螺旋曲面导向法离散造型及其五轴联动加工刀具姿态控制技术研究

论文摘要

螺旋曲面在石油、船舶、国防等工业领域有着广泛的应用,高精度螺旋曲面造型和精密加工是极其重要理论与技术问题。由于它涉及如微分几何、啮合理论、矢量矩阵、优化设计、数值运算、数控技术等多项专门理论与技术,因此,复杂螺旋曲面的精确造型与加工,尚需特别研究,以便获得规律、指导生产。在研究构建通用螺旋曲面模型重要参数对曲面集合型面的影响的基础上,主要运用微分几何的曲面包络原理,提出基于导向线模型造型复杂螺旋面的方法,推导复杂螺旋曲面的通用数学模型。在研究复杂螺旋曲面成型原理及同性特征的基础上,突破现有一般复杂曲面精确造型及数学描述的局限性,提出并推导复杂螺旋曲面通用数学模型的离散数值计算方法;在Matlab环境中对复杂曲线和复杂曲面进行数学处理,建立可编程的螺旋曲面离散算法模型并利用实现复杂螺旋曲面三维数字化造型,为CAM系统提供高精度参考模型;为了验证构造的螺旋曲面数学模型的准确性,加以运用编程技术获得.ibl格式文件,实现离散模型数据向Pro/E数据信息的传递,通过实例验证了所构造模型的正确性。对常用CAM软件中刀具轨迹策略进行总结和分析,通过研究五轴常用的等残留高度法在五轴加工效率及刀具姿态控制方面的优缺点,提出基于等残留高度、优化的自适应刀轴矢量控制算法。该算法根据待加工表面和刀具曲线的曲率关系,以避免局部干涉为约束条件,求得最大加工行距,同时确定每个刀具-工件接触点对应的合理的刀具姿态。相对于传统的刀轴控制算法,该算法进一步充分发挥五轴数控加工的优点,避免造成数控机床加工能力的浪费。进行五轴联动数控加工变径螺旋曲面验证性试验研究,结果表明该算法可行、有效,实现了加工预期。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 螺旋曲面概述
• 1.2 五轴加工刀具姿态控制技术概述
• 1.3 国内外研究概况和发展趋势
• 1.4 课题研究意义
• 1.5 课题主要研究内容和创新点
• 第二章 基于导向法螺旋曲面通用数学模型研究
• 2.1 回转体轮廓母线数学模型的建立
• 2.1.1 离散型轮廓母线函数表达式的建立
• 2.1.2 直线型轮廓母线函数表达式的建立
• 2.1.3 圆弧型轮廓母线函数表达式的建立
• 2.1.4 高次方程型轮廓母线函数表达式的建立
• 2.2 螺旋面导向线通用数学模型构建
• 2.2.1 由螺旋角确定的导向线模型
• 2.2.2 由导程确定的导向线模型
• 2.3 基于导向线的复杂螺旋曲面通用数学模型构建
• 2.3.1 等比截面造型法
• 2.3.2 等截形造型法
• 2.4 特征控制参数讨论
• 2.5 小结
• 第三章 螺旋曲面通用式离散化三维造型方法研究
• 3.1 两相交曲面空间耦合算法建立
• 3.2 曲面三维数字化造型方法研究
• 3.2.1 螺旋曲面离散算法实现
• 3.2.2 数据文件格式转换
• 3.3 算例验证分析
• 3.4 小结
• 第四章 五轴联动圆环面铣刀模型及其姿态控制研究
• 4.1 复杂曲面用加工刀具选择分析
• 4.2 圆环面铣刀加工轮廓通用模型建立
• 4.3 刀具姿态控制理论基础
• 4.3.1 曲面的基本微分形式
• 4.3.2 杜邦（Dupin）指标线及其应用
• 4.4 五轴数控加工刀轴矢量优化控制
• 4.4.1 刀轴倾角与有效半径函数关系模型建立
• 4.4.2 二阶泰勒逼近加工带宽模型研究
• 4.4.3 约束最大加工带宽刀轴倾角优化方法研究
• 4.5 螺旋曲面仿真验证
• 4.5.1 刀触点轨迹的生成
• 4.5.2 刀具轨迹及姿态分析
• 4.5.3 本文方法与传统等残留高度法的比较
• 4.6 小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 本文结论
• 5.2 后续研究工作和展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢