復(fù)雜曲面加工方法

1、復(fù)雜曲面的加工方法第1頁，共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四第2頁，共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四第3頁，共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四第4頁，共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四第5頁，共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四第6頁，共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四第7頁，共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四GP7200第8頁，共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四第9頁，共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四2.數(shù)控加工復(fù)雜曲面的數(shù)控加工

2、主要包括三個方面:1.曲面造型2.數(shù)控編程3.數(shù)控機(jī)床加工第10頁，共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四 2.1曲面造型第11頁，共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四自由曲線是指不能用直線、圓弧和二次曲線描述的任意形狀的曲線。自由曲面是指不能用基本立體要素（如棱柱、棱錐、球、有界平面等）描述的呈自然形狀的曲面。2.1.1曲線曲面基本理論第12頁，共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四2.1.2曲面造型方法復(fù)雜曲面造型常用的方法主要有Coons曲面、Bezier曲面和B樣條曲面三類。由于NURBS曲面方便靈活，具有強(qiáng)大的形狀描述能力，被國際標(biāo)準(zhǔn)化IS

3、0組織在STEP(工業(yè)產(chǎn)口數(shù)據(jù)交換)標(biāo)準(zhǔn)中定義為描述產(chǎn)品形狀的主要數(shù)學(xué)方法。NURBS曲線曲面造型技術(shù)在許多商業(yè)化的CAD/CAM軟件中得到了成功的應(yīng)用，如UG、PROE等。第13頁，共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四復(fù)雜曲面造型新方法1.三角曲面2.散亂數(shù)據(jù)插值曲面3.變形造型技術(shù)4.能量優(yōu)化法曲面5.基于小波技術(shù)的曲線、曲面造型等技術(shù)6.用偏微分方程構(gòu)造曲面等方法第14頁，共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四2.2數(shù)控編程數(shù)控編程方法可以分為兩類：1.手工編程2.自動編程第15頁，共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四三坐標(biāo)曲面加工（走刀路線

4、）數(shù)控加工工藝五坐標(biāo)曲面加工（刀軸控制）刀位數(shù)據(jù)及刀位計算（三、五）數(shù)刀具軌跡生成方法控刀具路徑規(guī)劃走刀步長的確定編程刀具干涉碰撞檢驗和處理幾何仿真力學(xué)仿真數(shù)控加工仿真CL仿真NC仿真第16頁，共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四2.2.1數(shù)控加工工藝加工工藝的合理確定對實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、經(jīng)濟(jì)的數(shù)控加工具有極為重要的作用，其內(nèi)容包括：選擇合適的機(jī)床刀具走刀路線主軸速度切削深度進(jìn)給速率等第17頁，共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四三坐標(biāo)曲面加工可以采用球頭刀、平底立銑刀、環(huán)形銑刀、鼓形刀和錐形刀。其特征是加工過程中刀具軸線方向始終不變，平行于Z坐標(biāo)。三坐標(biāo)曲面加工

5、通過逐行加工走刀（行切）來完成，通過刀具沿切削行的運動，近似包絡(luò)出被加工曲面。三坐標(biāo)曲面加工原理三坐標(biāo)曲面加工第18頁，共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四走刀路線圖a、b分別為沿參數(shù)曲面的u向和v向參數(shù)線走刀，c為環(huán)切走刀。圖a中的刀具軌跡均勻（與截面線型刀具軌跡基本相當(dāng)），因而具有較高的加工效率與代碼值質(zhì)量。圖c方案變成相對復(fù)雜，主要應(yīng)用于邊界受限制的曲面。 第19頁，共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四五坐標(biāo)曲面加工五坐標(biāo)機(jī)床在三個平動軸基礎(chǔ)上增加兩個轉(zhuǎn)動軸，是實現(xiàn)復(fù)雜曲面高效高質(zhì)量加工的重要手段。具有以下特點：1.可避免刀具干涉，加工適應(yīng)性廣2.對于直紋

6、類曲面，可采用側(cè)銑方 式一刀成型，加工質(zhì)量好、效率 高。第20頁，共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四3.對于一般的立體面特備是較為平坦的大型表面，可用大直徑端銑刀貼近表面進(jìn)行加工，走刀次數(shù)少。殘余高度小，可以大大提高加工效率與表面質(zhì)量。4.五軸加工時可以使刀具相對于工件表面總是處于最有效的切削狀態(tài)第21頁，共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四1.垂直于表面方式即刀軸始終平行于個切削點處的表面法矢，適用于大型平坦無干涉凸曲面端銑加工。2.平行于表面方式即刀具軸線或母線始終處于各切削點的切平面內(nèi)，對應(yīng)方式一般為側(cè)銑。這種方式的重要應(yīng)用時直紋面的加工。3.傾斜于表面

7、方式由刀軸矢量在局部坐標(biāo)系中與坐標(biāo)平面所成的兩個角度 和定義。其中，n為切削點處的單位法矢，a切削點處沿進(jìn)給方向的切矢，v=n x a,( a, v, n )為切削點處的局部坐標(biāo)系。為前傾角；為傾斜角常見的刀軸控制方式：第22頁，共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四2.2.2刀具路徑規(guī)劃刀具路徑規(guī)劃是復(fù)雜曲面數(shù)控加工中最重要的內(nèi)容。它是通過曲面的幾何模型，根據(jù)所選的機(jī)床、刀具、走刀方式、加工余量等工藝方法進(jìn)行刀位計算并生成加工運動軌跡。其中涉及到的核心問題包括：1.刀位數(shù)據(jù)及刀位計算2.刀位軌跡生成方法3.步長計算4. 干涉碰撞的檢測和處理等第23頁，共41頁，2022年，5月

8、20日，6點23分，星期四刀位數(shù)據(jù)及刀位計算 刀位點即CL點（Cutter Location），是刀具在空間的位置點。刀具軌跡即刀位點的軌跡。實際應(yīng)用當(dāng)中采用刀具軸線的頂點或端點作為標(biāo)準(zhǔn)的刀位點。對于三坐標(biāo)曲面加工刀位計算：第24頁，共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四由于五坐標(biāo)加工曲面，刀具位置和刀具軸線的方向都是變化的，因此，五坐標(biāo)加工的刀具軌跡是由工件坐標(biāo)系中的刀位點位置矢量和刀具軸線方向矢量組成。切削點位矢為r、則刀位點p的位矢 和刀軸單位矢量 為第25頁，共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四1.參數(shù)線法是以被加工曲面的參數(shù)線作為刀具接觸點路徑來生成刀具

9、軌跡。曲面的參數(shù)方程為：刀具軌跡生成方法第26頁，共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四2.CC路徑截面線法在走刀過程中，將刀具與被加工曲面的CC點（接觸點）約束在另一組曲面內(nèi)，即用一組約束曲面與被加工曲面的截交線作為刀具接觸點路徑來生成刀具軌跡。常用的約束面有平面、柱面等簡單的曲面。第27頁，共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四3.CL路徑截面線法 直接用一組約束曲面與被加工曲面的刀具偏置面的截交線作為刀具軌跡。兩種計算方法：1.直接構(gòu)造法，又叫偏置法如圖（a）2.通過迭代計算在約束面上求取刀具與被加工面相切的一系列刀位點，由此構(gòu)成刀具軌跡。如圖（c）第28頁，

10、共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四4.導(dǎo)動面法通過引入導(dǎo)動面來對走刀過程進(jìn)行約束，使刀具始終保持與曲面與導(dǎo)動面相切。由于導(dǎo)動面計算復(fù)雜，一般用于組合曲面的交線清根處理。第29頁，共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四走刀步長確定曲面加工的刀具軌跡理論上是由刀具與曲面的嚙合關(guān)系所確定的復(fù)雜曲線，由于CNC插補(bǔ)能力的限制，該軌跡只能用一系列小直線段進(jìn)行插補(bǔ)。走刀步長（逼近線段）第30頁，共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四曲面加工刀具軌跡步長算法1.等步長法：包括等參數(shù)步長和等距離步長，為滿足加工精度，通常參數(shù)步長取值偏于保守，所以計算點位信息多。2

11、.步長篩選法先以等步長法對刀具軌跡密集離散，然后根據(jù)各點的實際誤差刪除不必要的點。3.補(bǔ)償估計法根據(jù)當(dāng)前刀具接觸點的局部幾何形狀與走刀方向來估計滿足精度要求的步長，再由此確定下一刀位點的位置。第31頁，共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四干涉檢測和處理用一定尺寸的刀具加工曲面時，由于曲面各點曲率的不同會產(chǎn)生過切和欠切的情況。由于五坐標(biāo)刀軸的可控性，其干涉檢查和處理比三坐標(biāo)復(fù)雜的多。第32頁，共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四干涉情況1.刀頭干涉主要發(fā)生在曲面上的內(nèi)凹區(qū)域和曲面與平面的連接處2.刀軸干涉主要發(fā)生在異型曲面、加工通道、型腔類零件第33頁，共41頁，

12、2022年，5月20日，6點23分，星期四干涉檢測方法1.直接距離計算法通過直接計算刀具表面與曲面的距離來判斷，并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，直到刀具表面與曲面的距離滿足要求。該方法需要迭代計算，計算量大。2.多面體法首先將曲面離散成一系列滿足精度要求的三角片，將曲面轉(zhuǎn)化為多面體離散平面，通過計算刀具與多面體的距離來判斷是否干涉，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，直到刀具表面與曲面的距離滿足要求。計算可靠，應(yīng)用廣泛。第34頁，共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四干涉處理方法1.軸向移動使刀具沿刀軸方向移動到一個新的位置2.軸線擺動保持接觸點不動，通過擺動刀具軸線到一個新的方向第35頁，共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四3.軸線平移使刀具在垂直于刀軸平面內(nèi)沿曲面法矢方向平移到一個新的方向第36頁，共41頁，2022年，5月20日，6點23分，星期四2.2.3數(shù)控加工仿真目前NC切削過程仿真分為：幾何仿真：基于后置處理前的CL數(shù)據(jù)(刀位數(shù)據(jù))所進(jìn)行的 仿真力學(xué)仿真：基于后置處理所產(chǎn)生的NC程序而進(jìn)行