复杂型腔数控环切加工轨迹的高效生成方法研究

摘要

随着产品性能的逐步提高和数控加工领域的不断拓展，以航空航天、汽车、模具等为代表的制造业中复杂型腔类零部件越来越多，这些零件不仅边界可能为自由曲线，而且表面内部也不乏岛屿或孔洞，给数控加工路径规划带来非常大的难度。为此，本文针对多岛屿复杂型腔的三轴数控加工，从环切加工区域自动获取、初始轮廓等距、全局干涉检测、等距环提取与连接等方面，研究了环切等距加工路径的高效生成策略和方法。
　　 首先，采用层切和投影方式，将复杂型腔加工路径规划问题转化为平面内给定内外边界的加工区域路径规划问题。针对截交或投影获得的平面轮廓，采用射线法识别出内部的岛屿和外部的边界，实现了加工区域的自动获取。此外，针对曲面的三轴加工，建立了环切加工过程中加工表面残留高度的计算模型，提出了环切间隔的确定方法。
　　 其次，针对自由型边界数据点多、形状复杂而导致的曲线偏置强壮性和全局干涉检测耗时等问题，研究并提出了多岛屿情况下复杂轮廓的等距环高效可靠生成策略和方法。在等距环初始等距中，给出了等距线段局部自交、相离等情况下的具体处理方法，并提出了与等距起点无关的修正偏置法；在检测全局干涉时，研究了基于单调链结合分治策略的单条或多条曲线之间全局干涉的检测方法，实现了大数据量复杂轮廓条件下全局干涉的快速可靠检测。在有效等距环提取时，以全局干涉检测的交点作为等距环提取的分界点，在一次遍历偏置曲线后提取出所有等距环，并根据各环的转向删除全局干涉环。以上三个步骤完成了多岛屿情况下复杂轮廓的一次无干涉等距，并针对每个步骤给出了相应的算法和具体处理方式。
　　 再次，为减少多岛屿型腔加工中的拾刀次数，研究并提出了少无拾刀的环切路径连接方法。依据生成的系列等距环，建立了有利于表达等距环隶属关系的树形存储数据结构；此外，针对每个根环及其所属的子环集合，给出了等距环之间的连接对应点的确定方法和连接原则，实现了以任意点作为刀具起始点的无拾刀连接。同时，在拐角处增加了过渡圆弧实现刀轨的光滑连接，增强了刀具运动的平稳性。将无分裂的等距环连接为螺旋路径，该方式缩短了刀具行程，避免刀具在等距环环间移刀，且适宜于高速切削。
　　 最后，针对多岛屿复杂型腔的等距加工路径规划，在VC++6.0环境下开发出了原型软件，并进行了算法分析和多个复杂型腔等距加工路径规划的实例验证。分析与验证结果表明，所提出的方法，能够可靠地生成多岛屿自由型复杂轮廓的环切刀具路径，在UG软件中的仿真结果显示加工过程无过切和欠切现象发生。所提出的快速等距法具有线性计算复杂度，与传统方法相比计算更为高效和可靠，且适用性强。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 论文背景及意义

1.2 文献综述

1.2.1 型腔加工与走刀方式

1.2.2 数控编程技术

1.2.3 平面环切刀轨生成技术

1.5 本论文的主要研究内容

2 环切加工区域获取与行距计算

2.1 概述

2.2 环切加工区域获取

2.2.1 层切法获取加工区域

2.2.2 投影法获取加工区域

2.3 岛屿识别

2.4 行距计算

2.4.1 平面环切路径行距计算

2.4.2 曲面环切路径行距计算

2.5 本章小结

3 二维型腔轮廓快速等距

3.1 概述

3.2 轮廓初始偏置

3.3 交点检测

3.3.1 栅格划分

3.3.2 栅格检测

3.4 等距环提取

3.5 多岛屿的型腔轮廓的等距

3.6 本章小结

4 路径连接与拐角优化

4.1 概述

4.2 环连接相关概念介绍

4.3 等距环结构

4.4 路径连接

4.4.1 连接点的确定

4.4.2 等距环连接算法

4.5 拐角优化

4.6 本章小结

5 算法分析与实例验证

5.1 算法分析

5.2 实例验证

5.3 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