23500字硕士毕业论文双面抛光机加工轨迹规划算法的研究与实现

论文类型：硕士毕业论文

论文字数：23500字

论点：叶片,加工,零件

论文概述：

本文基于自主开发的磨抛轨迹生成软件，分析了零件离散化三角形面片数学模型的数据结构特点，以单个三角形面片为基本单位，对零件的数据信息重新整合；编制了准确高效的截点搜索算法，

论文正文：

第一章导言

 1.1 课题背景及意义自上世纪中叶以来，各主要新兴体国家随着经济的发展对能源的需求不断加大，电能作为工业化必不可少的能源，它的生产自然倍受各主要工业化国家的关注。随之而来的是发电设备的不断更新换代。但至今为止，电能的主要获取方式仍主要集中于火力发电、水力发电、核电等几大方式。其中火力发电和水力发电作为最主要也是最普遍的电能供应方式，它们的生产形式都离不开汽轮机和水轮机，而这两种供能设备共同的最为关键的零部件就是叶片，可以说叶片在某种程度上决定着设备的工作效率及由此涉及到的能源利用率，这对于我国这样一个人均能源相对匮乏的国家来说意义非同一般。在另一方面，随着我国综合国力的不断提高及国防建设的需要，除了传统工业，航空、航天等高精尖领域对动力装置的要求也有了进一步的提高。例如 2007 年我国对外宣布的大飞机项目的国产化正式立项就意味着航空领域对航空发动机的数量与质量将有进一步更高的要求。传统领域方面，为了解决经济快速发展带来的能源紧缺问题，我国的水电装机容量自从本世纪初一直保持着两位数的增长，预计到 2015 年我国的水电装机容量将达到三亿千瓦。此外火电的装机水平也日趋增长，随着经济发展对能源需求量的加大，这一增长还会有明显加快的趋势。叶片类零件作为汽轮机、水轮机以及各种航空动力设备的核心零部件，其需求自然被大大地带动起来。由于与叶片类零件有关的设备在工业、国防等地方有着不可替代的地位，可以说叶片类零件的质量以及我国对叶片类零件的加工能力在一定程度上决定着我国工业化的发展进程。但是由于其在设备中所担负的功能决定了叶片类零件的工作环境往往非常恶劣，例如船体的螺旋桨在高速旋转的时候会在水体中产生大量的微小气泡，这些气泡与高速旋转的螺旋桨的边缘撞击的时候会发生急速的爆裂，久而久之这种急速的爆裂就会对螺旋桨的表面尤其是叶片的边缘产生破坏，一旦发生这种情况就会加速水体对螺旋桨的伤害，最终导致螺旋桨的报废。而在其它设备中，根据工作环境的不同叶片类零件也会受到不同程度的损伤，而造成上述情况的最主要原因之一就是叶片类零件的表面加工精度。这就对叶片类零件的加工质量尤其是直接与外部环境接触的表面加工质量提出了很高的要求。叶片表面的加工质量直接关系到叶片的使用性能，甚至在很大的程度上决定了整机的性能。因此需要针对由数控加工中心加工后的叶片外表面所残留的加工痕迹进行打磨抛光，以提高其表面质量，方能避免类似上述情况的发生。由于提高叶片类零件的表面质量有着十分重大的实际意义，对于这一方面的研究在很早以前就有国家着手进行，前苏联早在上世纪六十年代就尝试用数控磨床代替人工对叶片类零件进行表面加工。这是历史上第一次利用机器代替人对叶片类零件的表面进行加工，它的好处不言而喻。第一，大大提高了工作效率，扩大了生产规模，更易于应对叶片类零件不断增长的需求；第二，提高了叶片类零件的表面质量，利用机器进行加工可以达到人类所不及的精度标准；第三，由于利用机器加工更易于建立和执行统一的生产标准，因此保证了叶片类零件表面质量的稳定。由于上述的诸多优点，叶片类零件表面加工的机械化成为各发达工业国家竞相研究的课题。美国机床公司设计了用砂带磨抛的机床，德国 Metabo 公司最终研制成功了数控砂带磨床。使对叶片类零件表面的加工步入了数控阶段。但是，对叶片类零件的数控加工同时也带来了另外一个问题，由于叶片类零件的外表面大多为自由曲面，因此对叶片类零件表面加工的轨迹规划在数控加工情况下就有着十分重要的研究价值。它可以从软件的角度提高加工的质量和效率。但是叶片类零件表面外形并非千篇一律，用什么样的方法能制定出最好的加工轨迹绝非是一个简单的课题，它与曲面造型反求技术及计算机三维软件技术等新兴科技有着密不可分的联系，并且会随着这些技术的发展不断产生新的加工理念及方法，推陈出新。相对于上述国家，砂带磨床在我国的研制开发相对较晚，发展历史不是很长。最早是由国内一些重点的理工大学进行起步研究，但由于当时的条件所限没有应用到实践中去，因此也在一定程度上延缓了数控磨床在我国的研制与发展，直到目前我国的叶片磨抛加工仍然以人工为主，这种情况使得一方面不能很好的保证加工质量，另一方面也造成了人力资源的浪费以及生产效率的低下，大大影响了叶片类零件在我国工业领域的应用，严重制约了相关领域的发展。经分析，造成上述情况的原因除了硬件上的性能、精度等与国外的差距外。在软件方面，在叶片类零件表面加工轨迹规划的领域也处在相对落后的状态。而且从软件方面着手相对于硬件来说技术壁垒相对较少，可供参考的资料相对较多，更容易在短时间内取得成果。因此叶片磨抛数控机床的研制在我国已经迫在眉睫，叶片类零件加工软件的研制开发对此有着极其重要的现实意义。
 第二章 轨迹生成算法
 2.1 软件工作原理与工作流程本文开发的上位机软件的基本功能是根据提供的三维实体模型的 STL 文件生成加工轨迹，软件的工作流程如下：(1) 连接数据库(2) 打开并读取文件(3) 设置截面参数(4) 计算截点并存入数据库(5) 利用所求截点生成加工轨迹(6) 数据被下位机使用后清空数据库功能键“打开文件”的作用是打开并读取 STL 文件；三个编辑框的作用是设定用来截取三维实体模型的截平面的空间位置；功能键“计算交点”的作用是拾取截平面与三维实体模型的截点；功能键“生成曲线”的作用是利用所求得的截点生成加工轨迹；删除表格的作用是在加工后清空存储在数据库中的截点信息。
 第三章 磨抛加工方案的研究.............373.1 支撑轮加工范围的确定.............373.2 支撑轮组合的意义及方案确定.............383.3 加工方案实现算法的研究.............393.3.1 加工点的标定.............403.3.2 加工点的划分.............403.4 本章小结.............42第四章 磨抛实验与运动学仿真.............434.1 磨抛机床执行机构运动学仿真.............434.2 磨抛实验研究.............464.3 本章小结.............49第五章 结论.............51
  结论
 叶片类零件磨抛轨迹的研究，一直是叶片类零件加工的难点热点。本文基于自主开发的磨抛轨迹生成软件，分析了零件离散化三角形面片数学模型的数据结构特点，以单个三角形面片为基本单位，对零件的数据信息重新整合；编制了准确高效的截点搜索算法，为轨迹生成提供了实用、精确、完整的数据信息，并选择了适当的曲线拟合算法；根据现有硬件的机械结构推导了运动学逆解；最后进行了运动学仿真和磨抛加工实验。本文的具体工作及结论如下：(1) 基于现有的截点搜索算法的不足，设计新的搜索算法。实践证明本文提出的算法能完全搜索所有截点且能实现截点的自动排序，在大大简化了原有算法复杂性的同时完全保证了正确率，从根本上消除了由于截点信息错误导致轨迹生成失败的可能性。(2) 基于现有机床结构，推导运动学逆解。保证在对超出工具头加工范围之外处能够通过调整叶片的空间姿态实现加工点与工具头的正接触。通过在 ADAMS 软件中建立模型进行仿真表明，在对上述加工点进行加工时零件都能调整到预设的空间姿态，从而证明了运动学逆解的正确性。(3) 针对机床的换轮系统，结合本文提出的算法提供的截点信息，根据支撑轮的包角范围对换轮系统的支撑轮进行优选并确定加工方案。结合数据库技术实现了方案在软件中的自动执行，提高了效率。(4) 在现有硬件条件下对软件功能进行测试，试验表明在利用本软件生成的加工轨迹对试件进行加工后，加工表面质量良好，加工后试件表面的粗糙度值可稳定在 Ra0.7-0.8? m 之间，符合加工要求。
 参考文献:[1]韩霜. 混联研抛机床开放式数控系统体系结构及其插补算法研究[D].长春：吉林大学机械科学与工程学院，2007.Sungsik Park，Sun-Ho Kim，Hyunbo Cho. Kernel software for efficiently building,re-configuring, and distributing an open CNC controller [J]. Manuf Technol ，(2006)27:788–796.M.-Y. Yang，J.-H.Park. A Study on an Open Architecture CNC System withaNURBS Interpolator for WEDM [J]. Manuf Technol，(2002) 19：664–668.M.Minhat，V.Vyatkin，X.Xu，S.Wong b，Z.Al-Bayaa.A novel open CNC architecturebased on STEP-NC data model and IEC 61499 function blocks[J].Robotics andComputer-Integrated Manufacturing，25 (2009)：560– 569.Li Bin,ZhouYun-fei,TangXiao-qi. A research on open CNC system basedonarchitecture/component software reuse technology [J].Computers in Industry 55(2004) 73–85.Tianliang Hu，Chengrui Zhang，Riliang Liu，Peng L. Design and implementation ofan open CNC core at the shop floor level [J] Int J Adv Manuf Technol (2009)40:541–552.Elber,Cohen E.Toolpath generation for aesthetically pleasing free-form objects.Andgeneration of collision-free tool path.Computer-AidedDesing,1996. 26(6):490-496Kuratgno T.FRESDAM system for design of aesthetically pleasing free-formObjects and generation of collision-free tool path.Computer-Aided Desing,1992,24(11):573-581王水来，周云飞，阮雪榆.曲面沿参数加工的实时轨迹生成[J].机械工业自动化，1997(03)：29-31吴福忠，柯映林.组合曲面参数五坐标加工刀具轨迹的计算[J].计算机辅助设计与图形学学报，2003(10):1247-1252