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螺旋桨的五轴NC加工刀位轨迹规划开题报告.doc

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螺旋桨的五轴NC加工刀位轨迹规划开题报告.doc

1毕业设计(论文)开题报告题目螺旋桨的五轴NC加工刀位轨迹规划专业名称机械设计制造及其自动化班级学号学生姓名指导教师填表日期2010年3月15日一、选题的依据及意义螺旋桨是一类典型的自由曲面零件,船用螺旋桨是船用推进器中效率比较高,应用最广的一种,其主要功用是使船舶前进和后退,有时也协助船舶回转。它的曲面形状和制造精度直接决定了推进效率和噪音的大小,而加工方法的研究将有助于提高该类零件的加工精度和效率。传统的螺旋桨加工方法是通过普通铣床粗加工上大量的人工修磨来完成的,此方法费时费力,且精度难以保证。随着数控技术的发展,目前的螺旋桨大多数采用数控加工中心来制造,所用的刀具通常为球头刀和平头刀,但加工精度和效率仍然不够理想。如何充分发挥五坐标加工中心的潜能,采用非球头形式的刀具侧铣加工该类自由曲面,以提高螺旋桨的加工精度和效率,是目前数控加工的一个研究重点。螺旋桨的数控加工提高了生产力,促进了国民经济的发展。二、国内外研究概况及发展趋势(含文献综述)螺旋桨是一种典型的自由曲面零件,螺旋桨的加工实际上就是对自由曲面的加工,而自由曲面加工一直是机械加工领域的难点,自由曲面是不能由初等解析曲面组成,而是以复杂方式自由变化的曲面,用数控机床加工曲面类零件,一般是在三轴数控铣床上进行,但对于形状非常复杂的曲面零件,仅用三轴数控铣床是无法加工的,鉴于此,很自然地想到采用多坐标形式机床,一般采用四坐标或五坐标联动加工中心。采用五坐标机床,由于机床自由度的增加,可根据工件表面状况确定出最合理的刀具空间姿态。因此,除了球头到外,还可以用其它形式的刀具来改善加工精度和效率,这便是线接触加工问题。过去螺旋桨的粗加工大多是采用普通铣床进行,而精加工通常采用手工砂轮打磨和模板测量,反复交替进行,最后再用手工布轮抛光,加工精度和生产效率都很低,工人的劳动环境和条件较差,而且这样的加工手段需要工人具有熟练的技术和丰富的经验。随着数控机床和计算机技术的发展,目前螺旋桨的加工大多采用数控机床来完成,然后抛光至满意的精度1。由于无法得到大量的分析数据,刀具尺寸、加工步长、行距等参数通常参照以前的加工经验2。针对螺旋桨的曲面造型和数控加工,国内外学者进行了大量的研究。GeoffreyWVickers3早在70年代就研究了用数控机床采用球头刀加工中等尺寸的螺旋桨。他首次提出用计算机辅助计算螺旋桨的表面,螺旋桨各部分曲面和各截面的图形可在图形终端上显示出,而且可以交互修改。螺旋桨加工主要采用数控铣床进行铣削加工,最后再采用少量的手工修整。XiuziYe4提出了结合物理约束主要包括曲面法矢来设计螺旋桨曲面,最终曲面是一个完整的非均匀B样条曲面,该曲面是用最小二乘法拟合给定的数据点及这些点上面的法3矢得到的。这种设计螺旋桨桨叶曲面的方法是结合对螺旋桨流体动力学的分析进行的。他这种方法主要是考虑到工程中对几何实体的评价主要是其物理功能的实现,而不是其几何外形的美观。HsingChia5结合螺旋桨曲面建模的结果,利用微分几何的相关原理,分析了该曲面的曲率、主方向等几何性质,并在此基础上,把桨叶区域分为椭圆点区域和双曲点区域。在不同区域上,给出了球头刀和端铣刀的刀位计算方法。而且给出了控制直线插补误差和刀轨间残留误差的方法。韩国人JAEWOONGYOUN6在五坐标机床上采用球头刀加工螺旋桨。他把螺旋桨加工分成三步完成粗加工、半精加工和精加工。为生成精确的精加工刀轨,首先计算检查向量,来决定刀轨上每个刀位处的两个极限角度,它们是由刀具尺寸和加工带宽决定的。最终的刀具方向矢量是根据经验按照一定的比例得到的。哈尔滨工业大学的任秉银7,8采用球头刀加工螺旋桨。他把螺旋桨桨叶工作面分为标准螺旋面和流线型曲面两部分,提出对螺旋面部分建立解析方程,导出刀具参数和加工参数的计算表达式。利用微分几何中关于法曲率和主曲率的理论,通过计算曲面上任意点处的主曲率,找出最大主曲率,求出叶片压力面数控加工用的最大允许球刀半径。螺旋浆叶面的加工路径一般取浆叶上等半径上的螺旋线。球头刀的中心位于螺旋面的法向等距面上,刀心轨迹线是在等距面上与刀触点轨迹线法向等距的曲线。求出刀具沿轨迹线运动时形成的包络面,相邻两包络面的交线便是实得曲面的特征线,这条曲线与设计曲面的距离便是几何残留误差。天津农学院的李艳聪9充分利用了UG软件的建模与加工模块,先建立螺旋桨几何模型,然后生成数控加工程序。文献7,8虽然提出把螺旋桨桨叶分成两个部分,但是如何严格地划分桨叶工作面的两个部分,以及两部分曲面如何拼接等问题没有解决.文献9充分利用了现有软件,但是对于形状较复杂的螺旋桨,通常所给的设计数据很少,难以用UG软件建出精确的模型,因此需要对仅有的数据点进行加密才能得到足够多的数据点。对这些数据点拟合,得到所需的桨叶曲面。而且,UG软件针对三轴的加工模块功能非常强大,而针对五轴的加工模块功能还不是很完善。但对于桨叶较多的螺旋桨,仅三轴机床很难加工,甚至不能加工。所以对于桨叶较多,一般五叶以上的螺旋桨,仅依靠UG的加工模块,还是有很大的局限性。以上所述的文献中,所提及的加工螺旋桨的方法都是采用的球头刀,加工方式为点接触,即刀具曲面与被加工曲面之间为点接触。为了保证桨叶的加工精度,加工行距不可能太大,因而效率较低。并且这种方法具有很大的局限性,它只适用于加工盘面比较小的螺旋桨,当盘面比较大时,相邻的桨叶相互重叠,重叠部分很难加工.而五坐标数控机4床由于增加了两个转动轴,可以采用不同形状的刀具和不同的接触方式进行加工,从而能有效地解决上述问题。三、研究内容及实验方案本论文在深入分析螺旋桨曲面成型原理的基础上,将设计时给定的桨叶曲面的切面数据转化为笛卡尔坐标系中的坐标,利用B样条方法对截面数据点插值并加密,得到足够的数据点,进而利用最小乘法拟合出桨叶曲面,通过调整偏离权和光顺权得到了理想的二阶连续的桨叶曲面。针对圆柱棒料毛坯,提出了了采用类似型腔加工和逐点搜索的两种粗加工方法,前种方法能精确地控制加工区域,同样可应用于精加工后一种方法计算简单、易于编程。利用微分几何学知识,分析了螺旋桨桨叶曲面的局部特征,在研究圆柱刀二阶密切法规划刀位的基础上,探讨了圆锥刀圆环刀的二阶密切刀位计算方法,采用二阶密切法规刀位可以显著地提高加工精度。提出了基于二阶密切法的加工路径规划方法,采用该方法可以在保证精度的前提下使加工带宽明显增大,提高加工效率。充分利用UG等软件的建模和仿真功能,对螺旋桨的曲面造型和数控加工方法的正确性进行了验证。自由曲面零件数控加工技术的关键是研究如何构造被加工曲面、刀具路径的规划及数控加工过程的动态仿真。本文对螺旋桨的数控加工也是主要从这几方面来进行,主要研究了船用螺旋桨的曲面粗加工刀轨的生成方法,精加工刀位的计算方法及刀具路径的规划。总体分为以下几个步骤1.对螺旋桨数控加工进行工艺分析2.研究螺旋桨数控加工刀具轨迹进行规划3.在UG的VARIABLECONTOUR中,生成螺旋桨的刀具轨迹4.在UG中进行螺旋桨模拟加工四、目标、主要特色及工作进度毕业设计的目标对螺旋桨的数控加工工艺分析和刀具轨迹规划并模拟。毕业设计的特色强调螺旋桨数控加工工艺分析,对多坐标数控加工有清楚的认识,在UG中生成刀具轨迹并能模拟。毕业设计工作内容及完成时间1开题报告.查阅资料.外文翻译2010.3.12010.3.192螺旋桨数控加工工艺分析和加工刀具轨迹方法2010.3.222010.4.93在UG中,生成螺旋桨的刀具轨迹2010.4.122010.4.304螺旋桨加工刀路的模拟2010.5.32010.5.28

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