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复杂曲面宽行数控加工理论及其应用研究

樊文刚  
【摘要】:数控技术是先进制造技术的基础和核心,已经成为衡量一个国家制造业发展水平的标志。作为数控技术的重要组成部分,数控加工编程技术一直是人们的研究重点和难点。随着航空航天、汽车、新能源、微电子等领域的发展,不断出现的复杂曲面零部件对数控加工编程技术提出了更高的挑战。目前,以实现宽行线接触为目标的宽行数控加工技术已经在加工效率方面体现出了比较明显的优势,但在理论及应用上尚有大量的研究工作亟待努力开展。为此,本文以圆环面刀具为基础,对复杂曲面宽行数控加工编程技术中的刀具定位、刀轨规划等基础理论进行了深入研究与实践。 对现有的多点切触加工理论和几种典型多点刀位算法进行了分析,以最大化加工带宽为目标,以保证刀具表面和工件曲面在两个切触点处满足绝对切触、避免局部过切及控制两个切触点之间的最大欠切误差为三个主要约束条件,建立了多点切触加工的通用数学模型,为后续的研究工作奠定了重要的理论基础。为了使用圆环面刀具加工复杂凸曲面,推导出了刀具底面中心和凸曲面之间没有干涉时凸曲面的最大曲率和刀具各相关参数之间的关系式。此外,基于圆环面刀具环心圆曲线,给出了刀位误差分布及加工带宽的一般性求取方法。 针对圆弧相交法的不足,提出了改进的圆弧相交法。首先将圆环面刀具和工件曲面之间的相对位置关系等效为圆环面刀具环心圆曲线和工件曲面等距面之间的位置关系,然后推导出了由刀具后跟角决定的环心圆曲线的参数方程,最后利用二分法对刀具后跟角实现了满足局部过切条件下的优化,由此确定所求刀位。同时,提出了改进的求圆环面刀具环心圆曲线到工件曲面的最小距离算法,以避免在刀位优化过程中发生局部过切。算例证明,改进的圆弧相交法不仅稳定、计算效率高,而且能够产生类似于多点刀位算法特有的“W”型误差分布,尽管不能使圆环面刀具和工件曲面之间获得两个切触点,但是在给定的加工误差下能够实现曲面的宽行线接触加工,因此是一种有效的宽行数控加工刀位算法。 在改进的圆弧相交法的基础上,进一步提出了基于两个切触点的宽行刀位算法——旋转切触法。首先推导出了由刀具后跟角和侧偏角决定的环心圆曲线的参数方程,然后在满足局部过切条件和两个切触点之间欠切条件的前提下,对刀具后跟角和侧偏角进行了优化,最终实现了圆环面刀具和工件曲面在最小主曲率方向两侧的两点切触,改善了复杂曲面的表面加工质量,算例对旋转切触法的正确性和有效性进行了验证。 为了使复杂曲面加工产生光顺规整的刀路并充分利用由宽行刀位算法带来的加工带宽的优势,定义了特征点、特征曲线、特征参数线及特征参数加工区域的概念,并在此基础上提出了特征参数线刀轨规划算法,其基本原理是使下一条刀路的左特征参数线对应的参数值等于当前刀路的右特征参数线对应的参数值,即使所有规划刀路对应的特征参数加工区域的集合恰好构成一张完整的工件曲面片。算例表明,特征参数线刀轨规划算法不仅可以产生光顺无干涉的刀路,而且相比于等参数线法能够有效减少曲面加工所需的刀路数量,提高实际加工效率。 以汽车顶盖凸曲面为例,对复杂开阔凸曲面的宽行数控加工进行了研究。首先给出了由散乱点云数据进行汽车顶盖凸曲面模型重建的过程,然后对不同走刀方向下的刀位误差分布进行了深入分析。结果表明:在多点切触加工凸曲面时,一般只有使刀具沿凸曲面的最大主曲率方向进给,圆环面刀具和工件凸曲面之间才有可能达到两点切触,这和模具凹曲面得出的结论是完全相反的。最后,分析了宽行刀位算法中的一些关键参数对刀位误差分布的影响,利用旋转切触刀位算法和特征参数线刀轨规划算法,生成了汽车顶盖凸曲面宽行数控加工的无干涉刀位轨迹。计算结果和加工实验则再次验证了本文提出的宽行刀位及刀轨优化算法的正确性。


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