多轴数控编程及其仿真技术的研究 毕业论文

更多经典毕业论文HTTP/WWWDOCINCOM/MYDOC43546141HTML,IJ,、参数的K次B样条的基函数。,IKNU,JKVUV可根据DEBOORCOX递推公式求得，公式36所示36,011,11,10,NNN其中，规定0/00，为参数或，0,K或0,L为次数，为基函数的UV序号或。IJ（2）刀具轨迹描述采用微分几何的FRENET标架3来描述数控加工的刀具轨迹，如图312所示。其中，（）为进给方向矢量，公式37所示F1FFFZYX3700,LIMPUVSUVSU标架矢量为参数曲线的副法向矢量，计算方程通过矢量叉乘求得，公式38所B示38000LIUSPFPFFU运动轨迹的主法向矢量为，可通过矢量叉乘求得，公式391NNZYX所示391,FFBFFBFFBYXZYB图312FRENET标架描述数控加工的刀具轨迹FIG312FRENETFRAMEDESCRIPTIONOFNCTOOLPATH（3）刀具后跟角的干涉约束条件平底端刀加工曲面零件时，由于刀具底面中心一般没有刀刃，为避免刀具底面中心与加工表面接触及切削刃与加工表面发生干涉，应将刀轴置于加工表面法向矢量与进给方向切向矢量所在的平面之内，此平面即为端刀加工的摆刀平面，同时刀具底面与加工表面接触。同时需要将刀轴沿进给方向与加工表面法向矢量倾斜一个角度，使得刀轴矢量与曲面法向量形成一定的夹角，就是刀具的后跟角，端刀刀具半TN径就是端刀端铣加工的切削刀具半径，如图313所示。图313刀具后跟角的干涉约束条件FIG313INTERFERENCECONSTRAINTSOFTOOLINCLINATIONANGLE由图313可知，刀具端部的后跟角与被加工曲面不发生干涉的几何约束条件为H0。通过微分几何求解可求出后跟角满足下述条件的不等式，公式310所示3102/SINCODTGBF由于该式是在0，0的条件下所解得，所以这个不发生干涉的几何约束条FHB件中隐含了H这样的一个因素。其中，和分别为被加工曲面沿向和向的法向曲率（也即表示方向FBFB矢量和变化的快慢，其中，）FFBD刀具直径。对于和的求解，可以利用上面刀轨描述中的FRENET标架来求得，也可以利FB用第四章介绍的图形计算法得到切触点的FRENET标架来求得。但是，在实际中常常会对后跟角的约束条件式进行简化，公式311所示，311SIN/2ED12MAX,E其中，当加工曲面为凸椭圆点时，0，0取1K21KE0，取后跟角为。当为双曲点时，0，0，取1KARCSIN2ER12E1K后跟角为。RIE（4）刀位点计算五坐标平底端刀加工的刀位点计算包括刀心的坐标以及刀轴矢量。OT刀轴矢量的计算分为如下两种情况1当没有导动面和检查面约束的情况下，在插补过程中刀轴始终在被加工曲线的密切平面内（此时与摆刀平面相重合），即在标架的平面上，并与主法线矢量保持一个后跟角，通过这一几何关系可求得NFN刀轴。2考虑导动面和检查面约束，可由导动面和检查面确定刀轴在摆刀平面标T架的平面内的最大摆角，从而计算出刀轴矢量的方向余弦，如图313的BT右图所示。在图313的基础上可以求解得到。COSINF刀心的坐标，首先，由图313得到矢量的模为。矢量在矢量OPO2DPO和组成的平面内，并与矢量正交，通过这一几何关系可求出矢量的方向余弦TNT为。然后，利用来求解刀心O的坐标。其中，为DSICO2P（F）点的矢径4550。P在求出刀心坐标和刀轴矢量后，就可以生成多轴数控加工刀位原文件，然后通过后处理程序可生成具体数控机床所需要的NC代码。34本章小结本章主要通过学习和分析多轴数控编程中的各种刀轴控制方式，针对32特殊五轴数控机床研究了平底端刀数控加工时的算法问题，并实现了抛物面灯具反射罩模芯CAD建模和五轴数控加工的自动编程。通过分析平底端刀和球头铣刀在模具曲面多轴数控加工的的优势和不足，研究了平底端刀五轴数控加工模具曲面的算法问题。第四章基于全参数化CAD的多轴数控刀位图形计算和多轴NC三维实体仿真方法在数控加工中，刀具轨迹的生成方法主要是参数线法和截面线法等。但是参数线一般只适合于网格线分布比较规整的曲面加工，截面线法的截面线方程比较难以UV获得。为此本章将对刀具轨迹的生成方法进行研究，提出了用一种基于参数法CAD图形确定空间自由曲面数控编程的刀具轨迹计算方法多轴NC图形计算法。同时，为了验证抛物面灯具反射罩模芯的CAD建模以及其五轴数控加工自动编程和多轴NC图形计算法的正确性，探讨了一种基于全参数化CAD系统的动态三维仿真方法。41TFLEXCAD系统的介绍俄罗斯“TOPSYSTEMS”股份公司的TFLEXCAD软件是一套以PARASOLID为三维核心的，基于变量驱动的全参数化CAD系统，它提供了丰富的开放性接口、开发工具和强大的三维仿真功能。其主要特点是在保持图素间相应关系的条件下，具有极好的图形修改性，并且使用方便，作图简单。利用变量及表达式直接驱动几何图形的设计及修改是所有自动化设计系统的发展方向。基于全参数化概念的柔性化设计特征使TFLEXCAD系统从根本上区别于其他CAD系统。尽管许多CAD系统的设计者也宣称他们的系统可以实现参数化设计，但实际上仅仅是极其有限的参数化。TFLEXCAD系统提供了一套变量表和数据库编辑、计算和管理功能，利用变量或表达式建立图形参数间的几何约约束关系。其既可以在建立图素时设置变量，也可以在修改图形时设置变量。变量的数值可以通过各种方式设置，如在变量编辑器中设置，由其他图形或文本文件传递，也可以利用数据库获得。因此，参数的设置是无限的。TFLEXCAD系统提供了强大的二次开发接口功能，利用其提供的OLE自动机制和丰富的ACTIVEX函数，外部应用程序可方便地提取CAD模型中的各种几何信息，并对CAD模型进行操控、编辑。TFLEXCAD系统可用于解决各种工程设计问题，如结构设计，工程设计，建筑设计，数控程序生成，机构及过程动态仿真，产品造型及外观设计等51。42提出一种基于参数化CAD图形的多轴NC刀具轨迹生成方法421多轴数控刀位图形计算法在数控加工中，刀具轨迹的生成方法主要是参数线法和截面线法等。参数线法的切削行沿NURBS的UV参数线分布，这种方法比较容易由NURBS曲面方程通过分析法按理论计算获得刀位文件，但是一般只适合于网格线分布比较规整的曲面加工。UV截面线法是通过一组平面或曲面去切割被加工曲面，截出一系列交线，刀具与被加工表面的切触点就沿着这些交线作出插补运动，其截面线方程比较难以获得。为此，提出了一种基于参数法CAD图形确定空间自由曲面数控编程的刀具轨迹计算方法，称之为多轴NC图形计算法。其主要思路是在CAD系统中建立被加工曲面的三维几何模型，然后在被加工曲面上做截面线，再在截面线上求取任意两点，当这两点之间的距离足够小，就可将这两点之间的矢量看做是其中一点FRENET标架中的一个向量。同理可以求出该点FRENET标架中的另一个向量，然后利用向量的知识和CAD系统参数的提前，就可以将该点FRENET标架求出。得到FRENET标架以后，从而就可以利用相关的算法，求解出切触点的几何参数，最终得到刀位文件。首先在TFLEXCAD系统中建立被加工曲面的三维几何模型，然后在被加工曲面上做一个参考平面P与曲面相交得到一截面线C，在交线上任取一节点作为刀具与0N曲面的切触点并提取其几何参数。然后，再在截面线C上再做另外一点并提取其几F何参数，当这两节点之间的距离很小，就可认为这两点之间的矢量就是截面线0F在该切触点点的切向量，且切触点沿着该切向量进给。用类似的方法，做节点0NF0N，向量就代表截面线在点的副法线向量。然后这样就在平底端刀与曲面BOB0B的切触点建立了界面线加工的FRENET标架FBN，从而求解出切触点的几何参数。0将一系列的切触点相连就可以构成切触曲线，利用第三章讲到的刀位点计算算法，便可以完成刀具轨迹的生成，如图41所示。图41平底端刀五轴加工图形计算法三维几何模型FIG41THREEDIMENSIONALGEOMETRICMODELOFFLATENDMILLFIVEAXISMACHININGGRAPHICALCALCULATION该方法的主要步骤如下1被加工曲面的CAD描述。由于TFLEXCAD系统可以通过其提供的ACTIVE函数提取其模型的几乎所有几何参数。所以，在TFLEXCAD系统中建立被加工曲面的三维几何模型。2CAD模型上提取几何参数建立FRENET标架。通过提取得到几何参数，并求解向量，便可以建立切触点在截面线上加工的FRENET标架。3将切触点相连，形成切触点曲线，进行刀位点计算，完成刀位轨迹的生成。422平底端刀五轴加工曲面的图形计算法首先，利用TFLEXCAD系统，建立了平底端刀加工曲面的三维模型。然后，在该三维模型上，作一个任意参考平面P与曲面相交，得到参考面与平面的交线C，在交线上作一个节点，用参数控制节点在交线上的位置，其中变量0,1。最后，在0NTT交线上作另一节点，用参数控制节点在交线上的位置，其中变量0,1，FTDTD如图41所示。当0时，向量就代表截面线在点的切向量，刀具与曲面在点切TD0FN0NF0N触并沿向量进给，刀具与曲面在点切触。F0用类似的方法做节点，当与的增量0时，向量就代表截面线在BN0BBDOBN点的副法线向量。就可以建立截面线加工的FRENET标架。0NF所以，在点附近作若干个点，并对其进行数值计算，便可得到曲面在点沿00N向和向的近似的曲率和。FBFB将图形数值法求出的FRENET标架及曲率、代入第三章的相关算法，FNFB可计算出截面法平底端刀五轴加工曲面的刀位数据。43基于全参数化CAD的多轴NC三维实体仿真方法对于多轴数控加工而言，其加工过程中刀具、工件之间除了三轴相对移动外，还有相对转动和摆动等运动，空间几何关系和运动的合成较复杂，容易产生过切、干涉等问题52。通过对多轴数控加工的NC程序进行仿真分析，能预先发现加工过程中存在的问题和错误，及时修改和纠正，从而验证以及优化所生成的数控加工NC代码，并保障工艺系统的安全，使得加工过程能够顺利进行。同时，为了验证抛物面灯具反射罩模芯的CAD建模以及其五轴数控加工自动编程和多轴NC图形计算法的正确性，以俄罗斯“TOPSYSTEMS”股份公司的TFLEX软件为三维图形平台，探讨了一种基于全参数化CAD系统的简易快捷NC加工三维实体仿真方法431总体设计流程这种简易快捷NC加工三维实体仿真方法主要通过如下顺序流程来实现1要在TFLEX系统中，建立三维实体被加工工件工艺系统仿真模型。2根据机床、刀具、夹具和被加工工件的出结构、尺寸，建立全参数化变量驱动零、部件模型库。3通过装配约束和变量表约束建立仿真模型。同时，还通过变量表和MDB数据库对仿真工艺系统中各零、部件的几何参数、空间相互位置和运动关系等进行约束。4修改变量表中的变量，来直接驱动仿真模型的变化。5通过TFLEX系统提供的干涉检测功能可分析刀具与工件、夹具等是否发生干涉、过切等问题。最后，便可以在TFLEX系统中生成AVI仿真文件，如图42所示5354。三维仿真模型建立全参数变量驱动零、部件约束仿真模型修改变量参数驱动仿真模型干涉检测生成仿真文件图42一种简易三维实体仿真系统的流程图FIG42ASIMPLETHREEDIMENSIONALPHYSICALSIMULATIONSYSTEMPROCESS432仿真接口程序的开发为了实现这样的一个三维简易仿真方法，需要开发一个仿真接口程序来实现NC代码与TFLEXCAD系统变量的连接，如图43所示。这样一个仿真接口程序需要实现的功能主要如下1该仿真接口程序将NC代码读入。2对NC代码进行逐行扫描分析，语法判断。3提取各行代码的刀具轨迹坐标和加工参数。4建立与TFLEXCAD系统的动态数据连接。图43仿真接口程序FIG43SIMULATIONINTERFACEPROGRAM建立与TFLEXCAD系统的动态数据连接的方式又有两种。第一种方式，利用TFLEX“变量编辑器”来建立与NC代码TFLEXCAD系统的动态数据连接，如图44所示。图44用MDB数据连接并驱动TFLEX“变量编辑器”的相应参数FIG44THECORRESPONDINGPARAMETERSTHATUSEMDBTOCONNECTANDDRIVETHETFLEX“VARIABLEEDITOR“其主要思路是，首先用MDB数据连接并驱动TFLEX“变量编辑器”的相应参数，从而使得NC加工数据可以通过MDB被传递，然后利用TFLEX的仿真功便能生成NC加工过程的AVI动画文件。该方法的主要步骤如下1仿真将NC代码中提取的加工信息顺序写入一个MDB数控库中，MDB数据库中每条记录保存NC代码中一条加工指令的刀具轨迹坐标、刀具几何及加工参数等。2在完成了MDB数据库的读写后，由于3维仿真模型中已建立了模型与MDB数据库的参数约束关联，就可直接利用TFLEX系统中“动态模拟”功能，以MDB数据库的记录号为指针，顺序读入数控库的参数，从而驱动3维仿真模型按NC指令的参数变化。第二种方式，利用TFLEX提供的ACTIVEX函数来建立与NC代码TFLEXCAD系统的动态数据连接。其主要思路是，首先利用高级编程语言开发的程序去读写TFLEX变量表，使得NC代码能够与TFLEXCAD系统的变量相连接，从而实时动态仿真任意NC代码行执行情况的三维实体仿真。该方法的主要步骤如下1利用OLE机制以及TFLEX系统所提供的ACTIVEX函数，由仿真程序将NC代码中提取的刀具轨迹坐标和加工参数直接写入TFLEX系统中的变量表，从而直接的来驱动三维仿真模型。2通过高级语言编程将单行NC代码中的数据直接相连并驱动到TFLEX系统“变量编辑器”中的相应参数，从而实现对单行数控NC代码三维实体仿真。在仿真程序中，它的主要流程如下1通过CREATEDISPATCH“TFW32SERVER“语句建立与TFLEXCAD的OLE对象连接。2调用TFLEX系统所提供的ACTIVEX函数LPDISPATCHOPENFILELPCTSTRDOCNAME，打开参数化三维仿真模型文档。3通过SHORTFINDVARIABLELPCTSTRVARNAME函数获取三维模型变量表中相关变量的ID号，4借助函数SHORTSETVARIABLEEXPRESSIONSHORTID,LPCTSTREXPRESSION将NC代码中的数据以表达式的形式写入TFLEX三维的模型的变量表5驱动仿真模型按照NC代码的数据运动，最终实现任意NC代码行的仿真。以上两种方式，都可以通过高级语言编程将其集成于一个软件工具中，从而满足三维实体仿真时的多重需求。44多轴数控加工仿真实例在第三章抛物面灯具反射罩模芯的CAD建模以及其五轴数控加工自动编程的基础上，并根据反射单元加工工艺、走刀方式及安全避让等约束条件，计算出反射单元加工的刀具轨迹坐标，通过译码程序将其转换生成五轴数控加工的NC代码后，利用上面探讨的这种基于全参数化CAD的动态三维实体简易仿真方法，对其进行了三维实体仿真，从而验证了其五轴编程的正确性，如图45所示。图45灯具反射罩模芯的五轴数控加工三维实体仿真FIG45THREEDIMENSIONALSOLIDSIMULATIONWITHFIVEAXISNCMACHININGOFMOULDCOREOFLUMINAIREREFLECTOR上述研究内容，已开发出完整的仿真软件，并已成功申请软件著作权，如图46所示。图46灯具反射器模芯CAD/CAMFIG46MOULDCOREOFLUMINAIREREFLECTORCAD/CAM在上一节多轴NC图形计算法的基础上，计算出截面法平底端刀五轴数控加工曲面的刀位数据，通过译码程序将其转换生成NC代码后，利用上面探讨的这种基于全参数化CAD的动态三维实体简易仿真方法，对其进行了三维实体仿真，从而验证了多轴NC图形计算法的正确性，如图47所示。图47图形计算法的五轴数控加工三维实体仿真FIG47THREEDIMENSIONALSOLIDSIMULATIONWITHFIVEAXISNCMACHININGOFGRAPHICALCALCULATION上述研究内容，已开发出完整的仿真软件，并已成功申请软件著作权，如图48所示。图48五轴数控加工过程仿真系统FIG48FIVEAXISNCMACHININGSIMULATIONSYSTEM45本章小结本章提出一种基于全参数化CAD的刀具轨迹生成方法及实体仿真方法。并以此验证了抛物面灯具反射罩模芯的CAD建模以及其五轴数控加工自动编程和多轴NC图形计算法的正确性。结论与展望多轴数控技术作为数控加工技术中难度最大、应用范围最广的技术，在复杂曲面的高效、精密、自动化加工方面，具有二、三轴加工所不能比拟的的优势，已成为评价一个国家生产设备自动化水平的标志。而作为多轴数控技术难点和关键问题之一的数控编程及其仿真技术，更是多轴数控技术发展和应用的一个基础。本课题主要围绕多轴数控编程及其仿真技术，进行了相应的理论研究及其实验验证工作，取得以下主要研究成果。1研究了多轴数控编程的方法、刀具选用、刀具轨迹的生成方法、刀具的干涉和误差分析、后置处理。并以CIMATRONCAM系统为媒介，利用其GPP2生成的专用后置处理程序进行后置处理，生成NC代码，从而完成了一些复杂零件的多轴数控编程，并在相应多轴数控机床上实现加工。2通过分析多轴数控编程中各种刀轴控制方式，针对32特殊五轴数控机床研究了平底端刀数控编程的算法问题，从而实现了抛物面灯具反射罩模芯CAD建模和五轴数控加工的自动编程。用时，还通过建立刀具被加工曲面的共轭曲面包络几何模型，确定刀轴控制方式、干涉、避让检查等约束条件，然后根据切触点曲线方程求解出刀位点坐标和刀轴矢量的方法，从理论上全面的研究得到了平底端刀进行五轴端铣数控加工时的刀位点计算方法。3通过分析当前多轴数控加工刀具轨迹的生成方法，在CAD系统中建立被加工曲面的三维几何模型，然后在被加工曲面上做截面线，并在截面线上求取之间的矢量，作为切触点FRENET标架中的向量，以类似方法求得切触点FRENET标架中其它向量，从而利用相关的几何数学知识和刀位点算法，便可以求解出切触点的几何参数，最终得到刀位文件，从而提出了一种全新的多轴数控刀位生成方法图形计算法。4在TFLEX软件的基础上，开发了一种动态三维实体仿真方法。并用这种仿真方法对抛物面灯具反射罩模芯的多轴数控加工和多轴NC图形计算法进行了三维实体仿真，从而验证了它们的正确性。本课题对多轴数控编程及其仿真技术的研究，对多轴数控技术的发展和推广都有一定的实际价值和意义。由于时间和本人能力的限制，本课题还有许多需要完善之处，在本课题的研究基础上，作者认为还可以继续在以下几个方面进一步深入开展研究1在平底端刀多轴数控加工算法研究，根据刀轴控制方式、干涉、避让检查等约束条件来进行刀位点计算时，对干涉、避让检查等约束条件都进行了简化处理。所以，综合全面考虑干涉、避让检查等约束条件是进一步研究的方向。2在多轴NC图形计算法方面，没有把数控加工中刀具轨迹分布的合理性以及刀具干涉的情况完全考虑进去。所以，在这些方面，还可以做进一步的研究。另外，还可在多轴数控刀位图形计算法生成刀具轨迹精度方面做一些研究。3在开发的多轴NC三维实体仿真方法基础上，可以尝试考虑切削参数、切削力及其它物理因素的影响，从而实现几何仿真和力学仿真的结合。参考文献1李吉平,刘华明,任来银多轴数控加工相关数学模型的建立与应用J机械设计与制造,2000,VOL2192L2周济,周艳红数控加工技术M国防工业出版,20023刘雄伟数控加工理论与编程技术M机械工业出版社,20004杨长祺,秦大同,石万凯自由曲面五轴平底刀加工路径的NURBS化J重庆大学学报,2003,VOL26NO282855钟建琳,米思南,喻道远,段正澄曲面平头刀加工无干涉刀位轨迹自动生成的算法研究J机械工程学报,1999,VOL35NO693976段正澄,李培根,邓建春,喻道远等空间自由曲面非球面刀轨迹自动生成的新原理和计算方法J机械工程学报,1994,VOL30NO621277钟建琳,喻道远,段正澄空间自由曲面平头立铣刀数控编程中过切干涉的处理及算法J华中理工大学学报,1998,VOLNO2660628喻道远,段正澄,钟建琳,李培根凸曲面平头立铣刀刀位轨迹的计算方法J华中理工大学学报,1994,VOL22NO29GUANLIWEN,WANGYUEHONG,WANGLIPINGCASEBASEDPARALLELMACHINETOOLCONCEPTUALDESIGNJCHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERINGENGLISHEDITION,2004,17S22122310张利波,周济开放式数控编程通用后置处理器J机械与电子,1996VOL043411任学军,刘雄伟,汪文虎等五坐标数控机床后置处理算法J航空计算技术,2000,VOL03404312韩向利,袁哲俊,焦建斌等五坐标机床后置处理方法的研究J组合机床与自动化加工技术,1995,VOL03343713刘日良,张承瑞,宋现春等5轴数控机床坐标系统的一个特例及其后处理方法J机械设计与制造工程,2002,VOL05616214宏甫数控技术广州华南理工大学出版社M200315APAVASILEIOUA,GAVROSKCAD/CAMINTERFACESAREVIEWJINTELLIGENTSYSTEMS2002,1111237838216王学东数控加工仿真技术的研究J邢台职业技术学院学报,2009,VOL26NO444917马玉林,孙宏伟基于质量保证的数控切削仿真技术研究与展望J制造业自动化,2000,VOL04353918沈春龙,张友良三维虚拟加工环境及其关键技术的研究J计算机辅助设计与图形学学报,2001VOL13NO10576119UGS公司提供,UGCAM培训手册北京培训中心改编M200020乔咏梅,张定华,张淼数控仿真技术的回顾与评述J计算机辅助设计与图形学学报,1999,VOL10626521李吉平刘华明任秉银多轴数控加工相关数学模型的建立及应用J机械设计与制造,2000,NO1434422胡乾坤,鲁墨武,崔秀丽,邢艳秋五轴数控加工中心数学模型的建立与实现J沈阳航空工业学院学报,2000,VOL23NO4182023全荣五坐标联动数控技术M湖南科学技术出版社,199524燕红波,杨庆东,刘芳五轴联动数控加工技术的应用J模具制造技术,2007,NO2576025韩式国模具型腔数控加工刀具优选D,山东大学硕士学位论文,200426喻道远,段正澄,许星剑,孙洪道球面刀在数控加工中的存在问题及改进方法J机械工业自动化,1994,VOL16NO1212427周纯江平头立铣刀在曲面数控加工中的分析J机械制,1994,VOL43NO486565828霍颖,杨茂奎,陈益林多轴数控加工刀位轨迹的生成技术综述J新技术新工艺2004,NO3273029金建新多轴CNC机床加工曲面上曲线的刀具姿态实时控制J机械工程学报,200L,VOL37NO3858930LEEYSCHANGTC2PHASEAPPROACHTOGLOBALTOOLINTERFERENCEAVOIDANCEIN5AXISMACHININGJCAD,1995,VOL27NO1071572931HLANDHYFENGEFFICIENTFIVEAXISMACHININGOFFREEFORMSURFACESWITHCONSTANTSCALLOPSHEIGHTTOOLPATHSJINTJPRODRES,2004,VOL42NO122403241732秦大同复杂曲面多轴加工的高精度、高效率数控编程系统研究D,重庆大学博士学位论文,200433燕红波复杂曲面的数控加工技术研究及应用D,北京机械工业学院硕士学位论文,200734周莹君基于UGNX的5轴联动高速铣削加工中心后置处理软件的研发D,北京机械工业学院硕士学位论文,200535胡乾坤基于CATIA平台五轴数控加工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