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大型船用螺旋桨桨毂粗加工刀具路径规划研究

现代制造工程 2021年第1期 69-74页

作者：方喜峰罗晓梅徐精英程德俊张胜文汪通悦胡传林江苏科技大学机械工程学院镇江212003 江苏省先进制造技术重点实验室淮安223003 镇江中船瓦锡兰船用螺旋桨有限公司镇江212011

针对大型船用螺旋桨毛坯余量较大,相邻桨叶间存在重叠区,现有加工方法吊装复杂、需要二次装夹且叶根桨毂加工周期长等问题,提出了一种多轴对称加工叶根桨毂方案,并依据加工方案,应用定轴加工方法研究桨毂粗加工刀具路径规划。根据桨毂... 详细信息

针对大型船用螺旋桨毛坯余量较大,相邻桨叶间存在重叠区,现有加工方法吊装复杂、需要二次装夹且叶根桨毂加工周期长等问题,提出了一种多轴对称加工叶根桨毂方案,并依据加工方案,应用定轴加工方法研究桨毂粗加工刀具路径规划。根据桨毂曲面特征,计算走刀行距与步长;基于定向包围盒(Oriented Bounding Box,OBB)干涉检查算法划分加工区域;在此基础上分析切削参数恒定时,横向行切、纵向行切和环切3种刀具路径规划方法对桨毂加工效率的影响。研究结果可为正确选择桨毂粗加工刀具路径规划方法和后期大型船用螺旋桨叶根桨毂加工装置研发提供理论基础。

关键词：螺旋桨叶根桨毂定轴加工区域划分刀具路径规划

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闭式叶轮通道五轴数控粗加工刀具路径规划

大连理工大学学报 2013年第4期53卷 514-520页

作者：曹利新薛亚峰大连理工大学机械工程学院辽宁大连116024

针对离心式通风机中闭式叶轮通道的五轴数控粗加工,提出了一种用圆锥面截取叶轮流道的分层加工方法,该圆锥面由叶轮子午面内的直母线绕叶轮轴线回转形成,这种分层方法可以使每一截面的加工区域均由4条曲线围成,保证每一层刀具路径的形... 详细信息

针对离心式通风机中闭式叶轮通道的五轴数控粗加工,提出了一种用圆锥面截取叶轮流道的分层加工方法,该圆锥面由叶轮子午面内的直母线绕叶轮轴线回转形成,这种分层方法可以使每一截面的加工区域均由4条曲线围成,保证每一层刀具路径的形状相似.在此基础上,给出了适合流道分层加工的等参数环切和螺旋加工2种刀具路径规划方法.该方法简单、效率高,非常适合于通道类零件的粗加工.

关键词：闭式叶轮分层加工刀具路径规划粗加工

自由曲面五轴加工刀具路径规划与加工变形研究

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自由曲面五轴加工刀具路径规划与加工变形研究

作者：潘霖北京理工大学

学位级别：硕士

自由曲面高效高精度加工是国内外先进制造领域的重要研究课题。自由曲面造型复杂且对加工质量要求较高,加工难度大,通常需要在五轴数控机床上实现。另外,自由曲面大多应用于低刚度薄壁件中,切削过程中极易产生加工变形,严重影响加工精... 详细信息

自由曲面高效高精度加工是国内外先进制造领域的重要研究课题。自由曲面造型复杂且对加工质量要求较高,加工难度大,通常需要在五轴数控机床上实现。另外,自由曲面大多应用于低刚度薄壁件中,切削过程中极易产生加工变形,严重影响加工精度。因此,需要有效地控制加工变形,才能实现自由曲面薄壁件的高效高精度加工。本文以典型自由曲面薄壁件叶片为研究对象,针对刀具路径规划和加工变形展开研究,主要内容如下:（1）阐述了切削加工中切削力的数学理论基础以及材料加工变形的力学基础,给出切削力的计算公式,分析影响切削力的因素以及应力应变状态的关系,为论文研究提供理论依据和技术支持。（2）结合残余应力的产生机理和对工件的影响,采用X射线衍射法测量工件表面残余应力。设计薄壁件加工对比实验,在相同的切削参数下比较蜿蜒模式、外环偏置、自动摆线和旋风铣四种刀具路径加工后工件表面残余应力的分布情况,通过残余应力分布的均匀性对比刀具路径的利弊,并以此为依据为薄壁叶片加工选择刀具路径。（3）根据薄壁叶片结构特点和工艺性要求,综合考虑加工效率和加工质量,为薄壁叶片加工制定合适的工艺方案。叶片加工过程包括粗、半精、精和清根加工四个阶段,针对每个工艺阶段合理规划刀具路径并选择合适的刀具,实现薄壁叶片的高效高精度加工。（4）研究了加工变形的产生原因和控制技术,在所制定工艺方案的基础上,设计不同侧倾角的对比实验。使用三坐标测量机测量加工后叶片表面,并与理论模型相比较,得到叶片表面误差分布情况。根据实验结果,分析叶片的弯曲变形和扭转变形规律,以及侧倾角对弯扭变形的影响,并据此确定较优的侧倾角。在实现薄壁叶片无干涉加工的前提下,最大程度上限制其加工变形。

关键词：自由曲面薄壁叶片刀具路径规划残余应力加工变形

基于CPU-GPU异构并行计算的刀具路径规划方法研究

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基于CPU-GPU异构并行计算的刀具路径规划方法研究

作者：黎振东杭州电子科技大学

学位级别：硕士

21世纪以来,数控技术取得飞速进步的同时新挑战也随之出现。新型智能数控系统需要在线生成或编辑修改刀具路径,实时或准实时的进行刀具路径的计算任务,因此对软硬件系统提出了很高的性能要求。同时,开放式数控系统搭建于不同架构处理器... 详细信息

21世纪以来,数控技术取得飞速进步的同时新挑战也随之出现。新型智能数控系统需要在线生成或编辑修改刀具路径,实时或准实时的进行刀具路径的计算任务,因此对软硬件系统提出了很高的性能要求。同时,开放式数控系统搭建于不同架构处理器和控制器组成的异构硬件平台上,由于不同架构的处理器和控制器互不兼容,造成这些硬件资源得不到充分利用。论文在全面分析了新型智能数控系统和软件架构的研究现状之后,针对传统串行刀具路径规划算法效率低下和在异构硬件平台上的不兼容问题,提出一种基于CPU-GPU异构系统对于刀具路径并行化实现的方法。论文主要工作如下:1.根据新型智能数控系统的开放性和兼容性基本要求,提出将异构系统通用并行计算技术引入数控领域的新思路,最后在CPU-GPU异构环境下实现通用并行计算;2.通过在数控系统中应用OpenCL技术,针对数控系统中CPU与GPU不同体系架构的处理器,按照软件设计方案和OpenCL编程规范,提出并实现一种基于CPU-GPU异构系统并行刀具路径规划算法的详细设计方案;3.针对CPU-GPU异构系统搭建计算平台和OpenCL实现的环境,然后依据等参数线法对不同采样密度的刀具路径进行并行化重构;4.在Microsoft Visual Studio 2010开发环境下,使用C++和OpenCL编程语言分别对B样条曲面和NURBS曲面的并行刀具路径规划算法进行了实现,最后完成了新的并行刀具路径规划算法与传统串行刀具路径规划算法对比实验,并结合Matlab进行了刀具路径规划的仿真应用实验,结果显示新的并行算法效率较传统串行算法有1.56倍的大幅提升。

关键词： CPU-GPU异构 OpenCL 并行计算刀具路径规划

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螺旋桨加工刀具路径规划

机械设计与制造 2014年第11期 82-84页

作者：姜昕亚喻道远华中科技大学湖北武汉430000

螺旋桨是大型轮船、潜艇等重型动力机械的核心部件,其性能的好坏直接影响甚至是决定着整机的性能。螺旋桨的噪声和振动影响着船舶的行船安全、影响乘客的环境舒适度,严重影响潜艇的隐蔽性。螺旋桨在数控加工后会留下刀痕等表面缺陷。表... 详细信息

螺旋桨是大型轮船、潜艇等重型动力机械的核心部件,其性能的好坏直接影响甚至是决定着整机的性能。螺旋桨的噪声和振动影响着船舶的行船安全、影响乘客的环境舒适度,严重影响潜艇的隐蔽性。螺旋桨在数控加工后会留下刀痕等表面缺陷。表面缺陷会影响螺旋桨表面的局部流体流动,在近桨叶表面容易产生不稳定流动,较容易引发叶片的振动和噪声。流体机械表面缺陷的方向与流体流线方向垂直时这种影响最大,平行时影响最小。螺旋桨的刀具路径规划结合螺旋桨的流场分析,形成与流体流线相吻合的刀具路径,可很大程度的减小振动、降低噪声。

关键词：螺旋桨三维建模 CFD 刀具路径规划

慢刀伺服车削机床PID参数优化及其刀具路径规划研究

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慢刀伺服车削机床PID参数优化及其刀具路径规划研究

作者：陈旭南京农业大学

学位级别：硕士

慢刀伺服(SlowToolServo,STS)车削技术不同于传统车削,是一种新型的精密车削加工方法,通过C、X、Z三轴联动带动金刚石刀具相对于工件端面在圆柱坐标内实现螺旋形轨迹的切削运动,主要应用于加工各类复杂曲面。慢刀伺服车削相关技术的研究... 详细信息

慢刀伺服(SlowToolServo,STS)车削技术不同于传统车削,是一种新型的精密车削加工方法,通过C、X、Z三轴联动带动金刚石刀具相对于工件端面在圆柱坐标内实现螺旋形轨迹的切削运动,主要应用于加工各类复杂曲面。慢刀伺服车削相关技术的研究,国外起步较早,并已经实现了工业应用;国内的相关研究近些年才刚刚起步,尚处于实验室研究阶段,并未形成工业加工能力。慢刀伺服车削技术主要应用在国防军事、空间观测、光学测量、民用消费等领域。本文基于自主研发的慢刀伺服装置,对慢刀伺服车削相关技术开展了相关研究,具体研究内容如下:1)慢刀伺服车削机床控制系统参数优化。以C轴为例,推导了基于IMAC的带有速度与加速度前馈的PID控制算法的交流伺服电机进给系统的数学模型。将速度环简化为三阶振荡系统,利用阶跃响应信号进行系统辨识,获得简化的控制系统框图。最后用粒子群优化算法进行PID参数优化,并通过仿真分析速度前馈和加速度前馈对减小跟踪误差的效果。2)复杂曲面的慢刀伺服车削刀具路径规化。在简要介绍车床结构的基础上,分析了曲面的数学描述方法,并对拟加工曲面进行可加工性判别。分析包括等角度离散、等弧长离散和综合离散在内的三种刀触点离散方法,并分析各离散方法的优缺点;根据曲面能否用代数方程表达,提出了两种不同的Z向刀具几何形状补偿方法;选择IMAC提供的PVT插补作为机床的运动轨迹插值算法。在分析已有的PVT入口参数生成算法的基础上提出了三转角法,相关仿真分析结果表明本文提出的三转角法可以将插补误差缩小约一个数量级。3)渐进多焦点曲面的设计和慢刀伺服车削加工方法研究。首先建立了评价渐进多焦点曲面质量的泛函,并利用变分差分的方法求解泛函极值,计算出了渐进多焦点曲面上的离散点坐标。基于离散点坐标数据,尝试利用双n次均匀B样条插补和Zernike多项式拟合的方法构造完整渐进多焦点曲面,结果表明双n次均匀B样条插补效果更好,并且插补精度和B样条次数关系不大,故最终选择计算更为简单的双3次均匀B样条插补进行曲面构造。相关分析表明用该种方法构造的渐进多焦点曲面的实际光焦度分布和像散分布图像与理想分布情况吻合度较好。最后对构造的完整渐进多焦点曲面进行刀位点轨迹规划和算法误差分析。4)典型复杂曲面的慢刀伺服车削加工实验。基于C#语言编写了慢刀伺服车削机床控制软件,并利用本文第三章的刀具轨迹生成方法,编写了慢刀伺服车削数控程序生成软件,进行了环曲面、渐进多焦点曲面和阵列面(球面阵列、正弦阵列面)的慢刀伺服车削加工实验,通过实验检验了前文相关理论的正确性和可行性。实验结果表明,环曲面和渐进多焦点曲面的加工效果较好,可以保证0.09μm级的表面粗糙度,面形误差可以控制在±0.01mm左右。由于机床精度和机床结构的制约,对于面型结构起伏频繁的阵列面的加工效果不十分理想,机床会产生小幅震动,造成加工面型精度和表面粗糙度较差。

关键词：慢刀伺服复杂曲面 PID参数优化刀具路径规划渐进多焦点

三元整体叶轮的几何造型与数控加工刀具路径规划

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推进技术 2005年第2期26卷 188-192页

作者：曹利新苏云玲金玉淑大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室辽宁大连116024 沈阳鼓风机(集团)有限公司沈阳透平机械股份有限公司辽宁沈阳110022

采用三次B样条曲线对叶轮中性面上盖盘和轴盘的两组数据点进行插值, 得到盖盘曲线和轴盘曲线,进而得到直纹面形式的叶轮中性面; 按照叶片的厚度做盖盘曲线和轴盘曲线的变距偏置曲线, 得到叶片曲面的直纹化表达式; 在此基础上, 讨论了三... 详细信息

采用三次B样条曲线对叶轮中性面上盖盘和轴盘的两组数据点进行插值, 得到盖盘曲线和轴盘曲线,进而得到直纹面形式的叶轮中性面; 按照叶片的厚度做盖盘曲线和轴盘曲线的变距偏置曲线, 得到叶片曲面的直纹化表达式; 在此基础上, 讨论了三元叶轮加工的刀具路径规划方法, 给出了确定球头刀刀心位置和计算残留误差的两种迭代算法, 最后给出了加工实例。

关键词：叶轮造型刀具路径规划数控加工

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自由曲面数控加工刀具路径规划研究

煤炭技术 2013年第3期32卷 40-41页

作者：秦红星花蕊唐山学院机电工程系河北唐山063000 唐山供电公司配电中心河北唐山063000

对NURBS表达的自由曲面进行了三维模型重构,给出了自由曲面加工刀位点的计算方法,得到了自由曲面NURBS刀具路径规划策略,并将NURBS刀具路径和直线插补刀具路径进行了仿真加工对比,试验结果表明NURBS曲线刀具路径可以大大提高曲面加工的... 详细信息

对NURBS表达的自由曲面进行了三维模型重构,给出了自由曲面加工刀位点的计算方法,得到了自由曲面NURBS刀具路径规划策略,并将NURBS刀具路径和直线插补刀具路径进行了仿真加工对比,试验结果表明NURBS曲线刀具路径可以大大提高曲面加工的精度,改善曲面的光顺性,能够满足自由曲面数控加工的需要。

关键词：自由曲面刀具路径规划 NURBS 数控加工

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工程机械复杂零件加工刀具路径规划的研究

工程机械复杂零件加工刀具路径规划的研究

作者：李海滨吉林大学

学位级别：硕士

近年来,随着制造业的飞速发展,复杂曲面越来越多的被应用于汽车、航空、电工电子产品及造船等行业之中。由于复杂曲面产品的设计变得越来越复杂,导致产品的加工过程变得越来越困难和费时。随着科技的进步和复杂曲面工业产品本身质量要... 详细信息

近年来,随着制造业的飞速发展,复杂曲面越来越多的被应用于汽车、航空、电工电子产品及造船等行业之中。由于复杂曲面产品的设计变得越来越复杂,导致产品的加工过程变得越来越困难和费时。随着科技的进步和复杂曲面工业产品本身质量要求的提高,自由曲面加工技术对加工制造业提出了更高的要求,也涌现出了高性能数控加工技术和高速加工技术等一系列先进的加工技术。高性能数控加工以高速度、高精度和优良的加工平稳性与刀具路径光顺性等优点成为实现自由曲面高质量加工的核心技术。但同时,高性能数控加工技术对刀具路径规划的质量也提出了更高的要求。刀具路径规划技术是复杂曲面加工技术中需要解决的关键问题之一,刀具路径规划的质量直接关系到能否在加工误差允许范围内获得最优的加工效率。论文首先给出了NURBS曲线曲面矩阵表达式,NURBS曲面插值的步骤,并建立了直纹面形式的叶片型面。通过分析等参数线法、APT法、截面线法、多面体法、偏置面法和投影法等多种曲面加工方法的优缺点,本文提出用行切法作为加工叶片曲面的刀具轨迹规划方法。基于Pro/NC的叶轮片的数控编程,生成了纵向单向走刀模式、横向单向走刀模式、纵向往复走刀模式、横向往复走刀模式四种刀具轨迹的数控程序。最后论文研究了走刀行距、切削速度、进给方向和进给量等对表面粗糙度的影响程度。此外,论文还针对生成的刀具轨迹数控程序进行了加工仿真,仿真结果表明所生成的刀具轨迹能够很好地满足自由曲面高性能数控加工的需要。

关键词：自由曲面 NURBS 叶片数控加工刀具路径规划