31000字硕士毕业论文曲面分割在多轴刀具轨迹规划中的应用

论文类型：硕士毕业论文

论文字数：31000字

论点：曲面,刀具,加工

论文概述：

本文在查阅相关资料并深入分析国内外研究现状的基础上提出了基于主曲率和近邻传播聚类的曲面分片算法,并开展了基于曲面分片的五轴刀具轨迹规划的研究。

论文正文：

第一章是绪论

1.1课题的背景和意义制造技术水平的高低体现了一个国家的生产力水平、国防能力,经济竞争力和综合国力。数控加工技术是上个世纪40年代后期发展起来的一种先进制造技术,是现代制造技术的基础。它的广泛应用使普通机械被数控机械所代替,全球制造业也由此发生了根本的变化。随着现代工业和航空航天技术的发展,零件的复杂程度不断增加,对加工效率和精度提出更高的要求,普通的三轴联动数控加工己不能满足要求。目前大家普遍认为五轴联动数控系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等复杂零件加工的唯一手段。由于在加工零件的能力、质量和效率等方面有着显著的优势,五轴数控加工得到了越来越多人的关注。除了数控机床之外,数控编程也是数控加工中重要的一环,它决定了刀具相对于工件的运动轨迹。数控编程的方法主要有手工编程和自动编程两种。手工编程是指由人工来制备零件的加工程序,自动编程是指零件加工程序的编制主要由计算机来完成,编程人员不需要进行繁琐的计算,可自动获得加工程序和控制介质,大大地提高了编程的效率。目前得到广泛应用的通用数控编程系统有UG、CATIA、Pro/Engineering、MasterCAM、Cimatron、PowerMill 等,MAX-PAC 是 Concepts NREC 公司针对叶轮五轴数控加工的专用CAM软件,Vericut是CGTech公司开发的专用数控仿真软件。数控编程的关键技术可以分为零件曲面和实体的几何建模、加工方案与加工参数的选择、刀具路径的规划、数控加工仿真和后置处理五个方面,如图1-1所示。刀具轨迹的规划是数控编程中的核心,能否生成有效的刀位轨迹将直接决定加工的可能性,效率和精度。由于五轴数控机床比传统三轴机床多了两个旋转自由度,刀轴姿态更加灵活,也增加了刀具路径规划的难度,在五轴数控加工中如何生成无干涉、无过切、高效的刀具路径已经成为必须解决的至关重要的问题。
 1.2刀具轨迹规划的研究现状及存在的主要问题国内外许多学者通过大量的研究,在常用的刀具路径生成方法上进行了局部的变化和改进。Ding等对等平面法进行了改进,提出了等照度线的概念将曲面分成不同的区域,自适应生成加工路径。Feng和Lee提出了一种改进的等残高刀具轨迹生成方法,与一般等参数法相比,缩短了总的加工长度。Chiou和Lee根据加工曲面和刀具的几何信息计算出每个加工点处最大加工带宽方向作为最优切削路径方向,提出加工潜在区(MPF)方法来生成刀具路径。由于环形刀的切削刃是一个光滑曲面,在切平面各个方向上环形刀都有可能发生过切,GLAESER等引入了正向杜邦指标线的概念,对具有严格凸切削刃刀具的三坐标加工进行干涉检测以及刀具选取。根据切触点处曲面的局部几何性质,ZezhongC.Chen等也被加工曲面按照自由曲面的几何特征和加工特性分成若干曲面片并自动生成每个单一形状的曲面片的刀具轨迹。JENSEN等[y提出基于曲率匹配原则的刀具选择方法,该方法以最小化加工误差和最大化材料切除率为目标,在垂直于走刀方向的平面上根据刀具曲面和被加工曲面的二阶泰勒展幵式计算与加工型面相匹配的刀具有效切削半径,从而实现刀具的最优选取。YOON等采用二阶泰勒逼近方法简化加工曲面,给出了刀轴姿态选取的优化方法。FAN等…采用两个二次曲面对被加工曲面进行逼近,以加工带宽最大化为目标,实现了刀轴姿态的自动优化。(:別011等^〕通过分析刀具的瞬时扫略轮廓,得到曲面局部干涉、后角干涉等误差,提出了五轴加工刀轴的优化方法。ENGELI等“:\"利用Hermite、Hermite-Chebishev和Taylor三种方法分别逼近刀具曲面中心圆与设计曲面,给出了宽行加工刀具轨迹的生成算法。
 第二章曲面分片规划研究
 曲面分片规划的思想是将复杂曲面划分为一系列曲面信息与工艺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规划策略,在片域内进行刀具轨迹规划和姿态优化,达到提高复杂参数曲面数控加工的效率和精度的目的。
 第三章曲面刀具轨迹规划..........223.1刀具轨迹生成的方法..........223.2复杂曲面加工刀具选择..........253.3刀具姿态..........273.4等残留高度法..........273.5刀具干涉的处理..........323.5.1全局干涉..........333.5.2局部干涉与刀具姿态优化..........343.6刀位点的计算..........353.7刀具路径的生成..........353.8本章小结..........36第四章UG 二次开发..........374.1 UG/OPEN 概述..........374.2软件算法流程..........394.3 二次开发程序实现..........394.4本章小结..........50第五章软件测试及分析..........515.1测试的曲面实例..........515.2本文方法和传统单一刀轨法的比较..........515.3加工效率分析..........535.4本章小结..........53
 结论
 随着技术的发展以及人们对产品外观美学的需要,具有复杂曲面的产品被广泛应用于模具,交通,航天航海等地方。对复杂曲面进行加工时,如果曲面尺寸较大、曲率变化大,对其进行整体无干涉加工,由于曲面局部区域几何性质的限制,在刀具类型和尺寸以及路径生成方法的选择上会有很大的局限性,造成加工效率低下。对此,本文在查阅相关资料并深入分析国内外研究现状的基础上提出了基于主曲率和近邻传播聚类的曲面分片算法,并丌展了基于曲面分片的五轴刀具轨迹规划的研究。全文主要的研究成果如下:(1)对被加工曲面做空间离散,计算离散型值点处的主曲率、高斯曲率及平均曲率,先将被加工曲面粗分为两类主要几何形体:凸形面和非凸形面,在此基础上基于近邻传播聚类算法将面域细分成若干曲面片族。(2)采用基于C-map模型的边界抽取算法提取曲面片的边界,为后续基于曲面分片的五轴刀轨规划作准备。 (3)研究了现有的刀位轨迹规划理论,分析了目前常用刀具轨迹生成法的优缺点。介绍等残留高度刀轨规划法的推理过程,包括对刀触点处的局部微分几何结构的分析,给出走刀步长和加工行距的计算公式,分析和探讨刀具的干涉类型和处理等,为不同路径生成方法的选择提供依据。(4)以VC++作为开发环境,S-f\"UG平台,综合利用Open API、MenuScript等工具,进行五轴刀具轨迹规划程序的开发,设计了软件的菜单栏与对话框,将基于曲面分片的五轴刀具轨迹规划方法集成到UG中。(5)通过实例证明,该方法与传统等残留高度法相比,能在保证加工精度的甜提下,有效提高复杂曲而的加工效率。
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