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复杂曲面非球头刀宽行铣削加工的几何学原理与方法

作　者: 郑刚
导　师: 朱利民
学　校: 上海交通大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 刀具路径规划侧铣包络面建模距离函数端铣高阶切触刀具方向光顺
分类号: TG54
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

五轴数控加工是实现复杂曲面零件高效切削的有效手段。球头铣刀因具有适应性强、刀位规划简单等优点而被广泛采用,但是其加工性能较差,加工精度和效率也比较低。与此相比,非球头铣刀不仅能够改善切削性能,而且可以通过调整刀具姿态,使刀触点附近的刀具包络曲面充分逼近理论设计曲面,进而实现复杂曲面零件的宽行加工。但是设计曲面的复杂性和刀具曲面的多样性对处理好干涉避免、误差控制和路径光顺等问题,生成高质量的刀具路径带来了很多困难,因而限制了五轴机床潜力的发挥。本学位论文以复杂曲面五轴铣削加工为应用背景,研究直纹面侧铣与自由曲面端铣加工刀具路径规划的几何学原理与方法。重点从回转刀具空间运动扫掠体包络面的建模、任意回转刀具五轴侧铣加工刀具路径整体优化、整体叶轮刀具尺寸与路径光顺性优化和平底刀高阶切触加工自由曲面刀具路径规划这四个方面展开研究,主要研究工作及创新性成果如下:一.提出了刀具空间运动下扫掠体包络面的两种解析计算方法:(1)应用包络条件和刚体运动的物体速度推导出包络面特征线的解析表达式,该方法适用于任意回转刀具,并且具有无须引入附加瞬时标架、公式简洁明了的优点。(2)将回转刀具的切削刃回转面表示为单参数球族的包络面,单参数球族经过空间运动生成一双参数球族,因此刀具空间运动扫掠体的包络面就是这一双参数球族的包络,而刀轴面就是球心面。该方法建立起了包络面与刀轴面之间的关联,为点-刀具包络面法向误差的定义提供了思路。二.基于双参数球族法扫掠体包络面建模,提出了一种无需构造包络曲面即可计算空间一点到包络面有向距离的新方法,将对包络面的操作转换为对刀轴面的操作,同时推导出点-包络面有向距离关于刀轴面形状控制参数的一阶梯度表达式,刻画了刀轴轨迹微小调整对包络曲面形状和加工误差的影响。通过对设计曲面的离散化表示,将任意回转刀具侧铣加工刀具路径整体优化问题归结为刀具扫掠包络面向设计曲面离散点云的最佳一致逼近问题,应用距离函数的导数信息构造出了高效的数值优化算法,应用于非可展直纹面侧铣加工。该方法不仅可以在遵循轮廓度误差评定准则的前提下极大地减小加工误差,而且可以有效地处理无过切约束。三.提出了侧铣加工刀具尺寸优化和刀具路径光顺策略,解决了叶轮类零件侧铣刀具路径规划时容易产生干涉和不光顺轨迹的问题。应用点-包络面距离函数,解决了刀具包络曲面与设计曲面的边界对齐问题和刀具与相邻叶片的碰撞检测问题,并建立起以加工误差和干涉避免同时作为约束的优化模型,进而获取侧铣加工最优刀具尺寸。同时,以曲面应变能量表征刀轴轨迹面的光顺性,将其引入到侧铣加工刀具路径整体优化模型中,从而在满足加工精度的前提下得到较平滑的刀具路径。该方法适用于任意回转刀具的侧铣半精加工和精加工,生成的刀具路径已成功应用于整体叶轮叶片的侧铣加工。四.提出了平底刀高阶切触加工自由曲面的刀具路径规划方法。基于刀具包络曲面的局部重建原理,解析求解了刀触点处的所有二阶切触刀位,在此约束下建立刀具可行空间,不仅极大地降低了干涉检查的计算量,而且将刀具包络曲面与设计曲面的二阶切触特征融入到优化模型之中。在此基础上,既可以通过计算包络曲面与设计曲面沿进给垂直方向的诱导法曲率导数,得到最优切触刀具路径;也可以通过求解以相邻刀具方向夹角的和为目标的最短路径算法,得到最优光顺刀具路径。该方法可以在避免刀具干涉的前提下,有效地光顺刀具路径,并显著提高切削带宽。本学位论文在对刀具回转面族包络取得规律性认识的基础上,将干涉避免、切削误差和路径光顺等纳入到刀具路径优化的统一模型中,实现了复杂曲面非球头刀的宽行铣削加工,研究结果发展和丰富了五轴加工刀具路径规划的原理与方法。

全文目录

摘要  3-6
ABSTRACT  6-13
第一章绪论  13-29
  1.1 课题来源  13
  1.2 论文背景  13-15
  1.3 研究现状与评述  15-24
    1.3.1 刀具空间运动扫掠体包络面建模方法研究  15-18
    1.3.2 五轴侧铣加工刀具路径规划研究  18-21
    1.3.3 非球头刀端铣加工自由曲面刀具路径规划研究  21-24
  1.4 论文的主要工作和内容安排  24-28
    1.4.1 问题描述  24-25
    1.4.2 论文主要工作和内容安排  25-28
  1.5 本章小结  28-29
第二章回转刀具空间运动扫掠体包络面的解析表达  29-51
  2.1 引言  29
  2.2 包络面建模——包络条件法  29-35
    2.2.1 回转曲面定义  30
    2.2.2 理论与算法  30-34
    2.2.3 应用算例  34-35
  2.3 包络面建模——双参数球族法  35-45
    2.3.1 双参数球族包络理论  35-37
    2.3.2 刀具的单参数球族包络表示  37-39
    2.3.3 刀具扫掠体包络面的双参数球族包络表示  39-40
    2.3.4 环刀包络面的边界线  40-44
    2.3.5 应用算例  44-45
  2.4 包络面建模在侧铣加工误差校验中的应用  45-50
    2.4.1 基本原理与算法  45-46
    2.4.2 应用算例  46-50
  2.5 本章小结  50-51
第三章任意回转刀具五轴侧铣加工刀具路径整体优化  51-69
  3.1 引言  51-52
  3.2 点‐刀具包络面法向误差函数  52-56
    3.2.1 刀具包络面的双参数球族表示  52-53
    3.2.2 定义与性质  53-56
  3.3 整体优化法基本原理与算法  56-60
    3.3.1 优化模型的建立  56-57
    3.3.2 优化模型的求解  57-58
    3.3.3 初始解的获取方法  58
    3.3.4 整体优化基本算法  58-60
  3.4 应用算例  60-68
  3.5 本章小结  68-69
第四章侧铣加工刀具尺寸优化与刀具路径光顺性优化  69-91
  4.1 引言  69-70
  4.2 侧铣加工刀具尺寸优化  70-80
    4.2.1 几何偏差计算  70-71
    4.2.2 干涉分析与避免  71-73
    4.2.3 模型与算法  73-76
    4.2.4 应用算例  76-80
  4.3 侧铣加工刀具路径光顺性优化  80-90
    4.3.1 刀轴轨迹面光顺性度量  80-82
    4.3.2 刀具路径整体光顺优化模型与算法  82-85
    4.3.3 应用算例  85-90
  4.4 本章小结  90-91
第五章平底刀高阶切触加工自由曲面刀具路径规划  91-114
  5.1 引言  91-92
  5.2 平底刀加工自由曲面的几何学基础  92-97
    5.2.1 刀具在加工曲面上的位置和姿态  92-93
    5.2.2 刀具干涉检测与避免  93-94
    5.2.3 切削带宽计算  94-97
  5.3 刀具路径规划模型与算法  97-104
    5.3.1 二阶切触刀具可行空间  97-99
    5.3.2 最优切触刀具路径  99-102
    5.3.3 最优光顺刀具路径  102-104
  5.4 应用算例  104-113
  5.5 本章小结  113-114
第六章总结与展望  114-117
  6.1 工作总结  114-115
  6.2 论文创新点  115-116
  6.3 研究展望  116-117
参考文献  117-127
攻读博士学位期间已发表或录用的论文  127-129
致谢  129-131

复杂曲面非球头刀宽行铣削加工的几何学原理与方法

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