曲面分片在多軸刀具軌道規劃中的應用

來源: www.tcwpwd.live 作者:candace 發布時間:2013-11-24 10:35 論文字數:31000字
論文編號: sb201311240553449166 論文地區:中國 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文 論文價格: 150
本文在查閱相關資料并深入分析國內外研究現狀的基礎上提出了基于主曲率和近鄰傳播聚類的曲面分片算法,并開展了基于曲面分片的五軸刀具軌跡規劃的研究。

第一章緒論
 

1.1課題的背景和意義
制造技術水平的高低體現了一個國家的生產力水平、國防能力,經濟競爭力和綜合國力。數控加工技術是上個世紀40年代后期發展起來的一種先進制造技術,是現代制造技術的基礎。它的廣泛應用使普通機械被數控機械所代替,全球制造業也由此發生了根本的變化。
隨著現代工業和航空航天技術的發展,零件的復雜程度不斷增加,對加工效率和精度提出更高的要求,普通的三軸聯動數控加工己不能滿足要求。目前大家普遍認為五軸聯動數控系統是解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發電機轉子、汽輪機轉子、大型柴油機曲軸等復雜零件加工的唯一手段。由于在加工零件的能力、質量和效率等方面有著顯著的優勢,五軸數控加工得到了越來越多人的關注。
除了數控機床之外,數控編程也是數控加工中重要的一環,它決定了刀具相對于工件的運動軌跡。數控編程的方法主要有手工編程和自動編程兩種。手工編程是指由人工來制備零件的加工程序,自動編程是指零件加工程序的編制主要由計算機來完成,編程人員不需要進行繁瑣的計算,可自動獲得加工程序和控制介質,大大地提高了編程的效率。目前得到廣泛應用的通用數控編程系統有UG、CATIA、Pro/Engineering、MasterCAM、Cimatron、PowerMill 等,MAX-PAC 是 Concepts NREC 公司針對葉輪五軸數控加工的專用CAM軟件,Vericut是CGTech公司開發的專用數控仿真軟件。數控編程的關鍵技術可以分為零件曲面和實體的幾何建模、加工方案與加工參數的選擇、刀具路徑的規劃、數控加工仿真和后置處理五個方面,如圖1-1所示。
刀具軌跡的規劃是數控編程中的核心,能否生成有效的刀位軌跡將直接決定加工的可能性,效率和精度。由于五軸數控機床比傳統三軸機床多了兩個旋轉自由度,刀軸姿態更加靈活,也增加了刀具路徑規劃的難度,在五軸數控加工中如何生成無干涉、無過切、高效的刀具路徑已經成為必須解決的至關重要的問題。
 
1.2刀具軌跡規劃的研究現狀及存在的主要問題
國內外許多學者通過大量的研究,在常用的刀具路徑生成方法上進行了局部的變化和改進。Ding等對等平面法進行了改進,提出了等照度線的概念將曲面分成不同的區域,自適應生成加工路徑。Feng和Lee提出了一種改進的等殘高刀具軌跡生成方法,與一般等參數法相比,縮短了總的加工長度。Chiou和Lee根據加工曲面和刀具的幾何信息計算出每個加工點處最大加工帶寬方向作為最優切削路徑方向,提出加工潛在區(MPF)方法來生成刀具路徑。
由于環形刀的切削刃是一個光滑曲面,在切平面各個方向上環形刀都有可能發生過切,GLAESER等引入了正向杜邦指標線的概念,對具有嚴格凸切削刃刀具的三坐標加工進行干涉檢測以及刀具選取。
根據切觸點處曲面的局部幾何性質,ZezhongC.Chen等也被加工曲面按照自由曲面的幾何特征和加工特性分成若干曲面片并自動生成每個單一形狀的曲面片的刀具軌跡。JENSEN等[y提出基于曲率匹配原則的刀具選擇方法,該方法以最小化加工誤差和最大化材料切除率為目標,在垂直于走刀方向的平面上根據刀具曲面和被加工曲面的二階泰勒展幵式計算與加工型面相匹配的刀具有效切削半徑,從而實現刀具的最優選取。YOON等采用二階泰勒逼近方法簡化加工曲面,給出了刀軸姿態選取的優化方法。FAN等…采用兩個二次曲面對被加工曲面進行逼近,以加工帶寬最大化為目標,實現了刀軸姿態的自動優化。(:別011等^〕通過分析刀具的瞬時掃略輪廓,得到曲面局部干涉、后角干涉等誤差,提出了五軸加工刀軸的優化方法。ENGELI等“:"利用Hermite、Hermite-Chebishev和Taylor三種方法分別逼近刀具曲面中心圓與設計曲面,給出了寬行加工刀具軌跡的生成算法。
 
第二章曲面分片規劃研究
 
曲面分片規劃的思想是將復雜曲面劃分為一系列曲面信息與工藝特征相同或相似的曲面片,相似的曲面片族釆用相同的刀具和相近的規劃策略,在片域內進行刀具軌跡規劃和姿態優化,達到提高復雜參數曲面數控加工的效率和精度的目的。
 
第三章曲面刀具軌跡規劃..........22
3.1刀具軌跡生成的方法..........22
3.2復雜曲面加工刀具選擇..........25
3.3刀具姿態..........27
3.4等殘留高度法..........27
3.5刀具干涉的處理..........32
3.5.1全局干涉..........33
3.5.2局部干涉與刀具姿態優化..........34
3.6刀位點的計算..........35
3.7刀具路徑的生成..........35
3.8本章小結..........36
第四章UG 二次開發..........37
4.1 UG/OPEN 概述..........37
4.2軟件算法流程..........39
4.3 二次開發程序實現..........39
4.4本章小結..........50
第五章軟件測試及分析..........51
5.1測試的曲面實例..........51
5.2本文方法和傳統單一刀軌法的比較..........51
5.3加工效率分析..........53
5.4本章小結..........53
 
結論
 
隨著技術的發展以及人們對產品外觀美學的需要,具有復雜曲面的產品被廣泛應用于模具,交通,航天航海等領域。對復雜曲面進行加工時,如果曲面尺寸較大、曲率變化大,對其進行整體無干涉加工,由于曲面局部區域幾何性質的限制,在刀具類型和尺寸以及路徑生成方法的選擇上會有很大的局限性,造成加工效率低下。對此,本文在查閱相關資料并深入分析國內外研究現狀的基礎上提出了基于主曲率和近鄰傳播聚類的曲面分片算法,并丌展了基于曲面分片的五軸刀具軌跡規劃的研究。全文主要的研究成果如下:
(1)對被加工曲面做空間離散,計算離散型值點處的主曲率、高斯曲率及平均曲率,先將被加工曲面粗分為兩類主要幾何形體:凸形面和非凸形面,在此基礎上基于近鄰傳播聚類算法將面域細分成若干曲面片族。
(2)采用基于C-map模型的邊界抽取算法提取曲面片的邊界,為后續基于曲面分片的五軸刀軌規劃作準備。
(3)研究了現有的刀位軌跡規劃理論,分析了目前常用刀具軌跡生成法的優缺點。介紹等殘留高度刀軌規劃法的推理過程,包括對刀觸點處的局部微分幾何結構的分析,給出走刀步長和加工行距的計算公式,分析和探討刀具的干涉類型和處理等,為不同路徑生成方法的選擇提供依據。
(4)以VC++作為開發環境,S-f"UG平臺,綜合利用Open API、MenuScript等工具,進行五軸刀具軌跡規劃程序的開發,設計了軟件的菜單欄與對話框,將基于曲面分片的五軸刀具軌跡規劃方法集成到UG中。
(5)通過實例證明,該方法與傳統等殘留高度法相比,能在保證加工精度的甜提下,有效提高復雜曲而的加工效率。
 
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