亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        懸垂結(jié)構(gòu)零件多軸增材加工非均勻?qū)犹畛浞椒?/h1>
        2023-10-07 03:54:58耿聰耿大鵬王金杰
        機(jī)床與液壓 2023年17期
        關(guān)鍵詞:增材階梯輪廓

        耿聰,耿大鵬,王金杰

        (沈陽建筑大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧沈陽 110168)

        0 前言

        懸垂結(jié)構(gòu)零件具有底部懸空無支撐的幾何特點(diǎn),近年來廣泛應(yīng)用于復(fù)雜零件的設(shè)計(jì)中。增材制造可加工成型任意形狀的零件,是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀零件加工的有效途徑[1-4]。

        根據(jù)各層厚度是否相同,可將現(xiàn)有算法分為等厚度填充算法和自適應(yīng)填充算法2類。采用等厚度填充算法所得到的各層厚度相同,算法實(shí)現(xiàn)較為簡單[5]。但是,當(dāng)零件表面曲率變化較大時(shí),使用等厚度填充算法得到的零件表面精度較差。為克服這一不足,自適應(yīng)填充算法根據(jù)零件表面曲率、成型幾何誤差(弦長、體積偏差等)調(diào)整各層厚度,得到滿足精度要求的分層[6-9]。

        采用三軸混合機(jī)床加工懸垂結(jié)構(gòu)零件時(shí),由于加工方向固定,需要添加若干支撐結(jié)構(gòu)[10-11]。這種方式不可避免地會降低整體加工效率,帶來原材料浪費(fèi)。多軸混合機(jī)床在三軸機(jī)床結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了旋轉(zhuǎn)軸,可實(shí)現(xiàn)無支撐結(jié)構(gòu)的增材加工。國內(nèi)外學(xué)者對多軸增材加工方法展開了深入研究。ZHANG、LIOU[12]提出了一種適用于多軸增材加工的自適應(yīng)分層方法,可根據(jù)零件表面法向量調(diào)整加工方向,實(shí)現(xiàn)零件的自適應(yīng)填充。XIAO、JOSHI[13]開發(fā)了一種適用于五軸增材加工的自動規(guī)劃軟件,該軟件可自動將零件劃分為多個(gè)加工序列進(jìn)行成型制造。LEE、JEE[14]將零件分解為主體和懸垂部分,在完成主體部分加工后,改變加工方向完成對懸垂部分的加工。上述文獻(xiàn)均將懸垂部分單獨(dú)分離,在完成非懸垂部分加工后,再加工懸垂部分,影響整體加工效率。針對這一問題,RUAN等[15]提出將懸垂結(jié)構(gòu)零件作為一個(gè)整體進(jìn)行區(qū)域劃分,而后在各個(gè)區(qū)域采用單層均勻?qū)雍穸询B,最后減材加工形成非均勻?qū)?。這種先增材加工而后銑削加工出非均勻?qū)拥姆椒?,不僅增加了加工時(shí)間,也帶來了材料的浪費(fèi)。

        針對上述問題,本文作者以熔融沉積成型(Fused Deposition Modelling,F(xiàn)DM)為制造工藝,提出一種適用于懸垂結(jié)構(gòu)零件多軸增材加工非均勻?qū)犹畛渌惴?。與現(xiàn)有方法先增材再減材加工出非均勻?qū)拥乃悸凡煌?,文中方法首先限定階梯誤差最小,確定各層最大層厚、最小層厚和成型角度,進(jìn)而求解單層填充輪廓,并通過調(diào)整增材填充速率,直接形成非均勻厚度層,實(shí)現(xiàn)對具有懸垂結(jié)構(gòu)零件的無支撐快速加工,提升整體加工效率。

        1 多軸非均勻?qū)映尚头椒?/h2>

        如圖1所示,懸垂結(jié)構(gòu)零件具有底部懸空無支撐的幾何特點(diǎn)。加工該結(jié)構(gòu)增材時(shí),若原材料成型方向無法改變,則需要構(gòu)造支撐,影響加工效率和原材料利用率。多軸混合加工機(jī)床的刀具在3個(gè)平移軸基礎(chǔ)上,增加了旋轉(zhuǎn)軸,使該類零件的無支撐結(jié)構(gòu)加工成為可能。

        圖1 懸垂結(jié)構(gòu)零件示意

        文中結(jié)合懸垂零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出適用于懸垂結(jié)構(gòu)零件多軸增材加工非均勻?qū)犹畛浞椒?。該方法在滿足填充層厚限制的條件下,確定單層兩端層厚d1、d2與成型變化角度θ的變化范圍,在保證填充各層階梯誤差最小的條件下,實(shí)現(xiàn)零件的非均勻?qū)犹畛?。算法包括以?個(gè)步驟:(1)讀取模型輪廓數(shù)據(jù),建立平面直角坐標(biāo)系,完成輪廓點(diǎn)坐標(biāo)由空間直角坐標(biāo)系到平面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換;(2)在階梯誤差最小的情況下,確定單層兩側(cè)層厚和成型變化角度;(3)根據(jù)兩側(cè)層厚與成型變化角度,確定填充輪廓上各點(diǎn)坐標(biāo);(4)通過調(diào)整增材填充速率,直接形成非均勻厚度層。下面將分別介紹各部分具體實(shí)現(xiàn)過程。

        1.1 零件輪廓的確定

        如圖2所示,使用三維建模軟件獲取模型數(shù)據(jù)輪廓s,滿足曲面方程:

        圖2 空間直角坐標(biāo)系oxyz中的待加工零件

        s(x,y,z)=0

        (1)

        平面U在空間直角坐標(biāo)系oxyz內(nèi)垂直平面xy,滿足:

        ax+by+c=0

        (2)

        則零件數(shù)據(jù)輪廓s與平面U相交所得截面滿足:

        z=g(x)

        (3)

        為使零件數(shù)據(jù)輪廓s與平面U相交得到的截面輪廓面積L最大,即:

        (4)

        令其關(guān)于自變量a、b、c偏導(dǎo)值為零,可確定平面U的表達(dá)式。

        (5)

        如圖2所示,若平面U與xy平面相交于直線l,該直線與x軸相交于點(diǎn)o1(-c/a,0,0),以點(diǎn)o1為原點(diǎn),以直線l的單位方向向量為橫軸u,過點(diǎn)o1取與z軸平行的單位向量為v軸,建立右手笛卡爾平面直角坐標(biāo)系uo1v:

        (6)

        空間直角坐標(biāo)系oxyz中任意點(diǎn)P(xp,yp,zp)在所建立的平面直角坐標(biāo)系uo1v中的點(diǎn)坐標(biāo)可表示為P(up,vp),滿足:

        (7)

        1.2 基于最小階梯誤差的多軸非均勻?qū)犹畛?/h3>

        在建立平面直角坐標(biāo)系后,零件輪廓點(diǎn)坐標(biāo)就由空間直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到平面坐標(biāo)系中表示。接下來,將在填充階梯誤差最小的前提下,計(jì)算單層兩側(cè)層厚和成型變化角度,確定各層填充輪廓,并通過調(diào)整填充過程中噴嘴的進(jìn)料速度,實(shí)現(xiàn)多軸非均勻?qū)拥奶畛浼庸ぁ?/p>

        1.2.1 層厚和成型角度確定

        在取得任意零件曲面在平面坐標(biāo)系中的二維截面輪廓后,此算法采用若干直角梯形近似逼近該截面輪廓。

        如圖3所示,連接兩端點(diǎn)A(ua,va)和點(diǎn)B(ub,vb),作AB垂直平分線與BC延長線交于點(diǎn)E(ue,ve),其滿足:

        圖3 平面直角坐標(biāo)系uo1v中對應(yīng)截面

        (8)

        如圖4所示,過點(diǎn)E作斜率為ki(i=1,2,…,n)的直線li,與截面輪廓交于點(diǎn)Pi4和Pi6,可將截面分為n層。過直線li-1上的點(diǎn)P(i-1)6作P(i-1)6Pi3垂直直線li于點(diǎn)Pi3,過直線li上的點(diǎn)Pi4作Pi4Pi1垂直直線li-1于點(diǎn)Pi1。點(diǎn)P(i-1)6與點(diǎn)Pi2重合,點(diǎn)P(i-1)4與點(diǎn)Pi5重合,在最底層中,點(diǎn)P(i-1)6與點(diǎn)C重合,點(diǎn)P(i-1)5與點(diǎn)B重合。以此構(gòu)造出直角梯形Pi1Pi2Pi3Pi4近似逼近各層形狀。在第i層直角梯形中,上底邊Pi2Pi3和下底邊Pi1Pi4的長度分別為該層填充的最小層厚di2和最大層厚di1,上底邊對應(yīng)的鈍角∠Pi1Pi2Pi3為此層法向量與上一加工平面切向量的夾角。

        采用直角梯形層層堆疊形成加工零件輪廓時(shí),加工層與零件在邊緣處存在一定偏差,這種偏差稱為階梯誤差。如圖4所示,當(dāng)采用實(shí)線所示直角梯形Pi1Pi2Pi3Pi4對虛線所示零件第i層進(jìn)行填充時(shí),由于填充單層層厚較小,該層階梯誤差近似于兩側(cè)三角形面積和Si:

        Si=SΔPi2Pi3Pi6+SΔPi1Pi4Pi5=

        (9)

        該輪廓填充的總階梯誤差S表示為各層階梯誤差的總和:

        (10)

        在滿足層厚限制的條件下,使階梯誤差最小,加工零件各層最小層厚di2、最大層厚di1與成型角度θi的數(shù)學(xué)模型表示為

        其中:dmin、dmax和θmax分別對單層堆疊的最小層厚、最大層厚和最大成型角度;θs為成型總變化角,滿足:

        (11)

        求解式(11)可確定填充階梯誤差最小條件下各層兩側(cè)層厚di2、di1和成型角度θi。

        1.2.2 單層填充輪廓的確定

        在得到填充階梯誤差最小條件下的各層兩側(cè)層厚di2、di1和成型角度θi后,任意層的填充輪廓就可以確定。如圖5所示,任意第i層填充輪廓為由li1、li2、li3、li44條邊組成的直角梯形,Pi2、Pi6、Pi4、Pi5圍成虛線為該層零件截面,∠Pi1Pi2Pi3為直線li1與直線li4相交所成的鈍角,滿足:

        圖5 第i層直角梯形逼近截面表示

        ∠Pi1Pi2Pi3=θi+90°

        (12)

        在第i層直角梯形中,確定各點(diǎn)坐標(biāo)Pi1(ui1,vi1)、Pi2(ui2,vi2)、Pi3(ui3,vi3)、Pi4(ui4,vi4)、Pi5(ui5,vi5)和Pi6(ui6,vi6),即可確定該層輪廓。對于底層直角梯形,點(diǎn)P15(B)和點(diǎn)P12(C)為零件輪廓與U軸的2個(gè)交點(diǎn),可通過計(jì)算得到;對于其余各層,第i層的Pi2、Pi5分別與i-1層的Pi6、Pi4重合。因此,點(diǎn)Pi2和點(diǎn)Pi5為已知量,只需求解其他4點(diǎn)Pi1、Pi3、Pi4、Pi6。下文將詳細(xì)介紹這4點(diǎn)坐標(biāo)的求解過程。

        通過上一步驟確定各層層厚和成型角度后,由于Pi3與Pi2相距di2,且∠Pi1Pi2Pi3已知,可通過式(13)確定Pi3(ui3,vi3):

        (13)

        直線li2過Pi3(ui3,vi3),且與直線li1垂直,則其表達(dá)式為

        (14)

        確定直線li2表達(dá)式后,則可得到跟零件輪廓S相交兩點(diǎn)Pi6和Pi4的坐標(biāo)值。又由于點(diǎn)Pi1和點(diǎn)Pi4距離是di1,且Pi1Pi4平行于Pi2Pi3,可通過式(15)確定Pi1的坐標(biāo)值:

        (15)

        通過上述步驟,可確定第i層直角梯形中所有點(diǎn)坐標(biāo),進(jìn)而確定該層填充輪廓。

        1.2.3 填充速率的確定

        在增材填充加工過程中,單層填充層厚d滿足:

        (16)

        其中:r為噴嘴半徑;f為噴嘴進(jìn)料速度;v為機(jī)器移動速度;k為軌跡寬度。對于特定機(jī)床,其噴嘴半徑r和軌跡寬度k恒定不變。在實(shí)際填充中,保持機(jī)器移動速度v不變,單層填充層厚d與噴嘴進(jìn)料速度f成正比,通過改變噴嘴進(jìn)料速率即可實(shí)現(xiàn)不同層厚的加工。

        如圖6所示,增材填充單層時(shí),加工平面由多條填充軌跡組成。每一條填充軌跡的厚度均勻,相鄰填充軌跡的厚度逐步增大,滿足線性關(guān)系。路徑加工的截面如圖7所示。

        圖6 單層加工面填充軌跡與填充結(jié)果

        圖7 第i層加工軌跡填充截面

        在進(jìn)行非均勻?qū)犹畛鋾r(shí),每條軌跡所填充的截面面積Aip可由式(17)確定。

        (17)

        結(jié)合式(16)與式(17),可得出噴嘴在加工軌跡上的進(jìn)料速率f的表達(dá)式:

        (18)

        2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        為驗(yàn)證文中所提出算法的有效性,對圖8所示零件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該零件是一段半徑為R=45 mm、弧度為π/2的圓弧,其截面為10 mm×10 mm的正方形。設(shè)定多軸增材加工機(jī)床的噴嘴可填充最小層厚0.5 mm,最大層厚1.0 mm。

        圖8 目標(biāo)加工零件

        圖9所示為等厚度填充仿真效果。圖10所示是根據(jù)曲率變化對零件進(jìn)行自適應(yīng)填充的仿真效果,可以看出:各層厚度在0.5~1.0 mm內(nèi)變化。與等厚度填充法相比,自適應(yīng)填充算法得到的各層厚度不同,但兩方法在填充單層時(shí)的厚度均保持不變。圖11所示為采用文中方法對零件進(jìn)行非均勻填充的仿真效果。圖中相同顏色部分的堆疊厚度相同,同層填充厚度在0.5~0.625 mm內(nèi)變化。與等厚度和自適應(yīng)填充方法不同,采用文中方法填充,單層厚度也會發(fā)生變化。

        圖9 等厚度算法分層仿真結(jié)果

        圖10 自適應(yīng)算法分層仿真結(jié)果

        圖11 文中方法分層仿真結(jié)果

        效率和精度是評價(jià)算法效果的兩個(gè)重要指標(biāo),兩者與填充層數(shù)和填充層階梯誤差的大小有關(guān),層數(shù)越多,效率越低,各層階梯誤差越小,增材填充精度越高。表1所示為分別采用等厚度填充算法、自適應(yīng)填充算法和此算法對圖8所示零件加工,在層數(shù)、填充面積與階梯誤差間的差異??芍涸跐M足噴嘴最大加工層厚的情況下,文中方法與等厚度填充算法得到的層數(shù)分別為79和70,遠(yuǎn)小于自適應(yīng)填充算法得到的層數(shù)92。

        表1 不同分層方式參數(shù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

        設(shè)定機(jī)床的噴嘴可填充最小層厚0.5 mm,最大層厚1.0 mm,在得到分層信息后,采用Vericut中的beam_magic2機(jī)床進(jìn)行仿真加工,噴嘴加工寬度為1 mm,移動速度為80 mm/s,增材仿真加工的結(jié)果如圖12所示。

        圖12 零件填充加工

        在增材填充過程中,層數(shù)與效率成反比,層數(shù)越多,待填充加工面積越大,其效率越低,加工數(shù)據(jù)如表1所示。采用文中方法加工,其填充面積為7 900 mm2,與等厚度填充算法面積(6 969 mm2)相近,遠(yuǎn)小于采用自適應(yīng)填充算法進(jìn)行填充的加工面積(9 086 mm2)。這意味著在該零件的加工中,采用文中方法和等厚度填充算法能夠得到較高的加工效率。

        采用等厚度填充算法對該零件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)加工時(shí),形成的階梯誤差為7.206 1 mm2,遠(yuǎn)大于文中方法填充階梯誤差0.647 9 mm2。為提升等厚度填充算法加工精度,一般采用增加等厚度填充層數(shù)的方法。在將分層層數(shù)增至140,加工層厚限定至最小值0.5 mm后,填充階梯誤差由7.206 1 mm2縮小到3.632 1 mm2,但填充面積由6 969 mm2增至14 036 mm2,大大降低了加工效率。而當(dāng)文中算法加工層厚取最小值時(shí),誤差可達(dá)到最小值0.252 3 mm2,不僅優(yōu)于等厚度填充算法和自適應(yīng)填充算法,而且還優(yōu)于文中加工層厚取最大值時(shí)的誤差。文中加工層厚取最小值時(shí),填充面積由7 900 mm2增至12 600 mm2,會降低加工效率、提高加工精度。

        采用文中方法進(jìn)行實(shí)際加工,填充加工材料為PLA,加工出的零件如圖13所示。

        圖13 加工零件

        綜上所述,相較于等厚度填充、自適應(yīng)填充等均勻?qū)雍裉畛浞椒?,在滿足填充層厚的條件下,采用文中方法對零件進(jìn)行加工,可獲得更好的加工效率和加工精度。

        3 結(jié)論

        文中提出一種針對具有懸垂特征零件的多軸增材加工非均勻?qū)犹畛渌惴āT摲椒▽⒛P洼喞S點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面直角坐標(biāo)系中的二維點(diǎn)表示,在保證階梯誤差最小的情況下,確定各層兩側(cè)層厚和堆疊角度,進(jìn)而得到填充輪廓上各點(diǎn)坐標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:與傳統(tǒng)等厚度填充和自適應(yīng)填充方法相比,文中方法采用一系列非均勻?qū)油瓿闪慵奶畛浼庸?,該過程無需支撐結(jié)構(gòu),且與傳統(tǒng)均勻?qū)犹畛浞椒ㄏ啾?,文中方法能夠達(dá)到更高的加工效率與加工精度。文中方法同樣適用于曲率變化大零件的增材填充。

        猜你喜歡
        增材階梯輪廓
        石材增材制造技術(shù)研究
        石材(2022年4期)2022-06-15 08:55:02
        OPENCV輪廓識別研究與實(shí)踐
        基于實(shí)時(shí)輪廓誤差估算的數(shù)控系統(tǒng)輪廓控制
        激光增材制造仿真過程分析
        我國增材制造技術(shù)的應(yīng)用方向及未來發(fā)展趨勢
        爬階梯
        時(shí)光階梯
        幸福(2016年9期)2016-12-01 03:08:50
        有趣的階梯
        焊接增材制造研究新進(jìn)展
        焊接(2016年4期)2016-02-27 13:02:12
        在線學(xué)習(xí)機(jī)制下的Snake輪廓跟蹤

        国产一区二区a毛片色欲| 免费网站看v片在线18禁无码| 国产内射999视频一区| 大陆国产乱人伦| 国产美女高潮流的白浆久久| 国产精品久色婷婷不卡| 国产午夜福利精品一区二区三区| 国产人澡人澡澡澡人碰视频| 成人无码视频在线观看网站| 中文字幕国产精品专区| 国产人成精品免费久久久| 女人喷潮完整视频| 中文字幕第1页中文字幕在| 国产一区二区三区av香蕉| 国产自拍偷拍精品视频在线观看 | 少妇伦子伦精品无吗| 亚洲av无码一区二区三区在线| 亚洲欧美国产成人综合不卡| 粉嫩人妻91精品视色在线看| 亚洲日韩国产欧美一区二区三区| 精品国产一区二区三区久久久狼| 特黄三级一区二区三区| 人妻少妇久久中中文字幕| 日韩视频中文字幕精品偷拍| 欧美日韩亚洲国产千人斩| 四虎在线中文字幕一区| 国产99久久久国产精品~~牛| 国产又黄又大又粗的视频| 久久精品国产屋| av一区二区在线网站| 国产欧美日韩一区二区三区| 国产视频导航| 国内人妖一区二区在线播放| 国产精品国产三级国产aⅴ下载| 亚洲av中文无码乱人伦在线r▽| 久久久久国产精品片区无码| 久久伊人精品色婷婷国产| 亚洲精品无码久久久| 另类一区二区三区| 在线亚洲精品免费视频| 日本成本人片视频免费|