基于机床运动学的曲面五轴加工刀矢光顺方法

摘要

航空航天领域的高速发展促使满足高端装备性能要求的复杂曲面零件广泛应用，然而曲面复杂的结构增加其加工难度。五轴数控加工具有灵活的刀具姿态，是实现复杂曲面零件高效加工的有效手段。由于型面特征复杂使其加工过程中相邻刀触点间的刀轴矢量突变而导致机床旋转进给轴角速度和角加速度激增，严重影响加工过程的稳定性，造成加工质量下降；且受各轴运动能力的限制，实际进给速度会因刀轴矢量突变而骤降，难以达到指令值，影响加工效率。目前商用CAM软件常采用固定前倾角和倾斜角方法生成刀轴矢量，在加工复杂曲面零件过程中采用保守的进给速度，以满足旋转轴的运动能力限制，因而无法实现零件的高质高效加工。综上可知，合理规划刀轴矢量不仅可使曲面加工过程中旋转进给轴运行平稳，而且对保证零件加工质量具有重要意义。鉴于此，本文考虑机床旋转进给轴运动学特性约束，研究刀轴矢量的优化方法，主要内容如下： 首先，研究了刀具轨迹求解方法和机床动态特性计算方法。通过建立参数曲面方程，结合残余高度与弦高误差约束，求解刀轨行距与走刀步长，得到复杂曲面加工的刀位文件。根据刀轴矢量在不同坐标系之间的转换关系，推导机床运动学与逆运动学计算模型。在此基础上推导机床旋转进给轴运动学参数（旋转进给轴角速度和角加速度）计算公式。 其次，以减小机床旋转进给轴运动学参数为目标，研究了刀轴矢量局部优化方法，对优化区间内刀轴矢量进行优化。在UG中建立曲面模型并得到曲面加工刀位文件；通过MATLAB仿真机床旋转进给轴角速度和角加速度曲线，计算相邻刀触点向量角选择刀轴矢量优化区间；之后基于四元数方法对优化区间内刀轴矢量进行优化。除此之外，对优化后的刀轴矢量进行干涉检查，避免加工刀具与曲面工件发生局部或全局干涉。最后，实际加工试验样件以验证提出方法的有效性与正确性。 最后，研究基于角加速度最小的刀矢全局优化方法。利用UG后处理的刀位文件为基础，根据干涉判断原理计算刀触点处刀轴矢量可行空间；通过对刀轨曲线的凹凸性判断，确定刀轨曲线上关键刀轴矢量；之后将刀轨曲线进行区间划分，在各个区间内以角加速度最小为目标优化刀轨上刀轴矢量。在此基础上，对相邻区间段衔接位置处刀轴矢量进行调整，确保整条刀轨上刀轴矢量平滑光顺。最后，通过设计试验件，以仿真分析和实验验证结合的方法验证所提出刀轴矢量优化方法对提高曲面加工质量的有效性。 本文提出的刀轴矢量优化方法为其后续深入研究提供了借鉴，对复杂曲面零件实际加工具有一定的工程应用价值。

目录

声明

1. 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 复杂曲面刀具轨迹生成研究现状

1.2.2 刀轴矢量干涉检查与避免研究现状

1.2.3 刀轴矢量光顺规划研究现状

1.3 本文研究内容及章节安排

2. 五轴机床运动学计算与分析

2.1 复杂曲面相关知识与五轴数控加工概述

2.1.1 复杂曲线数学模型表述

2.1.2 复杂曲面模型与特征计算

2.2 五轴加工刀具轨迹生成算法

2.2.1 刀具轨迹相关概念

2.2.2 刀具轨迹规划方法

2.2.3 刀触点与刀位点转换计算

2.2.4 刀轨行距与走刀步长计算

2.3 五轴机床结构与逆运动学变换

2.3.1 五轴数控机床结构

2.3.2 五轴机床坐标系变换方法

2.3.3 五轴数控机床逆运动学求解

2.4 运动学参数计算分析

2.5 本章小结

3. 基于四元数方法的刀轴矢量局部优化

3.1 曲面加工中刀具姿态的表达

3.1.1 刀具姿态表达简介

3.1.2 四元数方法简介

3.2 刀轴矢量局部优化方法

3.2.1 刀轴矢量优化区间选择

3.2.2 基于四元数方法优化区间内刀轴矢量

3.2.3 最小二乘拟合原则的刀轴矢量局部调整

3.3 刀轴矢量局部优化仿真分析

3.4 刀轴矢量局部优化实验验证

3.5 本章小结

4. 基于角加速度最小的刀轴矢量全局优化

4.1 刀轴矢量全局优化方法

4.1.1 刀触点处刀轴矢量可行空间求解

4.1.2 确定关键刀轴矢量方法

4.1.3 刀轨分区域全局刀轴矢量优化与调整

4.2 刀轴矢量全局优化仿真分析

4.3 刀轴矢量全局优化实验验证

4.4 本章小结

结论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

大连理工大学学位论文版权使用授权书