基于等残留高度的NURBS曲面数控加工路径自动生成技术研究

摘要

目前,对于NURBS曲面加工的CAM软件,我国大部分加工制造企业要从国外引进,一般情况下,这些CAM软件的售价比较高,而且使用也不方便,软件系统要根据用户输入的指令才能计算刀具轨迹,所以用户必须事先指定好切削加工用的刀具、切削参数和曲面边界条件等,而这种方式并不是一蹴而就的,通常要经过多次尝试方可成功。对于五轴非球头刀无干涉数控加工的刀位轨迹,商用系统的支持明显不足。利用商用软件系统进行数控编程存在弱点,最为明显的是过多的人为干涉以及在切削行间距、走刀步长和刀轴矢量的计算方面缺乏适应性和柔性,特别是刀具路径规划方面和刀轴矢量规划上缺乏灵活性。数控加工是CAD/CAM技术中的重要环节之一,而刀位轨迹的规划又是数控加工技术的关键。在NUBRS曲面数控加工中,刀位轨迹生成算法的优劣在一定程度上影响最终加工表面质量和加工效率。本文在参阅了大量相关文献的基础上,主要对NUBRS曲面五轴数控加工刀位轨迹的优化计算和自动生成等方面进行了研究。
　　 在NURBS曲面五轴数控加工刀具轨迹生成计算方面:在分析五轴数控加工特点和加工原理的基础上,针对数控加工中容易出现加工振动等问题,提出了一种基于等残留高度的螺旋刀位轨迹计算方法。该方法首先依据最大允许残留高度将曲面边界离散成刀触点,生成具有相同残留高度的环形轨迹,最后以对角曲线连接相邻的路径,构造能够实现连续切削的等残留高度刀具轨迹线。详细介绍了等残留高度刀具轨迹生成方法的步长和行距的计算;基于现有的等残留高度法,利用法截线对曲面的局部形态进行判断,从而确定刀具加工过程中的最优走刀方向;计算刀触点处的刀轴矢量过程中,充分考虑加工允差对刀轴矢量的影响,从而确定无碰撞干涉的刀轴矢量。
　　 在刀具路径自动生成模块的开发方面:本文综合运用UG各二次开发工具UG/Open API、UG/Open Menu Script及UG/Open UIStyler,以通用化的计算机辅助设计系统为基础平台,在软件提供的开发环境与编程接口基础上,嵌入自己的刀位轨迹计算算法,开发出了专用UG界面,该界面包括了特制的下拉菜单、工具条、对话框,从而实现所需的功能。
　　 文章最后给出具体的曲面模型,通过定义刀具类型,加工允差等因素,分别使用传统的等残留高度算法和本文提出的算法进行加工仿真,实验结果从加工效率方面进行对比分析。实验证明本文所提的刀位轨迹生成算法是可行的,且基于UG平台开发的算法计算速度快,操作方便,精度易于控制。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题的背景

1.2 数控加工路径生成技术的发展

1.3 研究目的和意义

1.4 研究的内容及工作安排

第二章 NURBS曲面的计算

2.1 NURBS曲面概述

2.2 NURBS曲面定义

2.3 NURBS曲面表达的计算

2.3.1 参数选取与参数方向

2.3.2 确定节点矢量

2.3.3 反算控制顶点

2.3.4 确定权值

2.4 NURBS曲面曲率计算

2.5 小结

第三章 基于等残留高度的螺旋轨迹生成方法

3.1 算法流程

3.2 曲面的离散

3.2.1 走刀步长的计算

3.2.2 曲面边界离散算法

3.3 刀具姿态

3.4 计算行距

3.4.1 行距计算模型

3.4.2 曲面凹凸性的判断

3.4.3 平底刀有效切削半径的计算

3.5 基于等残留高度的螺旋刀触点轨迹生成

3.5.1 环形刀具轨迹

3.5.2 螺旋刀具轨迹连接

3.5.3 螺旋轨迹的误差分析

3.6 生成刀位点

3.7 小结

第四章 UG二次开发

4.1 UG二次开发相关技术

4.1.1 模块开发的研究方法

4.1.2 UG二次开发工具-UG/OPEN API

4.2 自动生成模块的开发

4.2.1 主界面的开发

4.2.2 UG/Open UIStyler

4.2.3 UscrTools文件的生成

4.2.4 UserTools文件的载入

4.3 二次开发程序实现

4.3.1 主程序入口函数

4.3.2 模块开发程序

4.4 小结

第五章 实验验证

5.1 刀具轨迹验证的基本思想

5.2 刀位轨迹验证评价标准

5.3 曲面实体

5.4 拟合NURBS曲面

5.5 仿真结果

5.6 小结

第六章 结论与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

附录

一、在校期间发表的学术论文

二、在校期间参加的项目

三、专利情况