五轴数控铣削干涉检查与刀具长度优化

论文摘要

现代先进机械制造技术的趋势之一是产品形状结构的复杂化和精密化。五轴数控加工技术在制造复杂形状的产品时具有明显的优势。然而与传统的三轴数控机床比较,五轴数控机床多了两个旋转轴,在加工过程中,容易发生干涉。特别是对于精加工而言,干涉不仅会导致工件报废,严重时甚至会损坏机床。本文以航空企业复合材料成形工装五轴数控铣削加工为应用背景,研究了五轴数控机床的运动仿真、机床运动部件的仿真模型、分离轴理论的高效运用、基于多线程的碰撞干涉检测、碰撞区域的计算方法、最佳刀具长度的选择、主轴摆角的交互式优化等一系列关键技术,主要研究内容和成果如下:1.根据五座标加工干涉检测中工件、机床、刀具夹头和刀具等各要素的构成特点和规律,建立了适合动态仿真和快速碰撞检测的仿真模型。其中,在对工件三角网格模型进行冗余点的快速滤除、三角网格简化等预处理工作的基础上,采用八叉树空间划分建立工件仿真模型;机床仿真模型采用交互定义凸多面体的形式;刀具和刀具夹头则采用参数化方法定义其仿真模型。各要素仿真模型的建立为运动仿真和碰撞检测以及刀具长度优化奠定了基础。2.基于本文所建立的仿真模型,通过对分离轴理论的应用,设计了一种实用性好、效率高的判断空间两个物体位置关系的算法,利用该算法能够快速地检测机床全局碰撞干涉。利用该算法还提出并实现了一种简洁有效的碰撞区域计算方法。3.刀具长度的选择直接关系到加工的效率和质量。本文提出了一种以加工过程中不产生碰撞干涉为约束,以刀具长度尽可能短为优化目标的刀具长度优选方法。另外,对于检测出有碰撞产生的数控代码,本文设计实现了机床手动方式调整的计算机模拟功能,该功能为数控代码的修改和调整提供了一个实用方法。4.根据航空企业现有五轴数控机床的特点,架构了基于UDP通讯模式的五座标数控铣削全局干涉检查系统。以Windows和OpenGL为基本平台,充分利用多线程编程技术,借鉴当前主流的CAD/CAM的界面风格,编制了具有良好界面、操作方便快捷、能够模拟机床运动过程、快速碰撞检查、自动优化刀具长度的工程应用软件。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 碰撞干涉检测技术
• 1.2.1 碰撞干涉检测算法概述
• 1.2.2 碰撞干涉检测算法目标
• 1.3 论文的选题背景与研究内容
• 1.3.1 论文的选题背景
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 论文组织
• 第二章 系统设计
• 2.1 软件开发过程
• 2.1.1 需求分析
• 2.1.2 用户界面设计
• 2.2 系统结构设计
• 2.2.1 通讯模块
• 2.2.2 用户界面模块
• 2.2.3 输入输出模块
• 2.2.4 预处理模块
• 2.2.5 全局干涉检测模块
• 2.2.6 参数优化模块
• 2.2.7 数据库模块
• 2.3 本章小结
• 第三章 仿真预处理
• 3.1 工件的仿真模型
• 3.1.1 工件的显示模型
• 3.1.2 工件的计算模型
• 3.2 主轴仿真模型
• 3.2.1 主轴凸多面体
• 3.2.2 机床二次曲面
• 3.3 刀具和刀具夹头仿真模型
• 3.4 数控代码的插值处理
• 3.5 应用实例
• 3.5.1 曲面简化实例
• 3.5.2 八叉树空间划分实例
• 3.5.3 机床凸多面体
• 3.6 本章小结
• 第四章 干涉检测和干涉区域计算
• 4.1 分离轴理论概述
• 4.2 分离轴理论的数学描述
• 4.2.1 基于凸多面体的分离轴应用
• 4.2.2 与基于OBB 的分离轴应用的比较
• 4.3 基于分离轴理论的干涉检测
• 4.3.1 空间基本变换
• 4.3.2 干涉检测流程
• 4.3.3 初步干涉检测
• 4.3.4 高精确干涉检测
• 4.4 干涉区域显示
• 4.4.1 三角片细分
• 4.4.2 边界提取
• 4.5 应用实例
• 4.6 本章小结
• 第五章 刀具长度优化和摆角的交互式调整
• 5.1 刀具长度的优化
• 5.1.1 刀具长度优化的流程
• 5.1.2 刀具长度优化应用实例
• 5.2 刀具摆角的交互式调整
• 5.2.1 问题提出
• 5.2.2 摆角交互调整实例
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文
• 参与的科研项目
• 项目验收意见
• 关于五座标物理仿真成果的验收