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《大连理工大学》 2011年
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基于坐标映射的复杂曲面五轴加工关键技术研究

任斐  
【摘要】:随着以裁剪曲面、组合曲面及流形网格为代表的复杂曲面,被广泛用于表达零件几何外形,围绕其数控加工的一些深层次问题正逐渐显现出来。曲面造型中,因经常涉及布尔运算或其本身非显式的函数表达,传统路径规划模式往往无法充分满足这些复杂曲面零件数控加工的要求,如参数曲面通常采用等参数型路径,流形网格、组合曲面及裁剪曲面加工通常采用截平面路径等。截平面、等残留及等参数线型轨迹存在形状变化过快,大量的路径连接以及缺乏边界一致性等不足。在实际生产中,曲面五轴加工的刀轴矢量定制更多地依赖软件人为的反复校验和调整,保守加工参数的选择在延长生产周期的同时也抑制了机床加工能力的发挥。为此,针对复杂曲面零件,对基于坐标映射的五轴刀位轨迹规划策略和方法,和在此基础上进行的铣削力预测以及进给速度优化进行了深入研究,以期在保证加工精度的同时最大限度地提高加工效率。 提出基于定域映射的复杂曲面五轴加工刀位轨迹规划策略。根据定域映射建立曲面路径规划引导模型与映射域的参数化关系,构造映射域路径,通过逆向映射得到曲面加工的刀触点轨迹,结合满足机床运动学约束且整体光顺的刀具姿态生成五轴加工刀位轨迹。采用提出的弹簧长度能量函数与协调映射函数线性组合构造定域映射模型,在同时约束角度、长度变形的基础上,建立引导模型与映射域的参数化关系。通过推导圆环刀五轴加工条件下行距精确计算公式,提出初始刀轴矢量定制准则。借鉴等参数线法建立映射域路径规划模型,给出基于面积坐标和参数线性插值的刀触点轨迹生成方法,其中详细讨论了基于圆形映射域的螺旋型路径规划。针对各刀触点处初始刀轴矢量,提出基于机床运动学约束的关键点提取,以及通过关键点刀具位姿方向样条插值的整体光顺算法。计算机仿真和复杂曲面加工实验验证了路径规划策略的可行性。 针对复杂边界裁剪曲面加工,提出基于自由边界映射的环切型五轴刀位轨迹规划策略。通过引入自由边界映射,将裁剪曲面引导模型自然展开在映射域内。针对面积变形约束要求较高的情况,通过弹簧—质点模型对映射域进行迭代松弛。以自然展开映射域边界为起始,采用基于行距的偏置策略生成映射域等距路径,包括无局部干涉的初始边界修正偏置,单调链结合单元划分的全局干涉判断,以及有效环的提取和连接。基于面积坐标和参数线性插值生成环切型刀具轨迹。提出修正的机床运动学约束模型,将进给方向变化纳入刀具姿态优化,采用方向样条插值得到整体光顺的刀轴矢量。最后给出算例验证提出的模型。 基于刀具—工件相对运动分析,提出刀具沿任意曲线五轴加工自由曲面的铣削力精确预测模型。针对传统未变形切屑厚度计算公式以圆弧近似表达刀刃运动轨迹,存在逼近误差,且主要用于三轴加工铣削力预测的问题,通过研究铣削加工中切屑形成过程,结合刀具刀刃几何形状、机床运动结构、刀具轨迹以及工艺参数,推导了刀刃运动扫掠面方程,并在此基础上建立五轴加工未变形切屑厚度精确计算模型。通过固定刀轴矢量,提出的模型可用于三轴加工未变形切屑厚度的精确计算。根据仿真分析及槽切对比实验,提出的未变形切削厚度模型计算精度高于传统未变形切屑厚度模型。建立铣削力系数解析计算模型,并分别给出铝合金2024和7075-T6的铣削力系数曲线。针对传统Z-map模型在判断参与切削刀刃区域需要反复比较高度,提出基于投影和位置比较的参与切削刀刃判定准则。为了验证提出的铣削力模型,对球头刀三轴和五轴加工进行了多次实验,从铣削力的幅值和波形来看,仿真模型能够很好地预测铣削力的变化。 提出加工过程多约束进给速度自适应定制方法。首先,通过建立表面形貌仿真模型并结合国际标准ISO 12085:1996中定义的形貌参数,分析进给速度对零件表面形貌和使用性能的影响。然后,从保证加工精度和加工过程安全的角度,提出一种基于铣削力精确预测模型的多约束进给速度定制方法。研究了包含刀杆变形、刀具内应力和机床主轴扭矩在内的影响铣削加工过程的关键因素的计算。根据加工过程的一阶传递函数描述和比例积分控制优化进给速度。加工实验表明进给速度优化算法能够在满足给定加工精度的条件下提高加工效率。 最后,以典型的船用螺旋桨叶片比例模型加工为例,对提出的五轴刀位轨迹以及进给速度自适应定制模型进行验证。根据实验结果,在给定加工精度的条件下,提出的螺旋型、环切型五轴加工路径在轨迹长度、加工时间以及表面完成质量上要优于两种典型的三轴轨迹;采用优化进给速度的螺旋路径加工,叶片零件在精度满足要求的同时加工效率得到显著提升。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TG659

【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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【同被引文献】
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【二级参考文献】
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