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数控五轴联动加工在异型石材中的应用研究

作　者: 刘岩
导　师: 吴玉厚
学　校: 沈阳建筑大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 五轴联动异型石材数控编程后置处理角度误差补偿
分类号: TG659
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着石材加工业的发展以及人们物质文化生活水平的提高,人们对石材制品的加工质量、艺术感观等要求越来越高,个性定制等小批量的客户化需求服务是石材加工业发展的趋势,异型石材制品特别是表面非常复杂的石材制品的需求量不断上升,就目前国内石材加工业的发展情况来看,对于外观形状要求比较简单的石材制品的加工采用机械化生产可以说基本上没有多大难度,可是针对立体的、不规则的、表面极其复杂的石材制品加工,其加工手段往往还依靠半手工半机械化生产,生产效率很低,而且工人劳动强度很大,因此需要丰富石材制品的加工手段,提高石材加工能力。五轴联动加工技术作为目前机械制造领域的高级尖端制造技术,在金属加工业的应用已经非常成熟,但在石材制品中的应用还处于初期,由于五轴联动加工技术的加工优势,使得其可以一次装卡一次性完成多道工序的加工,且加工精度很高；如果将五轴联动加工技术应用在异型石材制品上,必将丰富石材制品加工手段,提高石材产品的生产能力,改善加工环境。本文主要针对立体雕塑等具有复杂曲面的立体模型建模、数控加工工艺、后置处理以及实际加工等方面对石材的五轴联动加工技术进行初步研究,以期能够利用五轴联动加工技术加工出合格的石材制品。五轴联动加工一般都利用计算机进行编程,其编程的基础是数据模型,没有数据模型,就不能对其进行刀具路径规划,因此首要的任务就是建立模型,本文对复杂曲面模型的理论进行研究,并通过逆向工程等工具进行立体人像及弥勒佛等模型的创建。在实际加工过程中,由于刀具旋转中心距离刀心点非常远,刀轴摆角误差对刀尖空间位置影响非常大,本文通过对刀轴常用摆动角度进行实际测量,掌握该加工设备旋转轴的角度误差变化规律,并采用多项式回归曲线对数据进行拟合分析,获得回归曲线拟合多项式,并利用此多项式对每一编程理论角度值进行误差补偿,再对其实际角度进行检验测量,测量结果显示,对角度进行误差补偿,有效地提高了摆动轴的转动精度,降低了摆角误差对加工精度的影响。本文通过对异型石材车铣复合加工中心各个功能模块的机械结构及其运动关系进行分析,对其后置处理算法进行了研究,提出了五象限制的方法,对刀轴角度进行合理计算,以期解决刀轴摆动角度跨象限的问题；利用C++面向对象的编程技术,编写了异型石材车铣复合加工中心专用后置处理程序,并对刀位文件(CLSF)进行处理,获得符合HTM50200数控加工中心控制系统要求的NC程序,通过对NC程序进行计算机虚拟仿真验证、试验切削验证及对理论模型与实际模型的对比检测分析,结果表明,此后置处理算法是正确的和可行的,样件加工质量满足加工要求。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-14
第一章绪论  14-28
  1.1 课题背景及来源  14-15
    1.1.1 课题背景  14-15
    1.1.2 课题来源  15
  1.2 石材加工特性概述  15-17
    1.2.1 石材的分类  15
    1.2.2 石材的物理和化学性能  15-16
    1.2.3 复杂石材制品的加工特点  16-17
  1.3 五轴数控加工技术在石材加工中的应用  17-24
    1.3.1 数控系统及主轴系统现状和发展趋势  17-20
    1.3.2 数控加工设备传动机构及加工工具的发展现状及趋势  20-22
    1.3.3 数控加工设备的发展趋势  22-23
    1.3.4 石材加工现状及发展趋势  23-24
    1.3.5 五轴数控加工技术在石材加工中的应用  24
  1.4 课题研究内容及研究意义  24-28
    1.4.1 研究内容  24-25
    1.4.2 研究意义  25-28
第二章复杂曲面石材制品三维模型构建技术研究  28-40
  2.1 引言  28
  2.2 三维模型构建方法  28-30
    2.2.1 线框模型  29
    2.2.2 表面模型  29
    2.2.3 实体建模  29
    2.2.4 特征建模  29
    2.2.5 参数化建模技术  29-30
    2.2.6 行为建模  30
  2.3 三维模型建模的理论基础  30-37
    2.3.1 NURBS曲线定义及其导矢  30-33
    2.3.2 NURBS曲面的定义与导数  33-36
    2.3.3 几种NURBS曲面的表达形式  36-37
  2.4 逆向工程建模技术  37-39
    2.4.1 逆向工程概述  37
    2.4.2 逆向工程中的关键技术  37-39
    2.4.3 逆向工程在实际中的应用  39
  2.5 本章小结  39-40
第三章数控五轴加工编程技术研究-立体人像的五轴加工  40-62
  3.1 引言  40
  3.2 石材加工工艺技术  40-43
  3.3 五轴加工刀具轨迹的生成  43-44
    3.3.1 粗加工刀具路径的生成  43
    3.3.2 五轴精加工刀具路径的生成  43-44
  3.4 五轴加工编程刀轴控制方法及特点  44-45
  3.5 五轴加工碰撞检测与避免  45
  3.6 五轴加工刀具摆角补偿技术  45-55
  3.7 数控五轴加工编程技术案例验证—立体人像五轴联动编程  55-60
    3.7.1 立体人像的三维数据模型构建与工艺分析  55-58
    3.7.2 立体人像五轴联动加工程序编制  58
    3.7.3 立体人像仿真与加工结果  58-60
  3.8 本章小结  60-62
第四章 HTM50200通用与专用后置处理技术研究  62-84
  4.1 引言  62-63
  4.2 HTM50200异型石材数控加工中心结构与运动关系分析  63
  4.3 基于UG POSTBUILDER的HTM50200后置处理器的构建  63-66
    4.3.1 HTM50200异型石材数控车铣加工中心部分参数及程序格式  63-64
    4.3.2 后置处理器的构建  64-66
  4.4 HTM50200异型石材车铣加工中心专用后置处理功能分析及流程  66-70
    4.4.1 异型石材车铣加工中心专用后置处理功能分析  66
    4.4.2 非线性误差的处理与校核  66-69
    4.4.3 五轴联动加工进给速度  69-70
  4.5 HTM50200异型石材数控车铣加工中心专用后置处理算法及程序  70-73
    4.5.1 旋转角度的计算  70-72
    4.5.2 线性坐标的计算  72-73
    4.5.3 HTM50200异型石材石材数控加工中心专用后置处理程序编写  73
  4.6 HTM50200通用处理器与专用后置处理程序的案例验证与比较  73-82
    4.6.1 HTM50200异型石材数控车铣加工中心虚拟样机的建立  73-75
    4.6.2 石材加工中的刀具库建立  75
    4.6.3 弥勒佛加工案例  75-82
  4.7 本章小结  82-84
第五章结论  84-86
  5.1 结论  84-85
  5.2 展望  85-86
参考文献  86-90
附录  90-108
作者简介  108
攻读硕士研究生期间发表的论文  108-110
致谢  110

数控五轴联动加工在异型石材中的应用研究

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