径铣刀可用于。切割区域的刀具,从而影响切削力,刀具磨损和机械加工表面质 量也可以通过改变来控制刀具导向。 除了上述优点外, 还有一些具有挑战性的五轴加工中的问题。自工具方向是可调 的,很难像图像的复杂工具的空间运动。因此,它更难以生成无碰撞和高效率的 刀具路径,这限制了它的广泛应用。此外,切割力预测和动力学模拟更为复杂因 为所涉及的切削参数是随时间变化的在加工过程中。 约五轴电流工作机械加工分 为三类 1 类:刀具轨迹生成,集成几何/机械模拟动力学仿真,如图 1 所示。 刀具轨迹生成是计划的过程,相对于基于零件模型、加工方法和公差要求。刀具 轨迹对切削效率和质量有很大的影响。它也是基金会集成的几何 /机械模拟,这 取决于切削几何与切削力模型的研究技术。 切削几何反映了网格的状态在刀具和 工件之间的材料清除过程。 通过整合切割的几何形状和切削力模型,可以预测的 瞬态切削力。切削力,然后可以应用到动态模拟,进给率优化,预测补偿变形。 动态仿真目标是预测切削稳定性和加工表面基于切削力和动力学特性的研究机 床夹具系统的研究。力学仿真有助于优化切削参数和刀具路径。

五坐标数控加工的文献是巨大的。许多相关的商业系统已经开发出来,如通用 CAM 软件 UG 和 CATIA,专用 CAM 软件最大 AB 加工加工叶片的叶轮和 turbosoft 和动力学仿真软件 cutterpro。 欧盟委员会支持了一个关于刀面铣削优化的方案被 称为“火烈鸟”。因为明显的优势后刀面铣刀在切削效率和表面质量的研究,一些 著名公司(Snecma,卷劳斯莱斯,达索系统 èMES)和大学(汉诺威)参加了这 个项目。 五轴的研究高效率和高精度的加工也有已在一些著名公司, 如联合技术, 普拉特。 目前商业凸轮系统提供了很多刀具轨迹生成与动态仿真的策略切削加工。然而, 表演的智慧,可用性和计算效率仍然需要改进。例如,刀具的策略选择方向优化 取决于程序员的技能; 它是很难自动生成的最佳工具的方向,同时考虑所有的实 际切割过程所需的目标,如防撞,大型有效切割宽度,全球范围内刀具方向平滑 度和刀具长度短。再者,关于动态仿真目标的大部分工作三轴加工。适用的模型 和算法要探索五轴加工。 1 刀具轨迹生成刀具轨迹生成是最重要的技术数控编程。五轴加工中的关键问题 是规划刀具方向。理论上,工具定位可以在高斯球上的任何一点。事实上,可行 的刀具方向是唯一的一个有限的区域上的高斯球由于全球冲突的约束避免和机 器关节角度限制。提高加工效率与质量,每一个工具的定位刀具位置(氯)数据 应考虑优化一个实际切削过程中的重要因素。这些因素包括几何约束,运动学约 束, 动力特性和物理因素。 如何考虑这些因素是最刀具轨迹生成研究中的挑战性 问题。 1.1 避撞 在过程中必须首先考虑碰撞避免刀具轨迹生成。 主要有 2 种想法为避免干扰: (1) 首先生成,然后调整刀具导向,以避免碰撞。(2)基于访问的工具路径生成。 与前一个想法,刀具方向都是按照一定的策略计划。碰撞检测方法,然后用于检 测的碰撞工具和零件。如果发生碰撞,该工具方向必须改变如图 2 所示。随着后 者的思想,刀具的方向直接生成在无障碍视锥如图 3 所示。 关于第一思想的研究集中于算法提高碰撞检测效率与调整刀具方向,以避免碰 撞。在实际应用中,工具路径通常由成千上万的成千上万的刀具位置。碰撞检测 往往需要大量的计算时间和资源。 因此已经提出了许多算法, 以提高碰撞检测[2,3] 计算效率。什么 时候加工形状复杂、检测与调整过程通常重复几次。避免碰撞 首先关注的。要考虑其他因素的影响是很困难的切割加工时,调整刀具方向。

基于访问的刀具路径生成方法 双步。每一个刀具的无碰撞刀具方向 首先计算接触点。碰撞集— 自由切刀方向称为辅助锥。这个 刀的方向然后在 accessibilitycones 生成。这种方法最明显的优点是调整刀具方向 的迭代过程几乎可以避免。基于可达性锥,可制造性可以直接确定。此外,刀具 在碰撞中可以进行方位优化—自由空间。其他目标,如切削力和速度平滑也可以

考虑。 问题有了这个想法是在有效地计算无障碍的难度视锥。通常可将成本计算 大的计算时间, 因为复杂的形状可能包括成百上千的多边形网格。一些算法提出 了提高计算效率如空间(配置空间)方法[4,5]和知名度为基础的方法[ 6?10 ]。 虽然空间是一个优雅的概念来处理与碰撞回避, 自由空间不能被明确地和有效地 计算。王等人。[ 5 ]显示所用的时间计算一个由 10000 个三角形组成的无障碍锥 将是 1190.33 分钟。此外,该算法不考虑刀具座的碰撞。刀具可以被抽象为一个 发光的光线,如果它的半径被忽略的话,它发出的光。然后碰撞回避问题被转化 为能见度。 我们[ 6?8 ]描述刀的可视锥使用空间的概念提出三种加速计算策略计 算机隐藏表面去除技术的速度图形。 一个复杂的表面制造工艺还分析了基于可视 锥。不过,传统的能见度只是必要的条件可访问性,因为一个铣削工具通常由几 个有限半径的圆柱形状。 真正的可访问方向不能直接从能见度锥,二次碰撞检验 和回避策略仍然需要[ 9 ]。无障碍将是平等的加工表面和干涉的能见度检查表面 被其偏移表面所代替[ 10 ]。 然而, 偏移表面通常是不容易获得的和避免工具持人 的冲突回避保证,该方法仅适用于简化而且刀具和不能扩展到其他类型的刀具。 我们[11,12]提出了一种计算的高效算法利用图形硬件的可访问性锥。 算法具有几 乎线性时间复杂度,并适用于这两个平端和圆端铣刀。一般来说,氯点可以被指 定的,外法线方向的加工表面和刀具方向。如果观看方向与刀具方向相反,全球 可访问性的刀然后等于完整的能见度所涉及的气缸和锥。 这种等价提供一种有效 的方法, 用于检测可访问性使用遮挡查询的铣刀图形硬件功能。计算效率在表三 中比较了 1 种算法的比较。它被发现,我们的算法的计算时间是少比 2%,在[ 9 ] 即使两个三角形的数目和刀具的方向的数目是大于在[ 9 ]中的 10 倍。 平均计算时 间为在一个接触点一刀定位小于 2 的‰在[ 9 ]。平均计算时间也少得多比在[ 3 ] 即使输入的三角形的数目比[ 3 ]大得多。 1.2 切割效率 目前,球头刀具被广泛采用五轴数控加工。球头的主要优点铣削是,它适用于几 乎任何表面,它是相对容易产生的刀具路径。从制造商的观点,但是,主要的缺 点球头铣刀是非常耗时的。 它可以需要更多的完成传球和每一个通过删除少量材 料。与球头铣刀相比,非球头铣刀具有更为复杂的几何形状,和在不同的不同的 “有效切割型材”位置。因此,它是可能的位置的刀具,使其“有效切削轮廓”匹配 设计表面,这将导致在一个伟大的改进的加工条宽度。因此,越来越多的关注已 被吸引到铣削复杂曲面刀具路径优化问题用非球头刀具。

在五个轴的加工, 加工表面形成由扫过的刀面包络。真正的加工误差是设计表面 之间的偏差和刀具包络面。 这是众所周知的刀具包络面形状不能完全除非所有的 刀具位置给出[13,14]。由于在本地建模的难度和复杂性刀具包络面,大多数工程 采用近似或简化模型, 制定的问题最优刀盘定位与刀具逼近表面的设计表面附近 的电流控制点[ 15 ]。这些优化模型不真正的加工过程的特点。而且,他们只适用 于某些表面或刀具。 只有几个作品已经解决了刀具定位局部逼近的问题设计表面的刀具包络面[ 15? 17 ]。为一平底或盘形刀具,王等。[ 15 ]和饶等。[ 16 ]开发的第三-和二阶近似模 型的刀具包络面,分别。然而,为这样的切割机,它的包络面被切割圆,这不是

一个旋转的表面。因此,这 2 种方法不能适用于其他类型的旋转刀具。最近,贡 等。 [ 17 ]开发了一个数学模型这描述了二阶近似的包络线邻域内一般旋转刀具的 表面的连铸点, 然后提出了刀具定位使刀具包络面有接触的策略二阶与设计表面 在连铸点。然而,从理论上讲,一个三阶接触刀具包络面与设计曲面可以通过调 整刀具方向来实现。 这即刀具位置规划的基础上的二—订单模式不充分利用效率 和电源, 五轴加工提供。 上述模型是不兼容的彼此。 此外, 通过求解 2 个方程组, 得到了最优的氯离子从二阶和三阶接触条件。由于机器关节角度限制的限制,全 球碰撞避免和刀具路径平滑,可能没有方程组的可行解。

在我们最近的作品[ 18,19 ],一对线接触曲面的几何性质进行了研究。然后,基 于关于刀具包络面接触的观察与刀具表面和设计表面沿特征曲线与刀接触(连 铸) 路径, 一种描述三阶近似的数学模型在刀具的包络面上一个给定的刀具位置 (氯)的开发。它显示即在正常的曲率半径的法线刀具包络面及其导数的截面 关于正常截面的弧长由刀具表面和设计面。 这种模式的特点的内在关系在刀具表 面, 刀具的包络面和在连铸点附近的设计表面。在此提出了一种有效的工具定位 策略无球头自由曲面加工通过调节倾斜的倾角, 获得最佳的氯离子和倾斜角度的 刀具, 直到它的包络面设计表面有三阶接触连铸点, 从而导致在一个宽的加工条。 这个策略可以处理关节角度限制的限制,全局避障与刀具路径平滑自然之道,并 适用于一般的旋转刀具和复杂的表面。 数值例子证明了三阶点接触法可以提高加 工条宽与最近相比二阶二。 加工的比较带钢宽度采用不同的 CLS 五轴加工用环形 刀具的螺旋面进行了总结表 2。用于仿真的工具参数的值是:圆环面的半径= 10 毫米,和半径角= 2.5 毫米。 与点铣相比,铣可以提高材料去除率,降低切削力,消除必要的手工完成,并确 保改进的组件精度。 它提供了一个更好的选择加工细长表面。 Lartigue 等人。 [ 20 ] 提出了一种方法在全局优化后刀面铣加工刀具轨迹。 这个基本思想是将刀具轴的 轨迹曲面变形该工具的包络面符合设计表面根据到最小二乘准则。简化计算,采 用一种近似的距离测度。对于一个圆筒形刀具,功等。[ 21 ]提出错误传播原理, 将问题转化为最小二乘(最小二乘)近似的轴轨迹曲面的等距曲面的设计。在这 些双工作,不是局部的几何误差,而是刀具和刀具的包络面之间的几何误差 设计表面,是第一个关注。因此,它被称为全局优化方法。虽然最小二乘法 是易于实现和高效的计算, 它不能把容易的非过切约束所需的半精铣,更重要的 是,它不符合最小区域系统的推荐标准由 ANSI 和 ISO 标准必要的性能评价。此 外, 加工表面的几何偏差从名义上没有明确界定和影响的工具轴轨迹表面变形这 种偏差的变化并没有定量分析。在我们的研究中[22,23],最大垂直距离从设计面 上到刀具包络线表面被引入来表征的几何误差加工表面。一阶梯度和二阶—阶 Hessian 矩阵的距离函数的控制轴运动轨迹的控制参数表面衍生。在此基础上, 完整的原则, 开发了采用圆柱铣刀的五轴铣削刀具路径优化模型和算法从曲面逼 近的角度看最小区域准则, 并应用于后向铣削非可展直纹面。几何精度与现有的 相比提高了约 30%算法。另一个优点是,我们的方法可以很容易地与过切自由约 束处理。比较结果列于表 3。在我们的模型中,包络面由于这一事实,这是没有 关系的圆筒形刀具的包络面是等距面刀具轴心轨迹曲面。因此,方法只适用于圆 柱形刀具,不能推广其他类型旋转刀具轨迹的推广刀具。


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