复杂自由曲面数控规划及其数据管理技术研究

论文摘要

在机械制造领域,随着市场需求的不断扩大及生产技术的快速发展,对具有复杂、特殊外形零件的数控加工需求日益增加。这些零件大多具有曲率不规则分布的自由曲面表面,由此增大了特征信息提取与分析的难度,并对数控加工规划与数据管理等相关技术提出了更高的要求。针对于此,本文在复杂曲面分片规划、刀具轨迹生成、铣削参数智能决策和嵌入式系统文件管理等方面开展了深入研究,取得了以下主要研究成果:1.提出了一种对复杂参数曲面的边界提取及分片规划算法。在对复杂曲面进行特征识别及特征曲面域划分的基础上,基于减法聚类及模糊C均值聚类算法进行了曲面片细分技术研究,初步确定了代表某一具体曲面形状区域的曲面片数量及曲面片中心位置,并对聚类曲面片的中心位置进行了优化处理。进而通过引入Voronoi图对曲面边界构建技术进行了研究,并给出了分析示例。2.提出了基于参数线法的曲面片域内刀具轨迹规划策略。基于二叉离散算法,通过引入刀具沿进给方向的误差补偿值获取行距,并利用一阶泰勒展开式引入误差补偿值来获得各插补周期末的参数增量值,进而求得各插补点坐标值及法向矢量。经过对插补点的平移、旋转变换,得到了准确的位置增量值。最后通过引入离散能量法对曲面片域间直凸多边形边界的光顺技术进行了研究。3.对面向自由曲面数控加工的刀具轨迹智能决策及自动规划策略进行了研究。在对复杂曲面五轴数控铣削加工的无干涉刀具组合优选策略研究的基础上,提出了基于曲面片中心点的干涉处理策略。进而基于专家系统与神经网络的结合优势提出了一种建立自由曲面铣削参数智能决策系统的结构模型,可实现自由曲面数控铣削加工走刀参数与切削参数的智能决策。4.针对复杂曲面的海量数据管理及高可靠性要求,对嵌入式数控系统的Flash文件系统管理技术进行了研究,提出了扇区磨损均衡策略以及基于存储内容的坏损管理策略,实现了对Flash存储空间的合理利用和有效管理。提出了一种基于文件信息双链表结构的数据管理策略,给出了空闲扇区的自动获取与回收机制,进而实现了对程序数据的有效维护。最后针对大型零件程序的存储与分布式加工问题,对嵌入式数控系统的串行通讯技术进行了研究。该文件系统已在课题组TDNC-L4数控系统的研发工作中取得了成功应用。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景与意义
• 1.2 国内外数控技术发展概况及趋势分析
• 1.3 课题相关关键理论技术研究现状
• 1.3.1 主要相关技术分析
• 1.3.2 刀具轨迹生成算法研究
• 1.3.3 数控加工中刀具轨迹干涉研究
• 1.3.4 曲线曲面光顺的研究
• 1.3.5 数控多轴加工刀具路径优化研究
• 1.3.6 基于嵌入式Flash 的文件系统研究
• 1.4 本课题研究的主要内容
• 第二章 复杂参数曲面特征分析及分片规划研究
• 2.1 复杂参数曲面几何性质分析
• 2.1.1 复杂曲面数学描述
• 2.1.2 NURBS 曲面几何参数
• 2.1.3 NURBS 曲面计算
• 2.2 复杂曲面几何特征及其加工特性分析
• 2.2.1 特征曲面分类
• 2.2.2 复杂曲面几何特性分析
• 2.2.3 复杂曲面的加工特征分析
• 2.3 基本曲面特征识别
• 2.4 复杂曲面分片规划
• 2.4.1 复杂曲面分片加工过程
• 2.4.2 曲面离散点处几何参数和可加工性参数分析
• 2.4.3 曲面分片过程
• 2.4.3.1 粗分曲面片
• 2.4.3.2 细分曲面片
• 2.5 算法示例
• 2.6 本章小结
• 第三章 复杂参数曲面刀具轨迹规划研究
• 3.1 复杂曲面数控加工刀具轨迹概述
• 3.1.1 曲面加工路径的生成方法
• 3.1.2 复杂曲面加工刀具选择
• 3.1.3 曲面加工刀位数据及其计算
• 3.2 参数曲面刀具轨迹规划
• 3.2.1 参数曲面刀具轨迹的生成
• 3.2.2 环形刀刀具姿态描述
• 3.2.3 参数曲面在切削点处的曲率
• 3.2.4 环形刀有效切削半径
• 3.2.5 行距计算
• 3.2.6 走刀步长控制
• 3.2.7 沿走刀方向插补参数值的计算
• 3.2.8 五坐标机床的坐标变换
• 3.2.9 刀具偏置计算
• 3.2.10 参数线法刀具轨迹规划算法示例
• 3.3 对离散型值点光顺处理方法研究
• 3.3.1 曲线曲面的光顺技术研究概况
• 3.3.2 基于离散型值点列的光顺算法
• 3.4 本章小结
• 第四章 自由曲面数控铣削智能决策技术研究
• 4.1 刀具轨迹智能决策技术研究
• 4.2 刀具参数选择策略
• 4.2.1 Voronoi 图曲面片面积计算
• 4.2.2 刀具和加工曲面的干涉检测和校验技术研究
• 4.2.3 刀具选择策略分析
• 4.3 自由曲面数控铣削智能决策技术研究
• 4.3.1 基本理论与总体分析
• 4.3.2 铣削数据库构建分析
• 4.3.3 基于神经网络和专家系统的知识库构建技术研究
• 4.3.4 基于神经网络与专家系统的推理机制分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 嵌入式数控系统文件管理技术研究
• 5.1 技术需求及Flash 存储器特性分析
• 5.2 面向嵌入式数控系统的文件系统构建技术研究
• 5.2.1 FFS 存储结构及其构架分析
• 5.2.2 FFS 结构与功能分析
• 5.3 FFS 存储空间管理技术研究
• 5.3.1 Flash 硬件驱动层设计
• 5.3.2 FFS 存储扇区管理技术研究
• 5.3.3 FFS 系统记录区的磨损均衡技术分析
• 5.3.4 基于存储内容的坏损管理技术分析
• 5.4 数控程序文件管理技术研究
• 5.4.1 文件物理结构形式分析
• 5.4.2 文件更新与扇区擦写技术分析
• 5.4.3 数控系统数据通讯技术研究
• 5.5 本章小结
• 第六章 全文结论与展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 发表论文情况
• 参加科研情况
• 致谢