低刚度工件加工变形误差预测及补偿集成技术的研究

摘要

加工低刚度工件（如薄壁、细长结构件）时，因切削力产生的力致变形加工误差（以下简称变形误差）对加工质量会产生很大影响，通常需要多次光切才能达到精度要求，严重制约生产效率。本文围绕低刚度工件变形误差的离线计算和补偿问题，在数学建模与仿真研究的基础上，借助于商业软件实现了有限元分析的参数化。开发了分析程序与NC代码生成程序的集成接口，以期根据得到的误差计算结果，自动修正数控机床中的NC代码。
　　首先，为解决低刚度工件加工过程中变形量-切削量耦合的问题，建立了高效的误差计算迭代算法。并对比研究了切削力经验模型和切削力理论模型的建模过程。在不影响精度的基础上，对表达方式较为复杂的理论模型进行了相应的简化和改善，以易于后续有限元仿真时计算程序化。
　　其次，结合ANSYS分析步骤，建立了适用于低刚度工件误差分析的有限元程序的一般流程，借助APDL语言分别开发了基于切削力经验模型和切削力理论模型的变形预测动态程序。在交互界面输入相应参数后，程序可实现包括误差反馈、迭代计算、刀具走刀、材料去除等全过程加工误差的自动计算。以三维平面薄板铣削问题作为算例，验证了程序的有效性和精度。所用关键技术也为其他类型的切削问题提供了借鉴和参考。
　　最后，将有限元软件的计算分析模块和CAM软件的数控加工模块集成。基于镜像补偿原理提出变形误差补偿的总体方案，采用C语言和UG/open混合编程，设计了UG和ANSYS间的数据接口，并对UG系统进行定制性裁剪和开发，从而根据导入的ANSYS计算的各样点变形误差自动修正UG中的CAD模型边界条件，最终在UG CAM中生成考虑误差补偿因素的NC代码，达到消除加工变形误差的目的，为离线误差计算与误差补偿集成提供了一种新的路径。

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变量注释表

1 绪论

1.1 概述（Introduction）

1.2 国内外研究现状（Research Summary）

1.3 课题研究内容及关键（Main Topics and Keypoints）

2 低刚度工件变形误差离线预测的理论建模

2.1 引言（Introduction）

2.2 有限元迭代算法（Iteration Algorithm based on Finite Element Method)

2.3 切削力模型（Cutting Force Model)

2.4 圆柱立铣刀的铣削力理论模型（ Milling force model of the cylindrical end mill cutters）

2.5 迭代算法验证（Iteration Algorithm Verification）

3 低刚度工件变形误差的ANSYS分析

3.1 引言（Introduction）

3.2 低刚度工件变形模拟的一般流程（Methodology of Deflection Prediction of Low-rigidity Workpieces）

3.3 针对薄壁三维立铣问题的ANSYS分析（ANSYS Prediction of Milling a Thin Plate）

4 有限元分析程序集成

4.1 引言（Introduction）

4.2 APDL语言简述（APDL Introduction）

4.3 动态预测流程的APDL编程（ Dynamic Deflection Prediction Program Based on APDL）

4.4 分析控制模块（Analysis and Control Module）

4.5 数据存储与结果提取模块（ Data Reading and Writing Module）

4.6实例验证（Example Verification）

5 有限元分析程序与NC代码生成程序的集成

5.1 引言（Introduction）

5.2 加工变形控制措施及误差补偿策略（Errors Controlling and Compensation Methodology）

5.3 UG的二次开发（UG Secondary Development）

5.4 补偿代码生成程序的开发（ Errors Compensation Simulation Program）

6 总结和展望

6.1 全文总结（Conclusion）

6.2 研究展望（Prospect）

参考文献

作者简历

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