数控刻楦机虚拟样机设计及关键技术研究

论文摘要

本文以浙江省重大科技攻关项目——鞋楦CAD/CAM系统开发及数控刻楦机研制为依托,以刻楦机为研究对象,对虚拟样机先进制造技术、知识工程思想、知识熔接、CAD&CAE一体化以及结构多目标优化等关键技术进行了研究并应用于工程设计,实现了产品快速知识化开发,缩短了产品生命周期。论文主要研究内容如下:1、诠释了知识工程（KBE）概念,并对KBE系统的推进过程进行了探讨。在充分分析刻楦机的结构、功能以及性能等因素的基础之上,架构了数控刻楦机虚拟设计方案,得出了面向概念设计的刻楦机FBS模型映射,提出并总结了基于KBE的刻楦机设计流程,实现了结构设计方案。2、采用虚拟样机技术对数控刻楦机进行样机设计,利用知识工程,将知识熔接技术（KF）引进刻楦机数字建模过程,设计过程中集成知识、规则、经验,实现了基于智能主模型（IMM）的双向控制建模。同时对KF技术中知识的驱动表达做了深入的研究与应用,基于二叉树模型实现了刻楦机数字样机的组建,最终实现了数字化模型的完整建立。3、依据复杂曲面实物的几何模型反求方法,从鞋楦实物模型得到其数字化模型,提出了一种可控精度的鞋楦曲面模型重构方法。通过三维实体激光扫描仪测量获取点数据,并基于小波变换原理采用无偏似然估计对鞋楦原始测量点数据进行降噪平滑处理,以三次NURBS曲面拟合鞋楦表面;建立鞋楦数学模型,用等残留高度法计算无干涉刀位轨迹,基于Unigraphics平台虚拟刻楦进行数控（NC）程序仿真验证。4、应用SPS技术对CAD&CAE一体化流程方案做了较深的研究,并成功应用于数控刻楦机部分部件动力学特性的分析,为开发以及优化的便易提供了一种崭新的思路;应用DOE设计技术以及基于Pareto的MOGA-Ⅱ算法针对刻楦机龙门支撑结构,以减轻质量和保证动力性能为目标进行了优化。5、针对刻楦机数控系统的实际情况制定了抗干扰措施,保障了调试以及产品运行的稳定性、安全性。同时从工业控制实际应用的角度出发,提出了基于GA寻优的NNPID的轮廓误差控制策略,有效控制了系统动态特性,将轮廓误差控制在允许范围之内。本文实现了先进制造技术应用于数控刻楦机的设计与研发,并对其他类似机械结构设计等问题的研究工作具有重要的参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 数控刻楦机的现状与发展
• 1.3 虚拟样机
• 1.3.1 虚拟样机的产生及其内涵
• 1.3.2 虚拟样机国内外研究动态
• 1.4 知识工程
• 1.4.1 知识层次关系
• 1.4.2 知识工程基本概述
• 1.4.3 知识工程研究动态与应用
• 1.4.4 知识熔接技术研究与应用
• 1.5 数控刻楦机CAM技术
• 1.6 结构分析与优化
• 1.6.1.CAD&CAE一体化流程方案
• 1.6.2.结构多目标优化设计
• 1.7 本文主要工作
• 1.7.1.课题背景及意义
• 1.7.2.主要内容及组织结构
• 第2章 刻楦机虚拟样机总体设计体系
• 2.1 引言
• 2.2 刻楦机虚拟设计方案
• 2.2.1 刻楦机初步设计
• 2.2.2 构建虚拟样机
• 2.2.3 运动仿真与性能优化
• 2.2.4 决策与评估
• 2.3 刻楦机虚拟样机设计流程
• 2.3.1 传统CAD/CAE/CAM技术
• 2.3.2 面向概念设计的FBS表示模型
• 2.3.3 刻楦机虚拟样机设计流程
• 2.4 数控刻楦机结构设计方案实现
• 2.4.1 数控刻楦机构成
• 2.4.2 数控刻楦机功能实现
• 2.4.3 数控刻楦机结构总体布局
• 2.5 虚拟样机支撑技术
• 2.5.1 基于KBE的刻楦机总体设计框架
• 2.5.2 NX UG系统技术支撑
• 2.5.3 NX与多目标优化系统的集成
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于知识驱动的数字建模技术
• 3.1 引言
• 3.2 基于NX/KF技术的刻楦机建模设计
• 3.2.1 KBE及产品智能主模型
• 3.2.2 知识熔接技术功能概述
• 3.2.3 知识熔接技术获取方式
• 3.2.4 刻楦机知识元驱动与分类表达
• 3.2.5 基于二叉树模型刻楦机KF技术虚拟装配
• 3.3 设计应用实例
• 3.3.1.平衡液压缸安装基座
• 3.3.2.刀具系统设计
• 3.4 小结
• 第4章 数控刻楦机CAM系统及其关键技术
• 4.1 引言
• 4.2 鞋楦模型构建
• 4.2.1 基于通用激光扫描仪鞋楦数据获取
• 4.2.2 离散造型
• 4.2.3 基于小波光滑测量数据
• 4.2.4 构建u、v向NURBS曲线
• 4.2.5 拟合曲面
• 4.3 刻楦虚拟仿真
• 4.3.1 数学模型的建立
• 4.3.2 误差分析
• 4.3.3 刀位轨迹的计算
• 4.3.4 刀位点圆弧插补
• 4.3.5 切削速度控制
• 4.3.6 虚拟加工
• 4.4 小结
• 第5章 CAD&CAE流程一体化及多目标优化研究
• 5.1 引言
• 5.1.1 CAD&CAE一体化流程
• 5.1.2 多目标优化
• 5.2 基于NX SPS的CAD&CAE一体化解决方案
• 5.2.1 SPS概述
• 5.2.2 基于SPS的刻楦机C向支架模态分析实例
• 5.3 基于DOE多目标遗传算法基本原理
• 5.3.1 DOE设计方法基本流程
• 5.3.2 多目标优化基本概念
• 5.3.3 基于Pateto排序多目标遗传算法流程
• 5.4 刻楦机结构多目标优化实例
• 5.4.1 优化对象
• 5.4.2 优化参数选择
• 5.4.3 目标函数建立
• 5.4.4 约束条件
• 5.4.5 数学模型
• 5.4.6 集成优化流程
• 5.4.7 优化设计结果及分析
• 5.5 小结
• 第6章 数控系统抗干扰技术及PID控制研究
• 6.1 引言
• 6.2 抗干扰技术研究
• 6.2.1 刻楦机数控系统的组成
• 6.2.2 系统中干扰形成三要素
• 6.2.3 抑制或消除干扰的硬件措施
• 6.2.4 软件抗干扰措施
• 6.3 PID轮廓误差控制方法研究
• 6.3.1 轮廓误差与系统动态特性
• 6.3.2 控制策略（Control Strategy）
• 6.3.3 调试结果
• 6.4 小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文和参加科研情况
• 致谢