眼镜镜片尖边轮廓的五轴数控加工

为了改善和优化眼镜镜片的加工流程,避免镜片尖边加工过程中刀轴矢量变化剧烈、影响工件表面的加工质量,提出了一种基于UG NX的五轴数控加工路径。利用智能镜框扫描仪对镜框边缘进行扫描,获得镜框凹槽点云数据文件,编写相应程序对符合眼镜片加工标准的OMA文件中的球坐标数据进行坐标及格式转换等处理。基于NURBS曲线拟合算法,实现刀路轨迹的连续性并保证拟合曲线的精度。设计和建立一种控制刀轴矢量平滑变化的刀轴驱动约束方法,依靠曲线驱动刀轴及镜片曲面法向量约束刀轴使刀头平滑进给,并将刀轨文件经过后处理转换为NC文件。最后,对加工后的镜片进行误差测量,结果表明,通过点云数据拟合刀路曲线的方法提高了加工面的精确度和光滑性,有效缩减了加工流程,提高了加工效率。

基于等几何分析的风力机叶片PHT样条细分研究

等几何分析方法作为一种新型数值分析方法得到了广泛关注。针对传统等几何分析过程中,非均匀有理B样条(NURBS)曲线建模存在控制点较多、局部细化薄弱以及多面片拼接导致模型空间连续性较差等问题,提出一种基于PHT样条分层细分的等几何分析(IGA)方法。以某型风力机叶片为研究对象,分析了PHT样条细分对风力机叶片模型求解精度的影响,并通过有限元仿真结果进行对比分析。结果表明:细分前基于NURBS的风力机叶片模型等几何分析结果与有限元结果的相对误差为5.9%,细分后IGA结果与有限元结果的相对误差为3.7%,证明了经过PHT样条细分,风力机叶片的等几何分析求解精度得到了有效提高。提出的方法对后续风力机叶片的数值仿真和优化设计具有一定的参考意义。

基于LMS滤波算法优化数控加工速度误差的应用

针对数控加工过程中速度误差导致加工精度低的问题,研究所加工零件的加工精度、切削加减速误差和切削加速度变化规律等,提出基于LMS滤波算法的数控加工速度误差优化。通过对非均匀有理B样条(NURBS)曲线进行仿真加工,对数控机床加工速度进行自适应控制。通过引入最小均方算法进行误差分析,从而提高插补速度精度,使数控机床加工误差降低、效率提高。通过实验测试对所提误差控制方法进行验证。结果表明:基于LMS滤波算法优化数控加工误差控制,不仅使数控机床加工速度得到提高,还有效解决了数控机床加工运动过程中存在的加工误差问题,使加工精度得到有效提升,证明所提加工误差控制方法具有一定可行性。

复杂型腔类零件电火花加工电极运动轨迹搜索算法研究

针对复杂型腔类零件电火花加工中电极无干涉运动路径难规划的问题,提出一种电极运动轨迹搜索算法。使用NURBS参数化曲线曲面建模方法拟合叶片型面,建立叶片精确数学模型并计算流道中心线,基于流道中心线表达式提出轨迹搜索算法,开发了复杂型腔类零件多轴联动电火花加工专用CAM系统,成功实现4轴、5轴、6轴复杂型腔类零件的电极运动路径规划和无干涉加工过程仿真。进行整体带叶冠涡轮盘的加工试验,结果表明,叶形加工精度≤0.03 mm,总耗时249.3 h,满足闭式整体叶盘类零件指标要求。试验证明该算法可以快速搜索电极无干涉运动轨迹,有效避免电极干涉,从而提高轨迹搜索效率,工况适应能力强,可用于4~6轴各种工况下叶轮、叶盘等复杂型腔类零件的电极运动轨迹搜索。

涡扇叶片在机测量自适应采样方法

涡扇叶片的加工和检测精度直接影响到涡扇的结构强度和气动性能。为提高叶片的在机测量精度和效率,提出一种基于弯矩理论的自适应曲面采样方法,以解决叶片曲面在前缘和后缘位置处曲率急剧变化以及轮廓面的全局采样问题。根据曲面的几何特征变化,自适应确定检测点的分布密度和数量。仿真和在机测量实验验证了该方法的有效性和可行性。通过与双向等参数法、改进的分区等参数法和Hammersley序列法的采样结果对比表明,基于弯矩理论的自适应采样方法实现了对采样点位置及数量的微细精准调整,采样误差小,重构表面精度高,满足在机测量对时间和精度的要求。

一种并联机器人轨迹规划算法研究

针对并联机器人工作空间微小线段间拐角处产生的冲击与振动问题,提出一种基于笛卡尔空间与关节空间相结合的机器人联合空间轨迹规划方法。在笛卡尔空间中采用三次非均匀有理B样条曲线对机器人末端执行器复杂的加工轨迹进行插补。为解决笛卡尔空间微小线段间拐角处的切向不连续导致轨迹突变的问题,基于并联机器人逆运动学模型,将笛卡尔空间轨迹规划算法所得插补点映射到关节空间,采取五次均匀B样条曲线进行第二次轨迹插补,平滑并联机器人运动过程中加速度及加加速度突变曲线。并在动力学层面验证所提算法的有效性。仿真结果表明:联合空间轨迹规划策略能使机器人末端执行器较好地改善连续高阶曲率导数的轨迹平滑问题,提高末端跟踪精度。实验结果表明:末端跟踪误差值最大减少21.12%,力矩最大值减少11.65%。

基于原子轨道搜索算法的6自由度装配机器人轨迹规划

针对6自由度装配机器人多目标优化和轨迹规划问题,首先,将原子轨道搜索(Atomic Orbit Search,AOS)算法融入到多目标优化中,构建了时间、能耗和冲击的多目标优化函数;其次,轨迹规划采用路径点插值非均匀有理B样条曲线的方法,使用AOS算法测定原子的结合态和结合能,并确定原子中能级最低的候选解,输出最优的电子位置,优化了Pareto取值集合空间,获得多目标优化后的轨迹曲线;最后,通过Matlab仿真验证了所提方法的有效性。结果表明,结合AOS算法优化后的轨迹规划方法能保证装配机器人按最优路线运行,具有一定的工程应用价值。

结合互相关和B样条插值的激光三角光斑定位

激光三角光斑定位通常受到像点光斑偏态的影响,为提高激光三角位移传感器的测量精度和物面适应性,在分析激光三角光斑的偏态特征的基础上,针对偏态特性提出了一种基于互相关和非均匀有理B样条插值的光斑定位算法。对光斑信号采取时域和空域相结合的滤波处理方法,降低外部噪声干扰。引入邻域标定光斑进行互相关运算,充分利用光斑偏态分布的灰度和位置相似性约束,确定像素级相关系数分布。最后,对相关系数序列进行三次非均匀有理B样条插值细分,实现亚像素级光斑质心定位。在激光三角位移传感器中验证算法,实验结果表明:该算法通过结合互相关和非均匀有理B样条插值细分,将测量重复性误差降低至0.4μm,精度相对于传统定位算法显著提高;同时,在互相关算法中采用的邻域标定光斑模板不仅容易获取,几何相似度更高,而且对不同物面特性的适应性更强。本文方法精度高、适应性强,为有效提升激光三角位移传感器的性能提供了新的技术路径。

渐进多焦点自由曲面镜片优化重构

渐进多焦点自由曲面镜片的后表面由多个曲面拟合而成,其衔接处曲率变化较大且不连续,初始的自由曲面镜片往往需要通过局部或者全局优化来改善其光学性能以及表面光顺性。提出基于NURBS曲线和最小二乘曲线的全局拟合方法来对渐进多焦点自由曲面镜片后表面进行优化重构。介绍了最小二乘曲线拟合的算法原理,在相同参数下对两组光焦度不同的镜片后表面进行重构,并进行仿真分析和测量分析,对其光学性能进行评价。实验结果表明:两组镜片最大像散分别减小了0.61 D和0.45 D,远用区像散分别减小了0.15 D和0.16 D,中间通道(Y=0 mm处)宽度增加超过1.8 mm。重构后的曲面能够在保持光焦度基本不变的情况下,提高了后表面的光滑性,有效减小了渐进片的最大像散,同时渐变通道的宽度也有一定程度的改善。

基于NURBS曲线的超高速电梯导流罩多目标气动优化设计

随着电梯梯速的提高,轿厢受到的气动阻力和升力越来越大,这不仅制约着梯速的进一步提高,也成为影响电梯舒适性和安全性的关键因素。为优化电梯的气动性能,利用NURBS曲线构建了包括导流罩、轿厢、对重和井道的电梯系统参数化模型。以气动阻力系数C_(d)和气动升力系数C_(l)为优化目标,利用敏感性分析筛选出对优化目标影响最大的4个关键设计参数。通过网格独立性检验选取合适的仿真计算网格,为缩短计算时间,结合最优空间填充设计的样本点建立Kriging模型对导流罩进行多目标优化,得到一系列Pareto解,并对优化前后导流罩的气动性能进行了对比分析。结果表明,降低导流罩侧面和后部凸凹度,增大导流罩总高和后部高,可以改善电梯系统的气动性能,优化后导流罩的C_(d)减小26.67%,C_(l)减小34.27%,并且在不同梯速下具有较好的适用性。

基于变密度拓扑优化构型的光滑边界提取方法

在变密度法拓扑优化结果中,灰度单元及锯齿形边界难以转化为计算机辅助设计(CAD)模型,针对这一问题,提出了一种基于变密度拓扑优化构型的光滑边界提取(重构)方法。首先,使用变密度法得到的伪密度值,在设计域中构造了一个非均匀有理B样条(NURBS)拟合曲面;然后,构造了一种二分法迭代格式,以确定满足体积约束的“零水平集”位置,并运用VBA编写了迭代程序;最后,以水平集方法中的“零水平集”作为结构边界,构成了CAD模型,实现了光滑边界的提取。研究结果表明:采用光滑边界提取方法,降低了变密度拓扑优化过程中的要求(需要减少灰度单元),消除了结果中的锯齿形边界,实现了变密度法优化构型到CAD模型的快速转换;通过3个数值算例得到的拓扑优化模型体积分数误差小于1%,边界光滑、结构性能良好,表明了光滑边界提取方法的有效性和通用性。

基于PSO算法的斜齿轮NURBS齿面重构研究

斜齿轮被广泛应用于高速重载的传动系统中,需要通过齿轮接触分析(TCA)以及齿轮承载接触分析(LTCA)进行强度校核。针对传统的齿轮接触分析所采用的有限元几何模型精度差的问题,提出了一种四阶斜齿轮齿面非均匀有理B样条(NURBS)拟合方法,并对齿轮渐开线曲面控制点权重进行粒子群优化(PSO)。通过参数化方程生成斜齿轮齿面型值点以进行节点矢量以及齿面控制点的计算,并利用粒子群优化算法,将拟合点到理论曲面的法向投影距离的最大差值作为拟合误差,对构成齿轮的渐开线曲面控制点权重进行调整,实现更为精确的斜齿轮齿面重构拟合。在10×6的网格控制点下,所生成的斜齿轮NURBS渐开线齿面拟合误差为2.059μm,优化后可以达到1.657μm,满足齿廓总偏差2级精度要求,可以为齿轮接触分析以及齿轮承载接触分析提供精确的几何模型。

基于NURBS的自由曲面精确拟合方法研究

提出了一类卷曲模型的NURBS曲面建模新方法。借助提出的截面轮廓设计技术,构造了点云数据的系列截面轮廓线,并以蒙皮操作为基础得到了能反映点云基本几何特征的基面。应用参数校正技术,给出了一种合理且比较有效的基面参数化方法,并由此用加权最小二乘算法实现了基于迭代的NURBS曲面的精确拟合。实际的算例结果验证了方法的实用性及精确性,非常适于模具型腔建模。

三次NURBS曲线控制点的计算

在计算目标的雷达散射截面之前必须首先对目标进行建模。非均匀有理B样条(NURBS)在复杂目标建摸方面有许多优点,并且越来越多的使用在CAD中。NURBS方法在实际应用中遇到的一个重要问题就是已知曲线曲面上的型值点而求解控制点。文中根据曲线曲面型值点,分别用四种参数化方法构造节点矢量,利用NURBS方法反算控制点。

基于冗余误差控制的非均匀有理B样条曲线插补算法研究

提出了一种能有效控制冗余误差的非均匀有理B样条曲线插补算法。该算法综合了等弓高误差插补算法和恒定进给速度插补算法的优点,小曲率情形时在保证加工精度的前提下,通过引入进给倍率因子,增大进给速度以改善误差过度冗余;同时在大曲率情形下,可控制弓高误差在限定的误差范围以保证轮廓精度。这样既可保证轮廓精度,又可提高加工效率。仿真实例证实了该插补算法的有效性和可行性。

无速度波动的NURBS曲线二次插补算法原理及其实现

针对NURBS插补中的速度波动与计算效率两大问题,提出无速度波动的NURBS割线二次插补算法与NURBS快速求值求导算法。在割线二次插补法中,采用二阶Taylor法对NURBS曲线进行一次插补,在此基础上使用根据无速度波动要求给定插补步长的割线逼近原曲线,从而计算插补点,以消除因截断误差和弦线逼近偏差引起的速度波动。在NURBS快速求值求导算法中,预先计算并存储NURBS表达式中分子式与分母式在节点值处的各阶非零导数,实时插补中使用Taylor公式快速计算NURBS各阶导数,从而避免计算B样条基函数,达到提高计算效率的目的。在自主研发的数控平台上实现了基于所提算法的NURBS插补器,并通过仿真分析与加工实验验证了该插补器是有效且可行的。

基于NURBS的航空发动机叶片焊接修复的轨迹规划

由于航空发动机叶片截面形状复杂,焊接修复精度高,采用基于非均匀有理B样条曲线(non-uniform rational B-spline,NURBS)方法进行轨迹规划.利用NURBS曲线分别表示叶片截面的前缘、尾缘、叶盆和叶背等四部分曲线,经过升阶整合处理,获得统一表达式,从而进行基于NURBS的曲线插补.综合弓高误差、法向加速度和编程进给速度对焊接速度和精度的影响,实现了进给速度的自适应控制.提出了一种分段前瞻控制,简化了前瞻算法,提高了前瞻效率.最后通过仿真试验验证该算法的可行性和焊接精度.结果表明,该算法是可行的,具有良好的焊接精度.

基于齿面参数化表示的准双曲面齿轮的设计

为了能将拟合齿面模型用于准双曲面齿轮的设计,采用加工仿真方法获得了齿面上离散型值点坐标数据,完成了齿面非均匀有理B样条的曲面拟合.依据准双曲面齿轮的主动设计原理,解决了在已知齿面的NURBS表示、齿面接触迹线和传动比函数的条件下来设计未知齿面的关键技术,给出了基于离散化齿坯模型的加工仿真算法,将齿面的接触分析问题转化成一个优化问题,从而构建了齿面接触分析模型,并在其中采用啮合点法线与啮合点间连线之间的夹角趋于0的条件替代了法线重合条件.研究结果表明,齿面的NURBS表示模型可以作为面向准双曲面齿轮设计与制造过程的统一模型,以该模型为基础,可以完成齿面设计、数控机床刀位数据生成和坐标测量路径规划等一系列重要工作.

基于最少控制点的非均匀有理B样条曲线拟合

针对叶片型线的优化设计,提出采用自适应方法提取合适的节点来插值非均匀有理B样条(NURBS)曲线的算法,实现了满足一定精度要求的数据点云拟合以及控制点的计算.该方法首先通过点云外形特征提取主特征点,把主特征点作为节点插值NURBS曲线,通过德布尔递推公式求解控制点,然后根据误差及曲率信息自适应地增加节点反复迭代,直到达到要求的拟合误差精度,从而简洁有效地实现了大量数据点云的拟合.相比传统方法,该方法能够更快地达到要求的逼近精度,同时将误差与曲率信息结合起来调整节点,不仅适合于有局部大曲率及有噪声点的数据点云的曲率计算,而且可用于估计插值节点的数量和工业逆向设计中空间曲面控制点的提取,为优化设计奠定了良好的基础.

叶片复杂曲面的机器人抛磨工艺规划

为了实现复杂曲面工件的智能抛磨加工,对叶片复杂曲面进行机器人抛磨工艺规划。对抛磨点位置规划算法和基于最大接触原则的抛磨姿态规划算法进行了研究。首先,通过平行截面法获得抛磨路径割线,以非均匀有理B样条(NURBS)曲线描述。接着,提取曲线特征参数,根据设定的阈值进行抛磨点规划,再基于抛磨轮与工件的最大接触原则进行抛磨点姿态规划,从而得到完整的抛磨路径。然后,将工件位姿从工件坐标系转换到TCP坐标系。最后,搭建了柔性抛磨系统仿真平台生成机器人控制程序。实验结果表明,此方法规划的路径可用于叶片复杂曲面的机器人抛磨加工。分别用本文规划所得路径和CAM软件规划所得路径对叶片进行抛磨加工,测得表面粗糙度分别为0.695~0.930μm和2.803~3.243μm。本文提出的抛磨位姿规划方法可用于复杂曲面工件的抛磨路径规划,使工具和工件保持最大接触,从而避免了位姿不合理所产生的过抛和欠抛。