基于STEP-NC的五轴加工刀具路径规划方法研究

摘要

随着时代的发展，现代化的制造业对数控技术提出了新的要求。五轴数控加工以其特有和无法替代的优势，一直是数控技术领域备受重视和大力推广的一种加工模式。STEP-NC(STEP-Compliant Data Interface：for Numeric Controls)是STEP(STandard for Exchange of Product model data)在制造领域的延伸，代表了数控技术新的发展方向。如果将数控技术比作一艘正在航行中的巨轮，那么STEP-NC就是它的方向舵，而五轴加工技术是其推动力最为强劲的引擎之一。 本论文依托浙江省重大机电装备专项项目“中高档数控机床控制系统(2006C11067)”，将STEP-NC和五轴加工技术两者相结合，研究在STEP-NC技术条件下如何规划和应用五轴加工技术，旨在为推进STEP-NC的实用化和降低五轴加工技术应用难度探索一条可行之路。 STEP-NC目前处于国际标准组织(ISO)标准草案阶段(ISO 14649 DIS)，仍在进一步发展和完善中。对于五轴数控机床进行自由曲线曲面加工的应用场合，STEP-NC标准中未加入具体的加工数据模型，国内外也鲜见相关研究提出基于STEP-NC的五轴加工具体实现方案。因此要开展基于STEP-NC的五轴加工应用，必须为其定义相应的STEP-NC数据模型。本文在参考ISO 14649 Part 11中关于三轴加工数据模型部分的基础上，深入研究了五轴加工技术的特点，建立了五轴铣削加工的STEP-NC扩展数据模型，为开展基于STEP-NC的五轴加工应用奠定了基础。 自由曲线曲面是五轴加工技术的主要处理对象，在STEP-NC中，自由曲线曲面都统一表达为NURBS形式。本文提出了一种新的五轴端铣刀具路径规划方法——加工域并行规划法。该规划方法主要处理以NURBS形式描述的设计型面，以尽可能提高刀具路径的切削效率为设计目标。加工域并行规划法在刀路生成方式和计算模式上与传统的五轴刀具路径规划方法不同。在刀具路径生成方式上，它并不采用以曲面某条边界开始的顺序刀具路径生成方式，而是通过曲面加工域分析进行搜索和迭代产生刀具路径。在计算模式上，充分利用了软硬件的性能，采用硬件级多线程并行算法以提高执行性能。 在上述工作的基础上，遵循开放性、模块化、可扩展的原则构建了STEP-NC的示范应用平台。该平台软件系统的设计和实现是本文工作的重点之一。通过集成自主开发的XML驱动模块和插件支持系统，实现的STEP-NC示范应用平台软件系统成为了一个高度模块化、高度可扩展和可自定义的STEP-NC软件技术实验环境。同时详细论述了STEP-NC程序解释模块和刀具路径规划模块两个功能模块的设计和实现。 在理论研究和成功构建STEP-NC示范应用平台的基础上，针对性的设计了加工域并行规划算法运行特性实验和基于STEP-NC的五轴铣削加工刀具路径规划应用实验。算法运行特性实验对比分析了加工域并行规划算法与传统串行模式的算法的差异。通过五轴加工刀具路径规划应用实验，对构建的五轴铣削STEP-NC扩展模型和STEP-NC示范应用平台的有效性和实用性进行了验证；同时对比分析了加工域并行规划法和等参数线法产生的刀具路径在效率和质量上的差异。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2五轴数控加工技术概况

1.2.1数控技术的发展综述

1.2.2五轴数控加工技术综述

1.2.3五轴加工刀具路径规划研究概况

1.3 STEP-NC理论与应用研究概况

1.3.1 STEP-NC的出现

1.3.2 STEP-NC的特点

1.3.3 STEP-NC研究概况

1.4论文研究意义及主要内容

1.4.1课题来源与目的

1.4.2课题研究意义

1.4.3论文框架与主要内容

1.5本章小节

第二章基于STEP-NC的数控体系

2.1开放式数控系统

2.1.1开放式数控系统的基本特征与类型

2.1.2开放式数控系统的优势与趋势

2.2数控编程方法与模型

2.2.1发展历程

2.2.2基于ISO 6983的数控编程模型

2.3 STEP-NC数据模型

2.3.1产品数据交换标准-STEP

2.3.2 STEP-NC与STEP

2.3.3 ISO 14649数据模型

2.3.4 STEP-NC的技术优势

2.4基于STEP-NC的CNC系统

2.4.1 STEP-CNC系统概述

2.4.2 STEP-CNC功能模型

2.5本章小节

第三章五轴铣削STEP-NC扩展模型研究

3.1 ISO 14649 Part 11的数据模型定义

3.1.1 Milling machining operation

3.1.2 Milling type operation

3.1.3 Freeform operation

3.1.4 Tool direction for milling

3.1.5 Milling cutting tool

3.2五轴铣削STEP-NC扩展数据模型

3.2.1扩展模型主接口

3.2.2五轴铣削加工策略

3.2.3机床配置类型与加工工艺

3.3本章小节

第四章五轴刀具路径加工域并行规划方法

4.1概述

4.2刀具路径规划的数学原理

4.2.1 NURBS方法概述

4.2.2刀具的数学表达

4.3加工域规划原理

4.3.1加工域概述

4.3.2刀具空间姿态

4.3.3加工域宽度与域切削方向

4.4刀具路径并行规划算法

4.4.1刀具路径规划的并行计算技术

4.4.2最优起始路径的确定

4.4.3后续刀具路径的并行迭代生成

4.4.5算法流程

4.5本章小结

第五章STEP-NC示范应用平台的构建

5.1平台总体架构设计

5.1.1设计原则

5.1.2技术特点

5.1.3架构组成

5.2软件系统框架的实现

5.2.1 XML驱动模块

5.2.2插件系统及插件管理模块

5.3 STEP-NC程序解释模块的实现

5.3.1 ISO 10303 Part 21物理文件的解析

5.3.2 XML格式的STEP-NC程序解析

5.4刀具路径规划模块的实现

5.4.1模块的结构组成

5.4.2硬件级多线程并行算法的实现

5.4.3与路径仿真模块的交互

5.5本章小结

第六章基于STEP-NC的五轴加工刀具路径规划实验研究

6.1实验总体方案设计

6.1.1实验目的

6.1.2实验方案设计

6.2加工域并行规划算法运行特性实验

6.2.1加速比和并行效率

6.2.2实验结果

6.2.3数据分析

6.3刀具路径规划应用实验

6.3.1实验步骤

6.3.2实验数据分析

6.4木章小结

第七章结论与展望

7.1主要结论

7.2研究展望

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文和参加科研情况

致谢