复杂曲面

复杂曲面（精选九篇）

复杂曲面 篇1

冒型材结构是飞机上常用的结构形式, 主要起到蒙皮的内部加强作用。冒型材的曲面结构与蒙皮的曲面结构一致。在某型飞机研制中, 为保证飞机整体性能, 机尾罩蒙皮和用于加强机尾罩蒙皮的冒型材首次采用复杂曲面结构, 相对于复杂曲面的蒙皮成形工艺而言, 复杂曲面冒型材的成形难度更大, 如何结合现有的工艺, 实现钛合金冒型材零件的制造, 对于整个飞机的研制都具有重要意义。

二、零件结构分析

(一) 零件的几何结构特点。

传统的钛合金冒型材结构比较简单, 曲率单一, 冒型材截面通常为对称结构, 拉深高度较小, 一般不大于6mm, 而且冒型材截面的开角较大, 一般都大于120°, 这样的冒型材具有很好的成形工艺, 可以在型材滚弯机上通过专用的滚轮进行成形, 加工方法也很简单。某重点型号机尾罩上钛合金冒型材由于同机尾罩蒙皮的复杂外形配合, 其外形结构十分复杂, 零件截面是非对称结构, 立边与底面夹角很小, 分别为92°和106°, 拉深高度大, 最大拉深高度为13mm, 弯边最大弯曲半径为R2.5mm, 同时零件整体外形为双曲度弧面, 在零件圆弧方向存在曲率极小的拐点及1.2mm深下陷。零件几何结构图及截面图如图1、2。

(二) 工艺分析及工艺方案。由于钛合金冒型材整体结构不规则, 圆弧方向曲率大小不一至, 无法采用通用的滚弯成形, 考虑到零件截面不存在闭角, 材料为TC1属于低强度合金, 在450℃~600℃范围时, 具有很好的塑性, 初步确定采用等温加热成形的加工方法。

等温加热成形是将模具放在热成形机中加热, 待模具温度达到工艺要求时, 将板材放入模具中保温, 待温度均匀后合模, 保温保压。等温成形具有如下优点:一是模具温度均匀, 板料加热温度均匀, 材料均匀流动, 不易产生开裂及皱褶。二是加热后材料塑性提高, 变形抗力降低, 对设备及模具损伤小。三是保温的温度、时间与退火的温度、时间接近, 所以成形后零件无残余应力, 贴胎度好。四是成形温度受控均匀, 没有晶力长大等材质变化的可能性, 同时表面产生均匀的低温氧化, 后续表面处理容易去除氧化皮。五是无需进行真空退火消除应力, 大大降低成本, 提高效率。

三、试验过程

(一) 工艺参数。

将模具加热并稳定在成形温度, 把毛坯放入模具并加热到成形温度。成形温度:500℃~600℃;预热时间:2~3分钟;保压时间:10~15分钟;工作压力:50T。

(二) 工艺流程。

根据模具试压结果, 初制零件展开毛料样板, 按毛料样板下展开毛料。将零件毛料放入到模具中并加热到成形温度, 保压10~15分钟, 按TC1材料热成形温度成形, 主要工艺过程如下:下料———分光———制展开毛料———边缘修光———滚弯预成形———涂石墨———等温热成形———制外形———酸洗———终检。

四、技术难点

(一) 开敞性差。

零件整体开敞性不好, 虽然零件截面不存在闭角, 但由于零件整体外形为复杂的双曲度型面, 如何摆放零件能够使零件完全开敞直接影响零件能否成形。

(二) 拉深比过大。零件最大弯曲半径过小, 拉深高度过大, 在拉深成形过程中很容易产生裂纹。

(三) 曲面不规则。零件为双曲度弧面, 在成形过程中容易出现褶皱, 在曲率小的拐点处, 零件容易拉裂。

(四) 下陷成形困难。零件下陷深度过浅仅为1.2mm, 模具间隙的不均匀和成形后的回弹都将影响下陷成形质量。

五、解决措施

(一) 优化工装结构。针对零件开敞形不好的问题, 在工装设计之初便充分予以考虑, 对零件的摆放位置进行反复调整, 确保零件足够开敞, 满足成形要求, 零件热成形工装采用上下模结构, 上下模均是数控加工而成, 保证工装制造精度。工装结构如图3。

(二) 精确制展开毛料。

由于零件结构复杂, 成形过程中很容易拉裂或出现褶皱, 毛料余量越小, 尺寸越精确, 对材料的流动性、成形性越好, 通过对工装进行冷试压, 确定零件成形所需的最小毛料尺寸, 能够有效避免褶皱及裂纹的产生。

(三) 滚弯预成形。

由于零件存在双曲度, 且单方向弧度较大, 高度方向弦高较高, 毛料由平板状态直接成形零件变形量较大, 一次成形十分困难。预先按零件弧度对毛料进行滚弯预成形, 使毛料的弧度方向上能够与零件弧度基本一致, 减少零件热成形时的变形量。

(四) 下陷补偿。

零件下陷深度仅为1.2mm, 对工装模具合模间隙提出较高要求, 模具虽然是数字化制造, 但最后仍需要手工研磨间隙, 上下模间隙很难保证完全均匀, 考虑到下陷在装配过程中起到套合作用, 可以按上差制造, 在工装下陷位置处将下陷深度适当加深, 保证下陷成形质量。

六、结语

通过选取合理的工艺参数, 并采取优化工装结构、确定精确的展开毛料、增加毛料预成形、增加下陷补偿等措施, 钛合金复杂曲面的冒型材零件均能够通过热成形进行加工制造, 产品质量稳定。此次工艺研究对热成形加工复杂曲率的零件进行了摸索, 并取得了一定的实际效果, 拓宽了热成形加工范围, 为以后热成形加工钛合金复杂曲面零件提供了工艺参考。

参考文献

[1]编委会.航空制造工程手册 (飞机钣金工艺) [M].北京:航空工业出版社, 1992

复杂曲面 篇2

摘要：当前，随着全球经济一体化速度的不断，各个国家之间的竞争激烈程度不断增强，在这个过程中，各个国家的制造业的水平对于一个国家在国际分工中的地位以及国际竞争了具有重要的影响，在一定程度上决定了国家的经济地位。数控加工技术是制造业中的重要部分，其中的刀具轨迹规划是复杂曲面数控加工的重点研究内容，因此，本文针对复杂曲面轨迹规划关键技术进行分析，并指出复杂曲面数控刀具轨迹的生成技术，旨在改进轨迹规划算法，提高制造加工的质量和效率。

关键词：复杂曲面；数控加工；轨迹规划；优化

随着时代的发展，汽车、机械以及船舶等工业产品的制造发展速度不断提高，在这个过程中对于各种由复杂空间自由曲面构成的零件使用量也是在不断的增多，由于这类曲面类零件加工是数控加工的重点研究对象，对于社会对于复杂曲面数控技术的进步提出了新的要求。为了实现复杂曲面零件的数控加工，需要首先生成复杂曲面的刀具轨迹，并在此基础上处理得到所需要的NC代码。本文针对复杂曲面数控加工的刀具轨迹的生产技术出发进行研究，并在分析和总结现有轨迹规划方法的基础上，指出其中需要改进的地方，进一步探讨促进复杂曲面数控加工刀具轨迹规划的发展。

复杂曲面 篇3

关键词： 复杂曲面；高效加工机理；方法分析

引言

当今工业领域对高新技术的发展越来越重视，复杂曲面的应用也随之推广，复杂曲面主要用于满足两个方面的需求，一方面是力学特性和功能方面的需要，用于满足设备特定的性能要求，对产品形面的数学特征有高精度的要求；另一方面则为了满足美学效果的需要，和人们对产品外形的需求。针对复杂曲面加工的现状及发展趋势，提高复杂曲面加工的质量、效率及效益已成为主流方向，这对复杂曲面加工中各环节的技术方法都有很高的要求。

1.复杂曲面加工技术的发展概况

1.1复杂曲面加工技术的发展历程

复杂曲面以前主要通过手工放样，手工打磨或辅助于电脉冲的加工方法来完成，即单纯的手工制造。在制造工程中需要进行检测，和大量型线样板的制作，导致制作周期长，工时、材料消耗量大，从而使加工精度降低，难以满足实际生产的需要。在数控机床出现后，在工具和模具制造中得到了广泛的应用，随着新技术（计算机、激光、电子、新材料）的发展，在复杂曲面加工方面的许多新技术应运而生，如激光开槽（Laser Caving）、快速原型制造（RapidPrototyping）和快速工装（Rapid Tooling）等。这些技术的优点在于所需的设备结构简单、灵活性很高，特别适合于加工单件或小批量的工具和模具。

1.2复杂曲面高效加工技术的理论体系

数控加工是复杂曲面加工的一种广泛应用的技术，也是目前复杂曲面加工的主要方法，包括机床数控技术、数控自动编程技术。机床数控系统是硬件也是控制机床运动的执行单元，；而数控编程则是软件，负责产生加工用的零件程序。二者相互作用，构成自动化的加工手段。

数控编程解决了数控加工中程序的编制问题，目前复杂曲面的加工主要包括：曲面造型、数控编程、数控机床加工等。同时在复杂曲面造型方面、数控编程方面、机床数控技术方面、综合效益方面还存在诸多问题，我们的目的是通过对这些问题的研究来完善高效加工技术的理论体系，提高复杂曲面加工水平。

2.复杂曲面高效加工的技术方法

2.1复杂曲面加工方法分析

从两个方面分析复杂曲面的加工方法：一是在造型方面，复杂曲面造型可以从数学的角度和加工的可行性上进行综合考虑，可以有效地避免复杂曲面加工中重迭现象的产生，增强企业的市场竞争力，实现更大的经济效益。二是在数控程序设计方面，复杂曲面的数控程序设计技术正飞速发展，要对基于特征的刀具轨迹生成方法进行研究，并且重视发展高速加工的数控程序设计技术，尤其是对NURBS加工的使用和有效的NURBS刀具轨迹的研究。

2.2复杂曲面加工设备技术

复杂曲面质量的要求提高，带动了复杂曲面加工设备的进一步发展。建立在五轴联动加工技术基础上的复杂曲面加工逐渐推广，五轴联动包括U、V、W轴不同组合的多轴控制多坐标轴联动，不再仅限于x、y、z、A、B（或C）轴联动，采用高精度的等动态误差补偿技术，降低形位误差、提高机床加工的几何精度、表面粗糙度等；使复杂曲面加工设备功能部件实现高速度、高精度、大功率和智能化。

2.3复杂曲面高效加工关键技术

2.3.1毛坯制备技术

现在实型铸造技术广泛地应用于毛坯的制备，就是传统的木模或金属模被泡沫塑料制作代替，造型后不需取出模型，便可以浇注，泡在高温液体金属作用下，沫塑料模型迅速燃烧气化而消失，原来泡沫塑料模型所占有的位置被金属液取代，冷凝后形成铸件，包括干砂实型铸造、负压实型铸造、树脂砂实型铸造。

在毛坯制造时，余量的确定是一个关键的问题。余量太小，刀具在铸造缺陷（如夹砂、氧化硬皮等）处会磨损剧烈甚至折断，因为粗加工时进刀量不可能太大，反而使加工成本加大。若余量过大，则使后续数控加工的工作量增大，降低了加工的高效性。

2.3.2高速铣削技术

加工速度高以及良好的加工精度和表面质量是高速铣削加工技术的特点，目前该技术已向更高的敏捷化、智能化、集成化方向发展，成为第三代模具加工技术。主轴转速、工作台快速移动和进给速度的提高是等机床高速化的具体表现。高速切削机床克服了机床振动，大大降低了传入零件中的热量，大大提高了排屑率，减小热变形，提高加工精度，加工面的粗糙度得到改善。所以，经过高速加工的工件一般不再需要精加工。

2.3.3工艺决策技术等

复杂曲面加工工艺规划包括工艺方案优化及工艺参数优化，加工的高效性受不同的工艺影响非常大。复杂曲面加工时进给量、切削速度和切削深度对刀具的寿命有很大的影响，最佳切削用量一般在一个很小的范围内，要根据具体的刀具与工件材料进行确定。影响工艺的因素既有定量指标，又有定性指标，因此要实现复杂曲面的高效加工，必须采用一定的方式进行工艺决策。

此外，还包括刀具技术、现场化的检测技术、NURBS加工技术、和数控连网技术等。

对复杂曲面质量的要求带动了复杂曲面加工设备的进一步发展，复杂曲面多轴联动加工技术也日趋成熟。我国在这个领域内起步较晚，对机床关键零部件等功能部件、配备智能化技术和高性能数控系统的多轴数控机床的研究和开发应得到重视和加强。目前，复杂曲面加工在制造业中的比重越来越大，它已成为缩短新产品开发周期、提高企业竞争力的一个关键因素。

3.参考文献

[1] 焦向东，贾永田. 基于快速原型技术的金属模具制造发 展现况[J]. 制造技术与机床，2000（7）：8-9.

[2] 赵象元.宽公差复杂曲面反求工程中的关键技术及其应用研究.重庆大学博士学位论文。2000（3）

基于逆向工程的复杂曲面数控加工 篇4

逆向工程是在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下,按照现有的实物模型,利用各种数字化扫描技术重新构造样本产品的CAD模型,进而利用先进的CAD/CAM技术实现产品的改进、修形和制造,并最终加工出产品模型的过程。

基于逆向工程,利用CAD /CAM系统生成CAD模型和NC加工程序是目前复杂曲面加工较为成熟且应用广泛的一种方法。它依靠三维数据扫描技术,把实物扫描后,在计算机中建模和修改、生成NC程序并与数控机床通讯,快速地进行制造。使用这种方法,一方面能快速准确地进行复杂曲面的制作,更重要的是在CAD系统的计算机建模过程中可以对原型进行二次创新,因此它在工业设计、模具型面设计和制作等领域得到了广泛的应用。其主要步骤包括对样品进行数字化扫描、数据预处理、产品CAD建模、加工方案与加工参数的合理选择、刀具轨迹生成、模拟仿真、后置处理、NC程序生成和数控加工。其中,数字化扫描和数据预处理以及产品CAD建模、数控加工刀具轨迹生成是其中关键的技术,下面重点进行分析。

1数字化扫描技术

三维数据的采集方法一般包括接触式和非接触式两种。接触式测量包括点位触发式数据采集和连续式数据采集两种。点位触发式数据采集,如普通三坐标测量机测量,其采集速度较低,一般只适于零件的表面形状检测或需要数据较少的表面数字化场合;连续式数据采集,如接触扫描测量仪,其采集速度较快,因而可用于采集较大规模的数据。接触式测量方法精度较高,操作容易,抗干扰性好,成本低,但是由于测量时接触压力的存在,对于某些质地柔软的零件必然产生较大的测量误差,且测头半径三维补偿问题仍然存在。对于非接触式测量,其测头不接触待测物体的表面,数据传递需要依靠传递介质如激光、声波、电磁场等,其中常见的有以激光为媒介的激光三角形法和断层扫描测量。非接触式测量具有速度快、不会刮伤零件表面、没有测头半径三维补偿问题、工作距离远、对环境要求低、且特别适合于质地柔软或弹性材料制成的零件等优点,近年来得到很快的发展。断层扫描测量是一种新兴的测量技术,可以同时对零件的表面和内部结构进行精确测量,且不受被测量物体复杂程度的限制,所获得的数据密集、完整,测量结果包括零件的拓扑结构,测量数据可直接生成STL格式模型文件,通过快速成型技术直接进行制造。

2数据预处理

无论是接触式还是非接触式测量,由于测量设备本身的缺陷以及被测零件表面质量的影响,不可避免地在数据获取过程中会产生一些“跳点”或者“坏点”。所以,在对测量所得的三维数据进行CAD曲面模型重构之前都需要进行数据的预处理。

测量数据的预处理过程主要包括:①消除测量数据的噪声点;②对数据进行插补;③去除冗余数据,对数据进行优化;④数据光整。另外对不同定位的测量数据进行归一化处理,接触式测量数据还需消除测头半径的影响。

3CAD曲面模型的重构

当曲面原型数字化后形成一系列的空间离散点,实现曲面CAD模型重构就是要在这些离散点的基础上,应用计算机辅助几何设计的有关技术构造曲面的CAD模型。通常对于复杂型面,用一张曲面来拟合所有的数据点是不可行的,一般首先按照曲面原型所具有的特征将测量数据点分成不同的区域,各个区域分别拟合出不同的曲面,然后应用曲面求交或曲面过渡的方法将不同的曲面连接起来构成一个整体。有效的三维测量数据分割和拟合技术是逆向工程中的重要内容。

在逆向工程技术中主要有3种曲面重构的方法:一是以B-spline曲线或NURBS曲线为基础的曲面重构方法;二是以三角Bezier曲面为基础的曲面重构方法;三是以多面体方式来描述曲面物体。由于NURBS方法可通过控制点和权因子灵活改变形状,具有优良的局部形状控制能力和几何不变性,提高了造型能力,因此采用以NURBS曲线为基础的曲面构造方法是目前较为成熟的CAD曲面重构技术。

利用CAD造型软件强大的曲线构造功能,生成多条插值于型值点的NURBS截面曲线(u向、v向截面线分别生成),然后生成插值于u向和v向边界型值点的NURBS边界曲线;再利用曲面造型技术分别拟合生成若干个封闭、光滑的NURBS曲面;最后,将各分块曲面进行拼接、过渡、延伸、裁剪、光整等技术处理,最终获得在实体表面形状、尺寸精度范围内的曲面模型。

4利用CAM生成数控加工刀具轨迹

利用CAM生成数控加工刀具轨迹是复杂曲面零件数控加工中最重要的同时也是研究最为广泛深入的内容。能否生成有效的刀具轨迹直接决定了加工的可能性、质量与效率。目前,应用较广泛的CAD/CAM软件有很多,这些软件中曲面加工方法名称各有不同,但采用的刀具轨迹生成方法却大致相同,常用的有以下几种方法:

(1)等参数线加工方法。这种方法是多轴数控加工中生成刀具轨迹的主要方法,刀具轨迹在u、v参数平面上沿u线、v线来排列,刀位可在曲面或曲面的等距面上求得,该方法的优点是刀具轨迹计算简单、速度快,缺点是刀具轨迹排列较密、加工效率不高。

(2)截面线加工方法。该方法采用一组平行平面或一组曲面去切被加工表面,截出一系列交线,刀具与被加工曲面的接触点就沿着这些交线运动,完成曲面加工。一般情况下,由于曲面与曲面求交比较困难,所选的截面大都采用平面。

(3)等残留高度法。该方法是由美国加州大学的K Suresh和D Yang提出的,他们主要讨论了球头刀三轴加工时用等残留高度法计算步距的方法,其基本思想是保证相邻轨迹间的残留高度值均等于最大允许的残留高度,以增大加工步距达到缩短轨迹长度、节约加工时间的目的。

曲面加工的方法很多,它们各有自己的适应范围和优缺点。除了上面介绍的几种常用方法外,还有曲线插值方法、投影方法及等值线粗加工方法等。在实际加工过程中要根据不同的曲面形状选取相应的加工方法,以便有效地加工出高精度的产品。

5应用实例

本实例应用上述各项技术对风扇叶片进行了逆向工程测量和加工。利用ATOS激光扫描测量仪测得风扇原型的三维数据点云(见图1),将测量得到的数据点云以STL文件格式输入到逆向工程软件Imageware中,经去除噪声点和冗余数据、数据对齐(见图2)等预处理后,从点云数据中萃取风扇内、外圈轮廓线,生成风扇内、外圈曲线,再从叶片区域的点云数据中萃取数条截面曲线;将生成的内、外圈曲面和叶片的截面曲线数据输出到UGII中,利用UGII的Through Curves模块功能生成叶片曲面并完成风扇的CAD模型的曲面重构(见图3);将上述曲面转换成IGES格式,利用MasterCAM软件生成刀具轨迹,经仿真模拟后,由后置处理程序生成NC数控加工程序,通过通讯模块或数控机床的RS232接口将程序传入数控机床进行加工。

6结束语

逆向工程作为现代产品开发技术中的核心技术之一 ,是现在研究的一个热点方向。基于逆向工程技术,在计算机网络和CAD/CAM集成技术的支持下进行复杂曲面重构,缩短了产品的开发周期,提高了产品精度,并有效地解决了其产品特别是形状复杂的曲面的最终设计问题,而且提高了生产率,增强了经济竞争力。因此研究逆向工程技术是快速消化、吸收先进技术进而创造和开发各种新产品的重要手段,对我国国民经济的发展和科学技术水平的提高具有重大的意义。

摘要：介绍了以逆向工程为技术支撑的复杂曲面数控加工的基本原理和全过程,并对其中的数字化扫描、CAD建模及刀具轨迹生成等关键技术作了进一步的分析,最后将其应用于风扇叶片进行曲面重构及数控加工。

关键词：复杂曲面,逆向工程,数控加工

参考文献

[1]张伟,姜献峰,陈丽能.逆向工程中自由曲面自组织重建研究[J].机械科学与技术,2004,23(4):441-446.

[2]肖尧先,柯映林.基于不同CAD软件平台的反求工程曲面建模[J].航空制造技术,2002(11):41-44.

复杂曲面 篇5

关键词：CAXA,复杂曲面,造型

0 引言

CAXA制造工程师是在Windows环境下运行CAD/CAM一体化的数控加工编程软件,该软件综合了数控加工的基本工艺、数控编程和操作。其CAD部分功能也十分强大,曲面造型从线架到曲面,可建立任意复杂的零件模型。本文以可乐瓶底和鼠标等模型为例,说明CAXA制造工程师在构造复杂曲面中的方法、技巧与注意事项。

1 CAXA制造工程师曲面功能简介

CAXA制造工程师具有强大的NURBS自由曲面造型功能,可通过列表数据、数学模型、字体文件及各种测量数据生成样条曲线;通过丰富的曲面造型和编辑功能建立复杂的零件模型。通过曲面模型的真实感,可直观显示设计结果。

曲面造型方式共有十种:直纹面、旋转面、扫描面、边界面、放样面、网格面、导动面、等距面、平面和实体表面。十种方式中放样面、网格面、导动面操作中方式、技巧和注意事项较多,首先将其加以简单说明。

1)放样面:该方式是以一组互不相交、方向相同、形状相似的特征线(或截面线)为骨架进行形状控制,过这些曲线蒙面生成曲面。有截面曲线和曲面边界两种类型。

2)网格面:以网格曲线为骨架,蒙上自由曲面而生成的曲面。网格曲线是由特征线组成的横竖相交线。

3)导动面:特征截面线沿着特征轨迹线的某一方向扫动生成曲面。

生成导动面有六种方式:平行导动、固接导动、导动线&平面、导动线&边界线、双导动线和管道曲面。

曲面造型和曲面编辑功能在制造工程师设计复杂零件时常常配合使用。下文以实例的造型过程介绍曲面功能的技巧和注意事项。

2 实例造型过程解析

2.1 鼠标面的构造

该曲面模型造型难点:线架部分主要是样条线的构造、半径100的圆位置确定;曲面部分为上表面和边界过渡曲面的生成。

1)使用“扫描面”在立即菜单中设置参数,拾取所有底面曲线即可生成鼠标侧面。鼠标上表面的截面线为样条线,分析可得四个确定形状的型值点。选择“样条线”按钮,在立即菜单中选择“差值”、“缺省切矢”、“开曲线”,给出型值点坐标“-70,0,20”、“-40,0,25”、“-20,0,30”、“30,0,15”即可得到样条曲线,如图4所示。

2)鼠标底面使用“平面”方式中“裁剪平面”拾取底面轮廓线可以轻松实现。通过F6把设计平面切换到YZ平面。用“圆弧”的“两点-半径”方式在任意位置拾取两点,在合适位置给定半径“100”,“曲线拉伸”把圆弧拖拽到适当位置,使用“平移”的“两点”、“移动”、“非正交”方式,以圆弧中点为基点,移动到样条线的端点,将圆弧移动到正确位置,如图5所示。

3)关键线架具备以后使用“导动面”方式中“平行导动”以样条线为导动线,曲面方式的使用过程也有很多技巧和注意事项圆弧为截面线即可生成鼠标上表面。如图6所示。

4)最后运用“曲面过渡”里“系列面”、“等半径”、“半径:1 0”、“裁剪两系列面”、“单个拾取”方式生成圆弧过渡,即可完成曲面造型。

注意:

1)样条线型值点的确定,由图形已知四个横向和纵向距离值,可得四点坐标,只是随坐标系位置变化而改变坐标系里的坐标值。

2)半径“100”的圆弧在绘制过程中必须保证圆弧的中点为最高点。

3)曲面过渡的操作过程中一定要注意使鼠标上表面所在曲面为第一系列面,如图7所示。其它侧面为第二系列面,而且所有曲面按顺序依次拾取,拾取完成后出现箭头指向鼠标外侧的情况一定要通过左键单击的方式改变方向,使第二系列面的所有曲面的曲率中心都指向内侧。如图8所示。生成鼠标造型结果,如图9所示。

2.2 图2零件的构造

该曲面模型造型难点:线架部分主要是中间的不规则凹槽;曲面部分同样是凹槽造型曲面方式的选择。

1)使用曲线造型功能可以方便实现零件除凹槽部分的其余线架。零件线架凹槽部分通过坐标变换,键盘上的F6对应YZ平面,F7对应XZ平面,F8轴侧视图找出线架所在的关键位置,做出这部分的关键线架。如图10所示

2)零件除凹槽外的所有表面均是平面,所以使用平面都可以实现造型。凹槽的线架是由十条曲线组成的考虑曲面造型的十种造型方式都很难直接满足要求,考虑如何将曲线编辑使之可以方便做图。曲线组合可以将同一平面内首尾相连的多条曲线组合成一条线,如图11所示可以将零件上表面的凹槽轮廓线分别组合成两条线。组合后的凹槽轮廓是由四条封闭曲线组成。分析选定“导动面”中“双导动”、“双截面线”、“变高”方式可以生成凹槽的曲面造型如图12所示。

注意:

1)坐标变换在三维造型中经常使用,适时的变换坐标系,可以使作图灵活、方便、快捷。

2)完成零件的线架造型后,如果关键线架对应的轮廓复杂,而且轮廓线条数较多,常常可以考虑对同一平面内的首尾相连的多条曲线进行组合,之后再考虑选择何种曲面方式更方便造型。

3)关键曲面部分一般形状复杂,使用的曲面造型方式操作步骤较繁锁,由曲线生成曲面过程拾取曲线时往往有严格的拾取要求,这时一定要注意拾取的位置。零件二凹槽曲面造型“双导动”、“双截面线”、“变高”,在拾取截面线时一定要在第一条导动线附近拾取,否则生成的曲面可能会发生扭曲或无法生成曲面。

2.3 可乐瓶底的构造

该曲面模型造型较为复杂,线架部分单根骨架都是由多条曲线组成;曲面部分曲面方式的选择和拾取顺序都很值得注意。

1)瓶底的每根骨架都是由多段圆弧和切线光滑过渡组成,利用软件提供的特殊点功能“切点”以及“曲线过渡”功能可以依次做出瓶底的两根特征骨架。如图13所示。

2)经过“平面旋转”和“阵列”功能将骨架旋转所需角度后进行阵列,就可以完成瓶底的三维线架造型,如图14所示。

3)由可乐瓶底的线架特征,分析十种曲面造型方式,从中选择网格面,首先通过坐标变换切换视角,方便线架选择,线架按顺序选择合适的位置。正确拾取横竖相交的可乐瓶底线架,生成可乐瓶底曲面。如图15所示。

注意:

1)多段圆弧光滑连接在曲面造型的特征线架部分最为常见,解决此类情况的好办法就是特殊点功能和“圆弧过渡”配合使用,往往可以使复杂的作图简单化。

2)可乐瓶底单根线架都是由多条曲线组成的,若进行接下来的曲面操作,“曲线组合”也是必须要考虑到的。因此,在曲面造型中,若某条线架由多条曲线段组成,往往要考虑是否需要组合。

3)在应用“网格面”时每一组曲线都必须按其方位顺序拾取,拾取曲线的方向保持一致,而且必须从靠近曲线端点的位置拾取,否则封闭网格面失败;“网格面”生成所需的两系列曲线U向曲线和V向曲线之间必须保证每条都有交点;拾取的曲线应当是光滑曲线;对组成网格曲线的特征网格线必须是四边形网格,规则四边网格与不规则四边网格均可,即线架围成的区域必须是四边域,不允许有三边域、五边域和多边域。

灵活运用曲面造型要注意两点,首先分析图纸合理构造决定曲面形状的关键线架,在构造关键线架后为了满足需要往往对线架进行“曲线组合”等编辑操作,这是构造曲面模型的重要前提,这一部分往往较难;其次是根据线架的特点正确选择曲面造型方式,不同的曲面造型方式特点和注意事项既有相似又有不同,需要在长期的使用操作中不断的积累和总结。

3 实例造型方法总结

鼠标曲面的造型使用的侧面和上表面进行多曲面的过渡,得到侧面和上表面的过渡曲面。如果在做鼠标侧面的特征线时进行“曲线组合”,使所有侧面特征线组合成一条线,在线的基础上生成的鼠标侧面为一张曲面,之后和上表面进行两面过渡,可以使曲面造型简化,节省近一半的设计时间,得到的设计效果相同。

零件二凹槽部分使用“导动面”的“双导动”、“双截面线”、“变高”方式可以实现,由于凹槽的轮廓线经过组合后变为四条首尾相连的光滑空间曲线,因此可以使用“边界面”的“四边面”,可以在四条空间曲线所围成的区域生成凹槽曲面,同样可以简化操作、节省时间。

曲面造型方式较多,造型时也非常灵活,一个零件可以通过不同的方式来实现,因此要常实践、多对比、重积累,曲面造型也会变得乐趣无穷。

4 结论

本文就制造工程在复杂曲面造型中的应用、技巧和注意事项进行了剖析,并对曲面造型中几种复杂造型方式的使用进行了总结,希望能对CAXA制造工程师的学习者有一定的帮助作用。

参考文献

[1]田相克.基于CAXA的连杆三维造型及其数控仿真加工.机械制造与自动化[J].2009,6.

[2]李海涛.CAXA制造工程师在吊钩锻模造型中的应用策略.锻压技术[J].2009,6.

复杂曲面 篇6

关键词：复杂曲面,数控加工,刀具轨迹

当下,我国向制造业强国不断迈进。然而,工业生产中往往会出现很多包含复杂曲面特征的零件。这种零件本身存在一定加工难度,成为我国制造业的难点之一。为了能够在保证加工质量的同时保证加工效率,本文对CAXA制造工程师软件在复杂曲面数控加工中的应用进行相关研究。

1 CAXA制造工程师软件概述

CAXA制造工程师软件是我国第一款拥有完全自主知识产权的CAD/CAM软件产品。这一软件具有三维轮廓造型、刀具设置、机床设置、后置处理、生成程序、刀轨生成、后置处理等功能。而凭借具备的使用方便、可靠的特点,CAXA制造工程师软件在我国当下制造业中得到了极为广泛的应用,现已推出2015版本。在CAXA制造工程师软件的具体使用中,该软件具有优质高效的数控加工、实体与曲面的完美结合、卓越的工艺性与“知识加工”、Windows界面操作、丰富的数据接口、全面开放的2D/3D平台、品质一流的刀具轨迹和加工质量等功能。这些功能的存在,为复杂曲面数控加工提供了保证[1]。

2 CAXA制造工程师软件应用中复杂曲面的加工方案

为了能够较好地通过CAXA制造工程师软件进行复杂曲面的数控加工,首先需要设计加工的具体方案。通常,复杂曲面具备曲率时刻发生突变的特点。为此,首先需要通过CAXA制造工程师软件进行该复杂曲面零件三维模型的创建。

在完成复杂曲面的三维建模后,可以通过CAXA制造工程师软件将复杂曲面的数控加工分为粗加工与精加工两部分。而在复杂曲面零件的粗加工中,这里选择等高线粗加工方式。这种方式本身能够以极高的效率完成毛坯去除,并能够较好地留出余量。这种粗加工能够较好地为下一步的精加工打下基础,并在很大程度上提高复杂曲面零件的加工效率。通过粗加工,这一加工形式与精加工相比,具有表面质量整体一致但表面粗糙的特点,但粗加工具有远超精加工的效率。而在复杂曲面零件的精加工中,这里选择等高线精加工、三维偏置精加工等方法进行。在复杂曲面零件的精加工中,等高线精加工具备Ra值较大、加工时间长和加工效率低的特点,而三维偏置精加工得到的Ra值较小,加工效果也较好。为此,笔者将在下文中采用这种加工方式进行复杂曲面零件的精加工[2]。

3 CAXA制造工程师软件应用中复杂曲面的加工流程

基于对CAXA制造工程师软件应用的复杂曲面数控加工的粗加工与精加工方案的了解,笔者结合自身实际工作经验,对两种加工的具体步骤进行一一详解,以更好地进行CAXA制造工程师软件复杂曲面数控加工技术的研究,推动复杂曲面数控加工技术的发展。

3.1 三维零件建模

在CAXA制造工程师软件应用的复杂曲面数控加工流程中,工作人员首先需要启动CAXA制造工程师软件。零件图纸通过CAXA制造工程师软件绘制出三维模型,而三维模型是CAXA制造工程师软件应用复杂曲面数控加工的基础。为此,工作人员一定要通过严格的操作保证三维模型能够具备较高的精准度。

3.2 选择自由曲面加工方式

在完成上三维零件建模后,工作人员还需要根据零件的加工要求,选择合适的负责曲面加工的工艺过程。在本文所研究的复杂曲面零件加工中,笔者选择粗加工、精加工两个加工阶段的工艺流程。而在粗加工阶段会以大量快速去除切削余量为目的,而精加工阶段则会以确保符合技术要求的加工质量为目的,以保证效率的同时保证复杂曲面的零件加工质量[3]。

3.3 选择加工参数与刀具

在完成加工方式的选择后,还需要根据加工方式与三维零件建模,选择加工参数与刀具。

3.4 进行CAXA仿真

在完成加工参数与刀具选择后,需要在CAXA制造工程师软件“等高线加粗”对话框中逐次设置加工参数、区域参数、切削参数、刀具参数等选项卡中的有关选项,依次完成等高线粗加工仿真与三维偏置精加工仿真。

3.5 后置处理生成程序

在完成CAXA制造工程师软件应用的仿真程序后,可以通过CAXA制造工程师软件自动生成后置处理程序,从而为后续步骤的具体操作提供支持。

3.6 数控机床的选择

完成程序生成后,需进行数控机床的选择。笔者结合自身所在企业实际设备条件,选择FANUCOIMD系统的FVP-1000A数控加工中心,进行具体的复杂曲面零件加工。FVP-1000A数控加工中心是我国台湾友嘉生产的一款机床,具有独特的直线滚动导轨副(X、Y轴)加萍火硬轨贴塑导轨副(Z轴)设计。这种设计使FVP-1000A数控加工中心较为适用于板类、盘类、壳体类、精密零件的加工。对于本文中所讨论的复杂曲面零件也能够进行较好的加工。同时,这一机床还具备动化程度高、可靠性强、操作简单、方便宜人、整体造型美观大方、机电一体化程度高等优点。当下,在我国的制造业中,FVP-1000A数控加工中心有着较为广泛的应用,这也说明这一数控机床本身具备着较强的先进性与代表性。通过其进行具体的复杂曲面零件加工,有着较强的代表价值[4]。

3.7 程序传输

由于CAXA制造工程师软件本身具备本地通信、华中数控通信和网络DNC通信三种通信方式,而由于本文所选择的复杂曲面零件本身的加工程序信息量较大,所以这里选择了DNC方式的数据传输[5]。

4 结论

本文对基于CAXA制造工程师软件进行的复杂曲面数控加工进行了详细论述。通过对实际复杂曲面零件加工流程的一系列论述,详细论述了CAXA制造工程师软件进行的复杂曲面数控加工的步骤与注意要点,希望能够对我国复杂曲面零件加工带来一定帮助。

参考文献

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[4]齐国宁.基于逆向工程的复杂曲面数控加工技术研究[D].西安:西安理工大学,2008.

复杂曲面 篇7

复杂曲面也称自由曲面, 指表面形状不能被连续加工的, 具有传统加工成型的任意性特点的曲面。尤其是自由曲面, 目前被广泛应用于装备制造、汽车、造船、模具、航天等行业的复杂产品设计中。

自由曲面的铣削加工主要依赖于编程工程师的经验和CAM/CNC系统的仿真功能[1]。尤其是新产品的开发中, 复杂曲面产品面临的困难更大。在工程上薄壁零件一般指壁厚小于1 mm的零件。手板是指新产品开发中根据产品技术图纸生产的少数样品, 用来检查外观、结构、强度等合理性的功能样板。早期, 主要是通过技师的手工制作完成, 手板是港台企业的叫法, 目前国内统称为手板模型或首板模型。手板的做法分为手工、CNC和快速成型3种方法。传统手工手板制作存在着低效率、低精度等缺陷, 目前已逐渐被抛弃。CNC手板模型也称数控手板模型, 指通过数控机床生产而成, 材料为金属、塑料等。CNC手板因其效率较高、成本适中, 而且设备比较普及而得到大部分厂家的采用[2,3]。但对于复杂曲面产品, CNC加工方法存在较大的限制 (如必须采取五轴联动加工中心) , 甚至无法完成加工。

快速成型 (RP) 技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的, 快速成型通过“分层制造, 逐层叠加”的加法方法进行产品加工, 和CNC的“刀具去除毛坯多余材料获得产品”减法加工方法有质的区别, 也俗称3D打印[4,5]。快速成型手板模型手板是伴随着快速成型技术快速发展的最新模型, 利用CAD系统设计或者逆向工程获得STL的快速成型文件, 通过材料堆积的方法, 可以获取任意形状 (除开少数壁厚限制) 的产品模型。除此之外, 快速成型可以快速获得产品模型, 缩短加工时间, 具有明显的效率优势[6,7]。

薄壁结构是一种常见的特征形式, 当采用铸造、锻压等方式制造时, 需要先制造相应的模具, 而采用切削方式又需要去除大量的金属。快速成型技术为薄壁结构的制造提供了更大的灵活性[8,9,10,11]。因此, 复杂曲面薄壁零件的手板模型制作, 采用快速成型方法是最佳方法。

本研究针对手板模型制造, 阐述文件格式的转换、加工参数的设置、加工结果, 尤其是针对复杂曲面薄壁零件加工中易出现断壁、多毛刺的问题, 提出合理的工艺参数, 并进行加工验证。

1 STL格式设置

STL文件格式是业界通用的快速成型格式文件, STL文件采用系列三角形网格组合来拟合三维实体模型的表面, 因此, CAD建模的复杂曲面在转换STL格式时, 必须合理设置文件转换参数, 以获取所需的模型精度和加工效率。

本研究采用Proe 4.0野火版使用旋转、拉伸、扫描等指令等构建的曲面零件 (零件名称为咖啡杯) 如图1所示。零件壁厚为1 mm。

STL格式的转换过程为 (以proe野火软件为例) :

File (文件) ->Save a Copy (保存副本) ->Model (模型名称) ->选择文件类型为STL (*.stl) 。

转换确定后跳出的STL导出参数框如图1所示。

参数框主要包括STL格式选择 (默认为二进制) 、三角片拟合参数设置、文件名。其中, 三角片拟合参数设置直接决定了快速成型的产品精度。

弦高输入0 (默认修改为0.009 100, 即为软件系统最高精度0.01) 、输入0 (默认修改为0.000 000 1) , 即对零件进行了三角片划分。

STL文件输出结果如图2所示。

2 薄壁曲面模型快速成型参数设置

使用Dimension快速成型机Elite机型, 其最大打印尺寸为8×8×12 in, 精度达到0.08 mm, 通过FDM溶入堆积法, 高温将材料加热为液态, 通过喷嘴喷涂实施堆积加工。

设备使用Catalys EX快速成型管理软件, 模型材料可采用ABS plus增强型工程塑料, 支撑材料采用可剥离、可溶解的BST材料。

Catalys EX能打开STL格式的文件, 快速成型参数设置如图3所示。

首先对文件进行快速成型关键参数设置, 如下:

(1) 层厚。共有0.254 0、0.177 0两个参数, 不同的参数代不同丝的直径, 一般使用0.254 0这个参数。

(2) 模型内部。共有实心、疏松-高密度和疏松-低密度3个参数, 不同的参数打印的实体强度也不同, 一般使用实体、疏松-高密度这两个参数。

(3) 支撑填充。共有最小化、基础、半实心和环绕4个参数, 不同的参数支撑的效果不同, 需根据实体的需要选择对应参数。

(4) 份数。默认为1份, 可根据需要进行修改, 也可以在后面模型包里添加, 建议不作修改。

(5) STL单位。共有英寸、毫米两个参数, 一般模型添加进来后不需要修改。本研究中的咖啡杯模型的参数为毫米。

(6) STL比例。默认为1.000, 可以根据自己需要进行修改, 一般不需改动。本研究设置为0.5比例。因此模型的壁厚为0.5 mm的厚度。

一般手板模型的快速成型的设置依赖使用者对于模型的精度和加工效率的选择。理论上, 快速成型能制作任意尺寸的产品, 但工程应用上, 由于壁厚的影响以及曲面尤其是自由曲面的几何复杂性, 对快速成型产生了极大的影响, 如薄壁容易出现成品易脆易断, 甚至导致加工失败;复杂曲面的过渡处容易出现毛刺较多现象。在工程应用中, 一般将壁厚小于1 mm的手板模型称为薄壁模型。因此, 复杂曲面薄壁零件的快速成型对于参数的设置有一定特殊要求, 如层厚的设置, 一般零件选择0.254, 薄壁曲面零件选择0.177;模型内部:一般零件选择疏松-高密度, 薄壁零件选择实心方式, 这些参数的选择可以提高加工质量。一般手板模型和复杂曲面薄壁手板的关键点及参数设置对比如表1所示。

表1中, 通过采用复杂曲面薄壁模型的参数进行普通模型的设置, 可以成型出高精度、高质量的手板模型, 但加工时间较长;而在加工复杂曲面薄壁手板模型时, 选用普通模型参数进行加工, 会经常出现曲面及薄壁处毛刺严重甚至出现薄壁加工不成功的现象。

3 快速成型过程

设置好参数后, 即可实行快速成型加工。设置好参数后, 所生成的加工数据如图4所示。

选取合适的零件放置区域后, 即可发送到快速成型机实施打印, 快速成型过程中如图5所示。

打印好的实物照片如图6所示。

4 结束语

针对复杂曲面零件难以加工出高质量、高精度手板模型的问题, 本研究阐述了复杂零件尤其是薄壁零件的快速成型方法和过程, 包括STL文件格式设置、Dimension Elite快速成型机的软件参数设置 (针对薄壁和复杂曲面, 合理选取加工参数和加工方法) , 并对普通手板模型和复杂曲面薄壁手板模型的加工进行了讨论对比。

本研究针对壁厚仅为0.5 mm的零件进行了快速成型, 结果表明, 模型质量较高, 成型效果好。

实践证明, 复杂曲面薄壁零件的手板模型制作, 只要准确合适的设置好关键参数, 就能加工出高精度、高质量的手板模型, 能满足手板模型的需求。

摘要：针对复杂曲面薄壁零件手板模型制作的问题, 对手板模型的3种常用制作方法进行了对比, 研究了快速成型过程的关键技术, 包括:STL格式文件转换的格式设置参数设置和快速成型关键参数设置, 对普通手板模型及复杂曲面薄壁零件手板模型的关键问题进行了讨论和对比。通过壁厚为0.5 mm的曲面零件设计和模型制作, 给出了适合普通零件及曲面薄壁零件快速成型零件的合理工艺参数。研究结果表明, 只要正确合理的选取关键工艺参数, 可以避免曲面薄壁零件快速成型易出现的断壁、多毛刺的问题, 能高效、高精度地制造手板模型, 能满足手板模型的各项特性需求。

关键词：快速成型,手板模型,复杂曲面,薄壁,STL文件

参考文献

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复杂曲面 篇8

机器人自动喷涂在汽车、航空航天、模具等制造领域中具有广泛的潜在应用,特别适用于危险或恶劣工况下复杂零件表面的化学、物理和热处理过程。由于机器人的喷涂过程是由喷涂路径直接驱动的,因此生成高效的喷绘路径就成为实现复杂曲面自动喷涂的关键。理论上,机器人喷涂路径与数控加工中刀具的运动轨迹类似,在设计过程中可直接使用数控加工中的刀具路径。目前,数控加工路径设计主要是基于参数曲面模型来完成的,许多有效的路径设计方法已经被提出[1,2],但参数曲面特别是组合裁减曲面上干涉检测、偏置处理等路径相关几何计算的复杂性和数值问题以及不同造型系统的参数曲面模型在相互格式转化中经常出现的模型破损、数据丢失现象却严重限制了这些方法的实现运行和在制造企业中的实际应用。正如Kiswanto等[3]所说,在设计阶段广泛采用的参数曲面并非是过程规划阶段模型的理想选择。与参数曲面相比,网格曲面是对原始曲面的线型逼近,其模型表示统一、数据交换简单,而且网格上的几何计算更加快速稳定,因此将网格曲面作为复杂曲面加工和喷绘阶段的描述模型就成为越过测量数据到参数曲面这一繁琐构造过程的有效手段[4,5,6]。目前,网格曲面上路径规划的研究主要集中在截面线型路径的设计[7,8,9,10]。 截面线型轨迹计算简单,鲁棒性强,但受限于曲面几何形状,当截平面的方向矢量接近曲面局部法矢量时,截平面就很难与网格曲面相交生成喷涂或加工路径,而且,随着曲面边界复杂程度或扭曲的加剧,截面线型路径将很难与曲面边界保持一致,有时甚至造成大量较短的喷涂路径出现,这势必降低喷涂的效果和效率。

为了解决上述问题,一些新的网格曲面上的加工路径设计方法被相继提出,如Kim等[11]、Lee等[12]利用刀位面变形或走刀行距驱动的系列截面,在原始网格偏置曲面即刀位面上构造出能增大走刀行距的等残留刀具路径。Sun等[13]将图形学中的调和映射方法引入网格曲面加工中,生成能够连续进给的螺旋路径。类似地,利用图形学中的ABF( angle-based flattening) 参数化方法, Li等[14]将网格曲面展平到平面域,构造出能够保持边界一致的轮廓平行路径。但应该注意的是, 上述方法仍只适用于无空洞或无岛屿的简单网格曲面加工,对于多岛屿复杂网格曲面的加工或喷涂,目前仍采用截面线型路径。为了解决这一问题,本文在上述工作的基础上,围绕多岛屿复杂网格曲面加工展开论述,引入适用范围更广的最小二乘坐标映射原理来展平多岛屿复杂网格曲面, 进而改进二维曲线偏置算法以快速构造轮廓平行喷涂路径,实现多岛屿或空洞复杂曲面上三维喷绘路径设计到二维平面的降维处理,并通过实例验证所提方法的有效性。

1最小二乘坐标映射

考虑到文献[13-14]中所采用的调和映射、 ABF等网格参数化方法只适用于无岛屿和空洞的简单网格曲面,本文引入适用范围更广的最小二乘坐标映射来展平多岛屿网格曲面,建立目标曲面与平面域之间的映射关系[15]。根据调和映射原理,网格曲面 Γ 的顶点的局部坐标( x,y) 到平面上对应点( u,v) 的映射 Ω: ( x,y) → ( u,v) 应满足如下最小二乘目标方程:

其中,AT为网格曲面上三角形T的面积,Ω 为复数形式,Ω = iv。最小二乘映射可解释为: 给每一网格顶点指定一复数 Ω 以使上述方程取得最小值。 假定映射 Ω 在三角面片T上线性变化,则式( 1) 可改写为

式中,j1、j2、j3为三角形T的三个顶点的索引。

对三角形T而言,三个顶点Wj1、Wj2、Wj3可按下式计算:

根据文献[12],拆分 Ω 的实部和虚部,可将式( 2) 改写为如下的实矩阵方程:

其中,X = [( Ωr1)T( Ωr2)T]T,上标1和2分别表示实部和虚部,下标r和p分别表示未知的和已知的映射顶点。为求解上述方程,至少应事先在平面域指定两个网格顶点的映射坐标。对于矩阵方程式( 4) ,可采用目前比较成熟的稀疏矩阵方程求解器如UMFPACK、TAUCS等进行求解。图1给出了一个利用最小二乘映射展平复杂网格曲面的例子。

2轮廓曲线偏置

利用上述方法得到平面网格后,就可偏置平面网格的边界曲线,进而将偏置曲线逆映射到网格曲面上,生成能够保持轮廓平行的喷绘轨迹。平面曲线偏置的关键在于自交干涉的处理,传统方法大都是利用包围盒划分来加速自交点的计算[16,17],而本文将给出一种基于网格拓扑结构的交点计算方法,省去了传统的包围盒划分过程,从而提高算法的运行效率。

2.1自交点的计算

偏置曲线通常由偏置点及其首尾线性相连的直线段表示。本文采用如下方法计算自交点: 1在计算偏置点时,不再单纯地存储偏置点的三维坐标,而是在存储偏置点pio的同时也存储其所在的三角面片 Δj; 2在存储偏置段si的同时,记录si所穿过的所有三角面片{ Δj} ; 3对于每一三角面片 Δj,要同时存储经过它的所有偏置段{ si} 。这样,通过简单地判断两偏置线段是否穿过同一三角面片 Δj,就可快速地消除那些不需要的偏置线段间的两两求交操作。上述偏置点pio、偏置段si以及三角面片 Δj的存储,可以利用网格顶点一环邻域的拓扑邻接关系快速完成。由于网格顶点一环邻域关系在读入网格模型时已同步完成,所以自交点计算过程就省去了传统包围盒划分过程,因此可进一步提高二维曲线偏置算法的运行效率。

2.2内外边界曲线的偏置策略

在曲线偏置过程中,展平网格的内外边界被选择为初始偏置曲线。与传统方法对内外边界同时进行偏置再进行融合处理不同,本文采取如下更为简单的偏置策略( 图2) : 岛屿边界只向外偏置一次,然后进行岛屿边界偏置曲线与外边界偏置曲线之间的相交、融合判断,构造新的外边界曲线和内边界曲线。如图2所示,在后续的偏置过程中,只进行外部边界的偏置处理,而不再偏置岛屿的偏置轮廓。这一内外轮廓曲线的偏置策略有效地消除了岛屿连续偏置曲线之间的相交融合判断过程,简化了多岛屿轮廓的偏置处理,更有利于算法的编程实现。图3为利用上述方法得到的甲壳虫车身展平网格上的二维偏置曲线。

3机器人喷绘轨迹生成

设平面偏置点pio所在的平面三角面片为 ΔjP( vjP,vPj+1,vPj+2) ,ΔjP在网格曲面上的对应三角面片为 ΔjS( vjS,vSj+1,vSj+2) ,则平面三角面片 ΔjP到空间三角面片 ΔjS的映射可表示为

利用式( 5) 就可得到平面偏置点pio在网格曲面上的对应点pi:

这样,就可将平面偏置曲线映射到网格曲面上,生成喷涂点轨迹。注意,上面得到的喷涂点并不是驱动机器人运动的喷涂位置点。如图4所示,实际的喷涂位置点由下式计算:

式中,h为机器人喷头的高度; ni为喷涂点pi处的法矢量。

由此,就可得到机器人喷绘路径。所提喷涂路径设计算法的流程如图5所示。

4仿真实验

以Visual C ++2010为工具,上述所有算法已经被编程实现。测试模型在Imageware中构造, 并利用Imageware的网格生成器将参数曲面离散成为网格曲面。采用前文所述最小二乘映射方法展平目标曲面,在展平曲面上利用所给出的曲线偏置方法得到二维偏置曲线,进而将其逆映射到待喷绘曲面上,利用式( 7) 生成喷绘轨迹。图6给出了上述方法在不同曲面上生成机器人喷涂路径的验证算例。仿真结果显示,所提方法可在含有岛屿或空洞的复杂曲面上快速地生成能够保持轮廓平行的机器人喷涂路径。

5结论

( 1) 利用最小二乘映射方法展平目标曲面, 建立了三维曲面与二维平面之间的对应关系,实现了复杂曲面上机器人三维喷涂路径设计到二维平面的降维处理。

( 2) 基于网格拓扑的二维曲线偏置算法不需要对所有偏置段间进行两两求交操作,有效地提高了偏置段间自交点的计算效率。

复杂曲面 篇9

流体动力学、人类工程学和美学等需求使复杂曲面越来越广泛的应用于航空、航天、造船、汽车、家电和模具等工业制造领域中。复杂形状零件的日益增多及其高效、高精加工给数控加工技术不断带来新的挑战。刀具轨迹规划是该类零件数控加工中最为重要和广泛的内容, 能否生成无干涉、无过切、高效的刀具轨迹直接决定了零件加工的可能性以及加工质量和效率。因此, 寻求高效的复杂曲面轨迹规划方法是当前数控加工的研究重点。

针对轨迹规划方法、干涉类型、行距和步长确定对现有研究成果进行了综述, 在分析和总结各方法优缺点的基础上, 指出了当前研究中的不足, 并探讨了复杂曲面数控加工刀具轨迹规划的发展方向。

1 刀具轨迹规划的相关因素

1.1 刀具轨迹拓扑结构

刀具轨迹拓扑结构指刀具跟踪一系列刀位点形成曲面时的走刀模式, 在曲面数控加工中应用最为广泛的轨迹拓扑结构有行切走刀模型和环切走刀模型, 行切走刀模型又分为单向走刀模型和往复走刀模型[1]。近年来一些学者[2,3]把填充曲线用于数控加工刀具轨迹规划中, 形成了一种新的轨迹拓扑结构, 它能很好地自适应曲面局部复杂特征, 在工程实际中具有特殊应用, 但其复杂且频繁换向, 考虑到机床的动态特性还未被推广。

1.2 刀具轨迹参数

刀具轨迹参数通常指行距和走刀步长。行距是两相邻轨迹间对应刀位点之间的距离, 一般由残余高度、刀具几何形状和曲面几何信息决定。走刀步长是指同一条轨迹上, 相邻两刀位点之间的距离, 通常受加工误差的大小控制。行距和步长越小刀位点数越多, 加工曲面越精确, 但这占用了更多的处理时间和内存, 不利于效率的提高。

1.3 刀具轨迹评估

基于以上讨论, 轨迹规划可以认为是在考虑加工精度和效率的情况下选择合适的轨迹拓扑结构和轨迹参数的过程。生成刀具轨迹的优劣可以通过以下3 个方面来评估:

1) 质量: 生成的刀具轨迹必须无干涉, 且残余高度在指定公差范围内;

2) 效率: 高效的刀具轨迹应考虑处理时间和内存使用以及实际加工时间;

3) 鲁棒性: 鲁棒性是指刀具轨迹对不同复杂曲面和机床的适应能力。

2 刀具轨迹规划算法

目前, 许多轨迹规划算法已被提出, 并得到进一步的优化, 下面就不同方法对刀具轨迹规划技术的发展与现状进行综述。

2.1 导动面法

导动面法通过引入一个导动面, 并使切削刀具始终与零件表面和导动面相切, 保证刀具按正确轨迹运动。在三轴球头刀加工曲面时其刀具轨迹本质上是零件面的等距面与导动面等距面的交线。韩国学者Kim和Choi[4]以导动曲面代替导动平面使刀具更好的逼近切削区域, 优化后的算法特别适用于局部清根切削。导动面法生成刀具轨迹完全由零件面和导动面决定, 因此可以沿任意方向生成轨迹, 但要进行反复的迭代运算, 计算费时且在不规则曲面内不能保证迭代收敛。

2.2 等距偏置法

对曲面边界或曲面内岛屿轮廓线进行等距操作, 以得到的等距线作为刀具轨迹。该方法对于边界较复杂和含有较多岛屿的曲面以及型腔加工, 等距过程中会出现各等距环间相交及自交的现象。针对这一缺点, Persson[5]提出将平面连通域的Voronoi图 ( 泰森多边形) 应用于型腔加工的刀具轨迹计算中, 保证了各段等距线的正确衔接并简化了计算, 但Voronoi图算法复杂, 因此应用并不广泛。对于不含局部凸面与凹坑的曲面, Hanssen等[6]对此作了较深入的研究, 重点简化了等距线计算中干涉段的判断, 提高了算法的可靠性和效率。

2.3 等参数线法

美国利哈伊大学的Loney和Ozsoy[7]首先提出该算法, 通过保持参数曲面s ( μ, ν) 的两个参数之一不变, 沿另一参数生成刀具轨迹, 曲面数据被直接用于轨迹生成中。但由于参数空间和欧几里得空间的非线性关系, 使参数域内恒定的行距在欧几里得空间内变的不相等, 加工后残余高度分布不均匀, 宾鸿赞等人[8]基于自适应网格对该方法进行了优化, 提高了加工效率和稳固性。等参数线法计算效率高, 但主要针对曲率变化不大的参数曲面, 很难生成组合曲面和修剪曲面的刀具轨迹[9]。

2.4 平行截面法

采用一组平行截面截取加工曲面或其偏置面, 前者交线为刀触点 ( CC) 刀具轨迹, 后者为刀位点 ( CL) 刀具轨迹。为了便于求交, 通常将曲面离散成一系列小三角面片或四边形面片, 称为多面体模型, 如图1 所示为截面截切多面体模型。通过细分曲面, 多面体模型可以生成任意拓扑结构的曲面, 使平行截面法能够应用于各种曲面的轨迹生成中。对此学者们做了大量研究[10,11], 也获得了卓有成效的成果, 但平行截面法的截面间距不易控制, 在曲面平坦处与陡峭处生成的轨迹疏密不均, 使得残余高度分布不均匀。S.Ding等人[12]提出自适应等平面刀具轨迹生成方法, 引入等照度线的概念将曲面进行区域划分, 不同区域采用不同截面间距, 避免了局部区域的冗余刀具轨迹。平行截面法具有良好的稳固性被广泛应用于商业CAM软件中, 但为了简化计算通常选用平面作为截切面, 截平面放置的最佳位置不易确定, 且需要多面体能够精确逼近被加工曲面才能保证轨迹的准确性。

2.5 等残余高度法

为了保证残余高度公差, 等平面法和等参数线法路径间隔都比较保守。美国学者Suresh和Yang[13]介绍了等残余高度法, 该方法首先在曲面上选择一条主刀具轨迹, 再基于此构造其他刀具轨迹[14]。当前轨迹上的每一个刀触点都是通过上一条轨迹的刀触点计算得到, 整个曲面上残余高度分布均匀, 其值为最大允许公差。应用该算法时选择合适的主刀具轨迹非常重要。通常对于相同的残余高度, 凹面区域比凸面区域路径间隔大, 因此Giri等[15]建议以最大凸面曲率或最小凹面曲率方向作为初始轨迹。Chiou等[16]基于最大材料去除率提出了加工势场法选择主刀具轨迹。Kim等[17]提出最优运动性能的方法选择主刀具轨迹。等残余高度法明显减少了刀触点数量, 但计算复杂且会产生累计误差。

2.6 等照度线法

给定一个参考方向, 曲面上点的法线与参考方向夹角相同的点构成一条等照度线, 法线与参考方向夹角称为等光强角。如图2 所示: z为参考方向, N为法线方向, β 是等光强角。

计算得到一条等照度线, 将其投影到与参考方向垂直的二维平面内, 然后在二维平面内偏移投影曲线, 再将偏移曲线投影回三维曲面内得到加工刀具轨迹[18], 其中偏移量受最大残余高度限制。加利福尼亚大学的Han等[19]提出该方法, 并利用等照度线把复杂曲面近似为分片直纹曲面[20], 将等照度线作为直纹曲面的母线和边界曲线, 对其刀具轨迹的生成以及五轴数控加工进行了研究。上海交通大学的尹忠慰和蒋寿伟[21]也对此做了一定研究。等照度线法最显著的优点是轨迹曲率变化小, 但投影曲线偏移量不易确定。

2.7 特征提取法

特征提取法通过分析曲面特征将曲面划分为不同子域, 在每个子域内根据不同特征采取适应的轨迹规划算法。该方法首先需要有效的曲面特征提取, 许多学者基于主曲率划分曲面并进行轨迹规划研究[22,23]。G. Elber等[24,25]应用符号和数字操作混合算将曲面划分为完全凸面、凹面以及马鞍面并对三轴和五轴数控加工刀具轨迹生成进行了优化。S.Ding等人[12]引入等照度线的概念划分曲面。

特征提取法将复杂曲面分解为不同曲面域使路径规划简单, 但生成的轨迹线零散空行程多, 不利于提高切削速度, 并且曲面特征的定义和划分方法, 以及区域间路径的连接等关键问题都有待进一步研究。

2.8 空间填充曲线法

Cox等[2]和Griffiths[3]提出把填充曲线应用于刀具轨迹规划中能很好的自适应曲面局部复杂特征。Hilbert曲线能遍历整个曲面是轨迹规划中应用最多的填充曲线[26], 如图3 所示为不同阶的Hilbert曲线。该算法的关键是将二维Hilbert曲线映射到空间曲面上, 淡卜绸等[27]采用适当的空间矢量化法, 将平面Hilbert曲线与曲面参数域相对应使其映射到曲面上, 进而生成刀具轨迹。Stanislav等[28]也对填充曲线法做了一定研究。该方法生成刀具轨迹疏密易控, 可以很好地适应曲面变化且连续性好分布均匀, 但轨迹频繁换向, 影响加工效率和表面品质。

2.9 其他刀具轨迹规划方法

有学者[29]应用构型空间技术 ( C-空间) 提出构型空间法, 将刀具轨迹规划问题转化为点在C-空间内移动的规划问题。就刀具干涉而言, 也有学者[30]提出曲率匹配法。C.Manav等[31]提出多目标优化方法, 试图对切削力、切削时间以及残余高度权衡考虑作出最优选择。Lazoglu等[32]提出一种考虑切削力因素的优化方法。这些算法对刀具轨迹规划都有一定改进之处, 但尚且不够成熟, 还不能在工程实际中得到很好的应用。

3 刀具干涉分析

刀具干涉检测与消除是曲面数控加工中另一关键问题, 干涉类型主要有: 超程干涉、全局干涉和局部干涉。

超程干涉是指刀位点的坐标值和相位角超出了数控机床的工作行程。全局干涉即碰撞干涉, 刀具与曲面非加工区域或其他固定件发生碰撞, 这会导致刀具、夹具甚至机床的损坏。对于运动复杂的多轴数控加工寻找一个刀具不与任何曲面发生碰撞的最佳位置比较困难, 尚没有多少关于碰撞干涉的研究成果发表。

局部干涉指局部欠切或过切[33]。局部欠切是由于刀位点不足引起的, 一般取决于加工误差, 通常需要附加刀位点; 局部过切会使刀具切除曲面上不该切除的部分, 大多是由于刀具曲率半径大于刀触点曲面曲率半径引起的, 通常在加工组合曲面的相邻面片时会出现局部过切, 可以改用小尺寸刀具消除此种干涉。长期以来局部干涉问题得到了较深入的研究, Choi和Jun[34]在三轴球头刀加工中将刀触点转换成许多小三角面片, 通过计算刀具中心和附近三角面片的距离进行干涉检测。周济等[35]提出基于Z-map的干涉处理算法。其他主要的干涉处理方法有: 刀具离散法、偏置面法、基于距离的碰撞干涉法、消影法等[36]。

4 行距和步长的确定

1 ) 行距计算: 最优行距的选择对于刀位轨迹的生成非常重要。一般情况下行距是残留高度、刀具半径及曲面曲率半径的函数。行距计算过于保守, 增加加工时间, 导致效率下降; 但行距值太大, 曲面残余高度增大, 需要较多后续处理才能使加工表面达到精度要求, 曲面整体加工效率较低。因此合理计算行距是保证加工质量、提高加工效率的重要手段。曲面多轴加工中, 行距的典型算法有等效半径法、投影椭圆法、包络面法和误差偏置法等[37]。

2) 走刀步长: 刀具通过线性插补运动跟踪刀位点逼近被加工曲面, 走刀步长小意味着刀位数据密度大, 加工程序膨胀, 编程效率下降, 而且在一般加工方式下, 执行小步长程序还会导致进给速度波动和平均速度下降, 从而影响加工效率和表面质量。反之, 步长过大刀位数据密度小, 加工效率高, 但轮廓逼近精度降低, 表面质量差, 后续处理工作量大, 整体效率降低。现如今步长的确定大致可以分为等参数步长法、等步长法和等精度步长法等[38]。无论采用何种方式, 都会产生加工误差。如何在保证精度要求的前提下尽可能获得高的加工效率是曲面加工技术中亟待解决的问题。

5 结语

复杂曲面不能用初等解析曲面表示, 其几何特征与数控机床运动的复杂性导致了轨迹规划困难且加工精度难以保证。因此, 改进轨迹规划算法, 提高加工效率和质量对实际工程应用具有非常重要的意义。