自由曲面加工轨迹规划方法及解释器关键技术的研究与应用

论文摘要

随着装备制造业的不断发展和市场需求的多样化,数控技术进入了前所未有的高速发展阶段。数控技术集计算机,机械,自动化等多项技术于一体,广泛应用于航空航天,汽车,模具等行业。近年来,随着科技的进步和市场需求的扩大,对大型复杂曲面工件的数控加工需求日益迫切。大型复杂曲面工件具有曲率变化剧烈的自由曲面表面,增加了曲面信息提取和分析的难度,并对数控加工提出了更高的要求,使得自由曲面的刀具轨迹规划技术成为数控加工的关键技术之一。自由曲面刀具轨迹规划的目的是得到更高的加工精度,更快的加工速度和更好的工件质量。在现代数控系统中,数控机床无法直接根据数控代码进行加工,必须通过解释器对数控程序进行解释执行,提取相关数据并转化为相应的加工命令来控制机床进行实际工件的加工。所以说,解释器是数控系统的核心模块之一,其解释效率和解释效果对整个数控系统的高效、精确、安全运行有直接影响。针对于此,本文在面向高速加工、高精加工和高表面光洁度加工的自由曲面刀具轨迹规划方法以及数控系统解释器等方面进行深入研究,并取得了以下研究成果：(1)针对刀具轨迹加工精度不足的问题,研究构建一种面向高精度加工的等残余刀具轨迹规划方法,该方法针对精加工及部分工件对加工精度的特殊要求,采用精度优先的加工策略。采用等残余高度法和往复式的走刀方式,得到的刀具轨迹满足加工误差和最大残余高度等约束条件,具有很高的精度。针对当前曲面凹凸性判断过于复杂的问题,提出了一种快速的曲面凹凸性判断方法。在刀具轨迹规划过程中,解决了因偏置刀具轨迹生成点的数量与当前轨迹相同,对当前刀具轨迹过度依赖和加工精度不足的问题。(2)针对刀具轨迹加工速度不足的问题,研究构建一种面向高速加工的螺旋刀具轨迹规划方法,该方法针对粗加工及部分工件对加工效率的特殊要求,采用效率优先的加工策略。该方法生成的所有刀具轨迹点都在自由曲面上,使曲面信息能够得到最大化的保真,有利于得到更加精确的加工曲面；在刀具轨迹规划过程中运用了相应的刀具轨迹平滑技术,对所有刀具轨迹进行平滑处理,可以得到更加平滑的加工表面,同时也有效增大了单条刀具轨迹长度,更好的保证了加工表面的质量；在刀具轨迹规划过程中对自相交现象进行消除,有效提高了加工速度和工件的表面质量。(3)针对刀具轨迹加工表面光洁度不足的问题,研究构建一种面向高表面光洁度加工的平滑刀具轨迹规划方法,该方法针对高表面质量加工和部分工件对加工表面光洁度的特殊要求,采用表面光洁度优先的加工策略。初始轨迹上的每一个刀具切触点都是使刀具姿态角变化率最小的点,可以保证得到的初始刀具轨迹是最光滑的。此外,对偏置刀具轨迹执行平滑算法,保持了相邻轨迹间的一致性,从而改善了由于执行等残余高度法导致的相邻轨迹间的不规则,以生成光顺的刀具加工轨迹,进而得到更平滑的加工表面。最后,考虑并解决了由于刀具轨迹平滑算法的执行而导致的自由曲面边界未被覆盖的问题。(4)针对高性能数控系统对解释器不断增加的需求,在分析数控代码格式的基础上,详细介绍了解释器的基本原理,功能及其与相关模块的调用关系,提出了解释器的结构模型,将整个解释器分为词法分析模块,语法分析模块,加工命令存储结构,加工命令转化模块和错误处理模块五个部分,并详细阐述了各个模块的构建方法。结合自顶向下分析方法,用EBNF来描述了数控代码的文法规则,并对原有文法规则进行修改,消除了数控代码文法的二义性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 数控系统的发展概况和发展趋势
• 1.3 自由曲面刀具轨迹规划技术研究
• 1.3.1 自由曲面加工概况
• 1.3.2 刀具轨迹规划
• 1.3.3 高速加工循环
• 1.4 论文组织结构
• 第二章 自由曲面的理论基础
• 2.1 自由曲面造型概述
• 2.2 NURBS曲线和NURBS曲面
• 2.2.1 NURBS曲线
• 2.2.2 NURBS曲面
• 2.2.3 NURBS方法的优缺点
• 2.3 自由曲面的微分几何特性
• 2.3.1 曲线的基本性质
• 2.3.2 自由曲面的基本性质
• 2.4 自由曲面上点的分类
• 2.5 本章小结
• 第三章 面向高精加工的等残余刀具轨迹规划方法
• 3.1 概述
• 3.2 刀具轨迹规划基础知识
• 3.2.1 几个相关概念
• 3.2.2 自由曲面的加工刀具选择
• 3.2.3 等残余高度法的基本思想
• 3.3 算法设计
• 3.3.1 走刀步长的计算
• 3.3.2 加工带宽的计算
• 3.3.3 加工行距的计算
• 3.3.4 相邻CC点的计算
• 3.3.5 从CC点到CL点的计算
• 3.3.6 刀具轨迹间依赖性的消除
• 3.3.7 算法流程总结
• 3.4 实验验证
• 3.5 本章小结
• 第四章 面向高速加工的螺旋刀具轨迹规划方法
• 4.1 概述
• 4.1.1 高速加工机理
• 4.1.2 高速加工的优点
• 4.1.3 高速加工刀具轨迹规划
• 4.1.4 刀具轨迹分类
• 4.2 算法详细设计
• 4.2.1 初始刀具轨迹的生成
• 4.2.2 刀具轨迹的平滑处理
• 4.2.3 自相交现象的消除
• 4.2.4 算法流程总结
• 4.3 实验验证
• 4.4 本章小结
• 第五章 面向高表面光洁度加工的平滑刀具轨迹规划方法
• 5.1 概述
• 5.2 刀具干涉
• 5.2.1 刀具姿态角
• 5.2.2 全局干涉和局部干涉
• 5.2.3 局部干涉检测算法
• 5.2.4 全局干涉检测算法
• 5.3 算法详细设计
• 5.3.1 刀具干涉检测及修正
• 5.3.2 初始刀具轨迹的生成
• 5.3.3 相邻刀具轨迹的生成
• 5.3.4 算法流程总结
• 5.4 实验验证
• 5.5 本章小结
• 第六章 数控系统解释器的设计与实现
• 6.1 概述
• 6.1.1 数控系统解释器简介
• 6.1.2 数控系统解释器的功能
• 6.1.3 解释器与相关模块的调用关系
• 6.2 数控代码介绍
• 6.2.1 数控代码主要指令介绍
• 6.2.2 数控代码的程序格式
• 6.3 数控系统解释器的设计与实现
• 6.3.1 词法分析模块
• 6.3.2 语法分析模块
• 6.3.3 加工信息存储结构
• 6.3.4 加工命令转化模块
• 6.3.5 错误处理模块
• 6.4 实验验证
• 6.4.1 实验环境
• 6.4.2 实验流程
• 6.4.3 实验结果分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 全文总结与下一步工作展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 本文创新点
• 7.3 下一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果