QY3型石油管道牵引机主机设计（全套含CAD图纸）
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黄河科技学院毕 业设计（文献翻译） 第 1 页 一种新的精确的曲率匹配和优化工具 五轴加工方法 比 ， *和埃里克 L 国大学，汉城， 143国 术学院，曼谷，泰国 摘要： 自由面被广泛应用于计算机辅助设计系统描述零件表面。今天，最先进的加工自由表面是在五轴加工用平端铣刀。然而，五轴加工需要复杂算法刨回避，碰撞检测和功能强大的计算机辅助制（制造）系统支持各种操作。准确和有效的方法是提出了自由曲面五轴数控加工。该算法选择最好的工具 和计划的轨迹曲率匹配和综合自主使用逆运动学工具机。新算法使用的刀具接触轨迹产生的逆运动学和不真实的刀位轨迹线性化分段。 关键词 ：五轴数控加工；曲率分析；轨迹规划；刀具选择 1 引言 曲面零件广泛应用于航空航天，汽车，造船和模具 /模具制造行业。数控（计算机数控）加工自由曲面是一个重要的研究课题 1， 2 。不断增加的复杂自由曲面零件的好处，五轴铣削不断发展改变轴五轴铣削。整个曲面铣削用三轴数控和球头铣刀低效正如 3。由于一个额外的自由度，五轴数控加工提供了许多优势，三轴， 是 更好的工具 ， 交通方便，更快的 材料去除率，减少加工时间，提高表面光洁度。然而，很容易产生碰撞在五轴五轴数控加工碰撞问题。可分为 2类：当地和全局的碰撞。当地的碰撞，最关键的问题之一是在自由曲面加工是指去除多余材料在刀具附近接触（消委会）点由于不匹配的曲率之间的刀具扫描表面和表面的控制点。它的结果在一个高曲率表面加工用刀具直径较大或用工具不当面向如图所示。 冲突是指意外接触 （一）的表面之间的工具（或工具的持有人）和工件（或零件），（二）之间的工件和机器部件），或（三）之间的移动机器部件。自由表面通常有曲率的不规则分布，造 黄河科技学院毕 业设计（文献翻译） 第 2 页 成加工 困难。加工自由曲面时需要援助的先进的计算机辅助设计 /计算机辅助制造软件辅助数值控制（数控）程序员的最佳方向和选择刀具尺寸。手动规划编程的曲面加工是已知是容易出错，效率低下图 1。当地 的刀具干涉。自由曲面加工有超过三度的自由需要高端商用计算机辅助设计 /计算机辅助制造系统的刀具位置（ 定位数据 4。 图 1:当地的刀具干涉 铣削表面分为三个阶段：粗加工，半粗加工和精加工。周密的计划需要确定的五轴刀具加工的自由曲面加工。在整理过程中的五轴加工自由曲面，有缺点，如复杂的工具，工具和工具削弱干扰问题。 因此， 有必要找到一种方法来选择最佳的刀具尺寸和刀具定位为选定的轨（即，螺旋，锯齿，锯齿）。五轴加工中需要考虑的方向的工具，工具，刀具路径优化，避免干扰，提高金属去除率。如果切过切的材料，留下的完成加工操作进行控制，然后数额研磨和抛光可以减少或消除。本文研究的目的是制定一个综合自动路径生成算法基于曲率匹配获得较高的金属去除率和表面光洁度最好用的工具刀具尺寸和最佳倾斜角度（，）。一个新的综合自动加工刀位轨迹生成算法 实施。虚拟 实现虚拟 切割。与传统的图形验证、用户交换校正轨迹的生成，该算法选择最好的工具和计划，给出了基于曲率匹配的自主自由曲面。逆运动学的机械工具集成的轨迹计算。 本文的组织如下。审查有关的工作是在 2 节。 3 部分介绍了曲率匹配和优化工具，基于五轴加工和综合自动刀具路径生成算法。该算法通过实例是出现在 4部分和最后部分是结论。 黄河科技学院毕 业设计（文献翻译） 第 3 页 计算机辅助设计 /计算机辅助制造技术等复杂零件的五轴加工涡轮叶片或叶轮的研究 5。商业计算机辅助设计 /计算机辅助制造系统非常发达，球头加工能力。球头加工广泛应用于曲面加工。当使用一个平面铣刀加 工自由曲面，传统的做法已修复的倾斜角度相对于表面的工具。这种加工过程称为斯特茨铣削方法在 8。该工具是倾向于在一个固定的角度，从表面正常的刀具沿工件表面。在工业上，一个典型的倾斜角度 5和 15之间是尽量选择当地刨。针对此问题的方法是，局部干涉时可能出现刀具不倾斜远离表面。 一部分是由数控程序包含一系列编码指令称为数控代码的准确性直接影响和成本的制造的部件。在航天工业，它需要数十甚至数百小时加工自由曲面零件从固体块准备详细的操作计划和数控零件程序雕塑曲面加工。人类难以规划者选择最佳加工策略由于之间复杂的相互 作用的工具部分的形状，大小，和刀具轨迹 9。 今天，许多商用软件等五轴加工中的应用中，地下储气库，是的，和开放的思想的方式，提供的干涉检查和校正。然而，密集的用户交互仍然需要而使用本软件，避免碰撞。这些系统是无法完成避碰自主 10。 一个新的五轴刀具定位算法的基础上提出曲率匹配之间的刀具和加工表面区域用微分几何方法 11， 12 。一个技术的发展方向的基础上确定平底刀斜率和曲率匹配的五轴加工的 12， 13 。曲率半径作为一个功能都倾斜和倾斜角度，和曲率是同样比较检测局部刨。 一个自动选刀方法制 定的 14已用 C 语言对现有 统。刀具选择算法是基于曲率匹配的带角圆柱铣刀加工，其中当地刨，后方刨，和全局碰撞考虑。一个多轴加工刀具路径生成算法的描述 15 取向，工具是适应避免碰撞和提高材料去除机。发达的模块集成在一个现有的凸轮系统。虽然文献 14和 15提供一种曲率匹配，这是非常不准确的，因为线性路径使用。正确的方法计算的实际路径是详细讨论了在 16。 许多上述的方法是基于曲率匹配的只在一个方向。在本文中，准确和有效的方法是提出了五轴数控加工自由曲面。一种新的算法，提出了 选择最佳的工具和计划的轨迹曲率匹配和综合自主使用逆运动学工具机。方面的局部干涉回避，曲率匹配技术是采用这样的曲率半径的有效工具切割的形状，一个沿进给方向和另一个垂直于送料方向，小于 黄河科技学院毕 业设计（文献翻译） 第 4 页 相应的自由曲面上曲线。 3基于五轴加工的曲率匹配和优化工具 自由表面通常有曲率的不规则分布，从而造成加工困难。磨面，该系统将刀沿多条曲线，通常等参曲线或曲面上投影曲线。扇贝生产之间的连续跟踪的表面加工。术语“扇贝”指的是山脊，尖和其他表面突起之间相邻重叠工具，扩展高于设计表面轮廓。这取决于类型的切割工具，工具，工具的方向和距离之 间的刀具路径。 分类的能力，为不同区域的曲面可用于确定最佳工具在自由曲面加工。如果表面局部凸，刀可能是面向其旋转轴的方向正常的表面，无欺诈。如果表面局部凹或马鞍，刨将发生。这是需要定位的工具，使用曲率匹配。当地表面形状周围点可分为凸，凹鞍。表面曲率发挥了关键作用，在选择刀具尺寸和方向角（，）（见图 2）避免欺诈。在五轴加工与平头立铣刀，刀轴的方向可以调整，以避免欺诈。欺诈的主要问题是在完成一个自由曲面。完成删除最后的材料层获得表面一定距离。刀具干涉已被控制。刀具干涉时可能出现的高曲率的曲面。传统上，方向的 平面铣刀仍然是固定的（被设置为一个角度，范围从 5 到 15 度的主轴轴）在运动。传统的固定方向的做法不能有效地防止刀具路径中出现的刨问题。 球头立铣刀已广泛应用于在弯曲的表面加工，因为历史上这些 3轴机床的位置和要求简单的刀具补偿已经很容易了。然而，相对于平头磨，球头立铣刀的生产刀具和表面之间的差几何匹配和切削速度都为零，在旋转轴。图 2显示了在五轴加工用平头立铣刀工具的术语。 局部坐标系统和工具的坐标系统的定义分析切削操作。工具坐标系应该有轴加大切线真正 2所示。 过 3显示了线性近似的刀具路径（沿轴 而不是真正的弯曲的 用时的错误。 一些研究人员已经开发的技术，避免局部干涉，通过计算有效切削刀具扫描表面的曲率和比较它的正常表面的曲率在 17传统的步骤，通过检测和避免局部干涉的步骤是：（ 1）确定的有效切削轮廓电子（）（称为刀具扫描部分）；和比较曲率的有效切削轮廓（简称有效切割曲率）正常曲率曲面在平面上的刀具扫描部分。变化的工 黄河科技学院毕 业设计（文献翻译） 第 5 页 具取向影响的有效切削轮廓电子（）如图 4所示 。 图 2：沿 图 3：凸 /凹下去的部分 黄河科技学院毕 业设计（文献翻译） 第 6 页 图 4：有效切割形状 有效切削半径的平面和平面刀具的刀具方向才能确定使用均衡器。有效切割半径可有式（ 1）和（ 2）得知。避免刨，有效半径 L 与当地表面曲率半径相等。 图 5 显示了一个自动生成算法的流程图，这是在 实现的流程图 24。在这项研究中，是第一次评估，以确定最佳的刀具直径的大小和方向角（，）是表面曲率信息基于曲率匹配。机床逆运动学 集成在计算刀具路径。对于这种方法所产生的 图 3的弧形线条上显示真正的 补丁。在五轴加工两个发光点之间的实际刀具路径不是线性的，而是弯曲的。 找优化工具的方向 在五轴加工的编程中，这是常见的预定义刨影响加工精度的刀具方向（，）。在本节中，用于计算表面曲率匹配 了避免当地 刨干扰，必须确保有效切割曲率（也称为有效的切割形状的曲率）不小于有效的表面曲率 找工具倾斜角度（） 在五轴加工，更易于定义 工具的方向根据当地的表面性能比基于机全局坐标系统。一个局部坐标系定义分析切割作业。图 2显示了本地坐标系统，倾斜角度和倾斜角度的 可以定义最小的工具，倾角为 Y 平面 面上。最初，倾斜角 L 设置为 0。正如图 6 所示，如果 面上的曲率 非正（ 0），这意味着表面上是凸或马鞍，工具倾角为 果表面是凹（ 0）， 避免过度切割，工具倾角为 3）根据本地的表面曲 黄河科技学院毕 业设计（文献翻译） 第 7 页 率 图 5：一个综合自动化 刀具路径生成算法的流程图 黄河科技学院毕 业设计（文献翻译） 第 8 页 图 6：倾角 图 7：调整倾斜角度 : 割从纸张的方向） 为了避免在 角为 4）式计算。 黄河科技学院毕 业设计（文献翻译） 第 9 页 最小刀具倾角由（ 5）式确定 3）（ 4）（ 5）选择。若要得到真正的解决办法是 R）较大。如果刀的大小 r 是比当地的曲率半径大，需要寻找一个新的倾斜角 L，以确保有效的切割半径 设置的倾斜角为 L，以 的倾斜角度可以由式。 （ 6）（ 7）。这个新的倾斜角度（ 6）（ 7），使有效半径比两个 大刀具尺寸和最佳方位角的计算 进行自由曲面加工刀具路径生成前， 一个最大的有效的刀具半径选择是一个关键的问题。其目的是最大限度地发挥最大可行刀具材料的去除，不会造成当地刨。在一般情 黄河科技学院毕 业设计（文献翻译） 第 10 页 况下，刀具直径较大的，对材料来说有更好的去除率。然而，一个大型的刀具可能会不可避免地导致刨干扰或碰撞在给定的表面上的某些点。越小曲率匹配刨可以纠正在两个方面： ）和倾斜角（）。 最大和最小的倾斜角不仅是机器的限制点，也是工件是否碰撞的关键。地方刨发生点之间的刀具和表面的曲率时不相互匹配。初始的刀具半径（ R），最低和最高值的倾角（）（）是一种算法的输入。 使用 于 靠选择最低值（凹）和刀具半径目的达到精确地计算工具倾角。 导角是指在一个平面上的送纸方向平行。比较工具倾角最大的铅角度，我们已经设置。如果该工具的倾角大于最大的铅角度，我们需要选择一个新的更小的刀具直径。如果有效的刀具半径是小于曲率半径，设置一个倾角等于倾向，我们已经计算和设置倾斜角度等于零，否则计算倾斜角。如果倾斜角度大于最大的倾斜角度，我们需要选择一个新的更小的刀具直径，如果没有设置的倾斜角和倾斜角等于我们计算的角度。它可以被认为是唯一的一个临界点（具有最大正 曲率的点），因为这将导致剜第一，或考虑所有点的动态变化的刀具路径生成过程中的铅和倾斜角度，这一点是最严重的点。该算法计算 向的所有表面 。最后，最佳的刀具半径（最大的刀具半径）计算表面所有的 。倾角（）和倾斜角（）的计算为每一个给定的表面 。图5是算法的。 4一个例子 在本节中，一个凸 /凹表面图 8显示的是。 黄河科技学院毕 业设计（文献翻译） 第 11 页 图 8：凸 /凹下去的部分表面 （ 9），（ 10）和（ 11）一个自由曲面参数曲面方程推导。以下方程绘制在 面 24（图 8）。 表 1显示了使用例如拟议的 新算法（参见图 5）的输入设置参数。 具路径生成 在这项研究中使用的是简单的工具，路径齐格（单程）刀具路径，减少工件在一个方向（沿 它开始从 U =0， V =0到 u= 1， V = 1，通过指定路径的时间间隔（ 如图 8所示。 首先，所有的 和 U 和 V 方向的曲率半径计算的算法。路径间隔的值是 U 的区间值。理想的方法是指定的 U 和 V 的区间值尽可能小，以获取性能数据，即，表面上每一点的曲率的表面，但在实践中我们能不能得到所有表面上的点，所以价值准确的时间间隔应代表表面。换句话说，指定 的区间值是小于最小的表面曲率。 工仿真 仿真软件 25用于加工仿真。五轴虚拟模型实现真正的五轴 用该算法生成的 除几何材料。选择刀具 黄河科技学院毕 业设计（文献翻译） 第 12 页 类型，刀具尺寸和工件，设置参数，模拟五轴虚拟机 图 9）。算法计算为6 10显示了切割模型与我们所提出的算法模拟。该方法与传统方法相比，通过使用 X。图 11 显示了使用 X模拟切割模型。 图 9：在 的 黄河科技学院毕 业设计（文献翻译） 第 13 页 图 10：使用该算法的一个切割模型 图 11：使用 黄河科技学院毕 业设计（文献翻译） 第 14 页 图 12：五轴刀具路径生成在 图 12显示了使用 2所示，构建了一个比较表来证明我们的算法，并比较两种方法之间的物质去除，准确性和准备时间。 是远远低于我们的综合方法的准确如表 2所示的仿真结果。 5结论 提出五五轴联动数控加工自由曲面的准确和有效的方法。在这种方法中，首先 分析了表面划分成凸，凹，鞍。发达的综合自动化刀具路径生成算法选择最佳的工具和计划 黄河科技学院毕 业设计（文献翻译） 第 15 页 工具路径的自主使用的曲率匹配。使用 实施拟议的综合自动刀具路径生成算法。虚拟五轴 网通在 施用于虚拟切削仿真和检查的准确性。新方法使用真正的弯曲的 不是分段线性近似，导致了较高的精度。 使用该方法，咬边和过切的精度可以通过改变步长调整，以满足所需的精度。因此，如果我们可以使用一个更大的刀，那么我们可以有较高的材料去除率，因此，我们可以节省切削时间。该算法可以定制了 广泛的应用范围，在三，四，五轴机，它可用于自由曲面的加工刀具路径编程自动化。 致谢 这项工作是由韩国国际交流财团的支持，为科技（ 国际合作，通过提供赠款，由韩国科学技术部（ 项目参考 作者们大大赞赏赵先生 参考文献 1王十，唐，雕塑曲面五轴联动数控加工，诠释。研究进展。制造业。高科技。 15（ 1999）7 2 尼尔和 Z 汉，流线加工汽轮机叶片， 2004 年，中国智能机电工程与自动化，成都国际会议。 （ 2004） 140 3毛威格士和 ，球厂与钢铁厂月底曲面加工， 111（ 1989） 22 4张陈，钟华和 释的表面加工，刀具方位测定。研究进展。制造业。高科技。 20（ 2002） 735 5 别提款权 何建模和离心式五轴加工算法叶轮，制造系统的研究。 16（ 6）（ 1997） 422 6尚亮和 算机辅助制造技术的离心压缩机叶轮，材料加工技术的研究。 115（ 2001） 284 7 锈钢 2007 年国际民航会议和展览，檀香山，夏威夷， 黄河科技学院毕 业设计（文献翻译） 第 16 页 美国。 （ 2007年） 25 8毛威格士，贝迪及 合曲率曲面在工业中使用的 脑的定义和制造。 6（ 3）（ 1985） 173 9 . 个寻找最大的铣刀，制造业研究几何算法。流程。 3（ 1）（ 2001） 1 10 里克 . 轴联动数控加工，计算机辅助设计与工件几何更新的全球碰撞检测的扫描平面算法。 39（ 11）（ 2007） 1012至 24年。 11的 . 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