（机械工程专业论文）基于mastercam的曲面多轴加工技术的研究.pdf

基于m a s t e r c a m 的曲面 多轴加工技术的研究 工程硕士研究生姓名：施晓芳指导教师： 吴玉光教授工程领域：机械工程 摘要：曲面加工是产品加工中最复杂的一类，通常需要多轴联动加工。本文基于m a s t e r c a n a 研究的曲面多轴加工相关技术，主要研究加工方法误差和行距残脊高度的预测和控制，对在 m a s t e r c a m 平台上生成曲面加丁代码，提高加t 质量有一定的实际意义。 论文在分析综述m a s t e r e a m 性能、特点和一 作流程的基础上，分析了曲面多轴加工的加工方 法误筹来源，研究了多轴加 ：方法误差预测的方法并给出了相应的补偿方法；根据m a s t e r c a m 曲 面多轴加t 行距设置方式分析了由行距引起的残脊高度，给出了基于m a s t e r c a m 曲面多轴加工的 理论粗糙度的预测方法；利用所提出的加_ t 误差、行距、粗糙度的预测和控制方法，研究了 m a s t e r c a m 曲面多轴加工的加丁质餐的提高途径；提出了将基于m a s t e r c a m 的四轴加工的p s t 后处 理文件修改成为满足特定数控系统要求的后处理文件的方法与技巧。 分析和试验表明本文提出的方法可行有效。 关键词：b s t e r _ 、曲面多轴加工、行距，、加工方法误差、预测 作者简介：施晓芳，女，1 9 6 7 年生，工程师；工作单位：江苏技术师范学院机械 工程学院，2 0 0 2 年于江苏技术师范学院毕业并获工学学士学位。2 0 0 5 年9 月从师于 河海大学机械工程专业吴玉光教授。 r e s e a r c ho n m j i t i _ a x i sn cm a c h i n i n gf 6 rf r e 亨- f - o r m s u r f a c eb a s e do nm a s t e r c a m c a n d i d a t e ：s h ix i a o f a n ga d v i s o r ：p r o w uy u g u a n g m e n g f i e l d ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g a i b t r a c t ：m u l t i a x i sn cm a c h i n i n gf o rf r e e - f r o ms u r f a c ei sv e r yi m p o r t a n ti np r o d u c tm a n u f a c t u r i n g t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u so nt h ef o r e c a s ta n dc o n t r o lo fm a c h i n i n gm e t h o de r r o ra n ds c a l l o p h e i g h t a n d m a k e sas y s t e m a t i cs t u d yo nm u l t i a x i sn cm a c h i n i n gt e c h n i q u eu s i n gm a s t e r c a ms o f t w a r e 1 ii sv a l u a b l e t 0 鼯n e r a t es u r f a c em a c h i n i n gc o d so nm a s t e r c a ma n di m p r o v em a c h i n i n gq u a l i t yi np r a c t i c e b a s e do nt h ea n a l y s i sf o rt h ep e r f o r m a n c e ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dw o r k f l o wo fm a s t e r e a m 。t h e m a c h i n i n ge r r o ro fm u l t i a x i sn cm a c h i n i n gf o rf r e e f r o ms u r f a c ej sd i s c u s s e d af o r e c a s ta p p r o a c hf o r t h em u l t i - a x i sm a c h i n i n ge r r o ri sp r o p o s e da n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o m p e n s a t em e t h o df o rt h em a c h i n i n g e r r o ri sg i v e n t h es c a l l o p - h e i g h tg e n e r a t i o nj sa n a l y z e da c c o r d i n gt ot h ew a yo ft h ec u t t i n gb r e a d t hs e t a n dt h et h e o r yr o u g h n e s sd e g r e eo ft h ef r e es u r f a c ei nm u i r j a x i sn cm a c h i n i n gw i t hm a s t e r c a mi s f o r e c a s t e d t h ew a yt oi m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ef r e es u r f a c ei nm u l t i a x i sn cm a n u f a c t u r i n gi sg i v e n u s i n gt h ep r o p o s e df o r e c a s ta n dc o n t r o lm e t h o d so fm a c h i n i n ge r r o ra n dc o a r s ed e g r e e t h em e t h o da n d s k i l 】o fh o wt om o d i f yaf l o r m a lp o s tp r o c e s s i n gf i l eo fm u l t i a x e ss y n c h r o n o u sm a c h i n i n gw i t h m a s t c r e a mt oas p e c i f i e dn cs y s t e ma r ei n t r o d u c e d t h e o r ya n a l y s i sa n de x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o d sa r ef e a s i b l e k e yw o r d s ：m a s t e r c a m ；m u i t i a x i sn cm e h i n i n gf o rs u r f a c e ；t h ec u r t i n gb r e a d t h ： r o a c h i n i n gm e t h o de r f o r ：f o r e c a s t i n t r o d u c t i o no f t h ea u t h o r ：s h ix i a o f a n gw a sb o r no na u g u s t2 8 1 9 6 7 s h ei sa ne n g i n e e ri nt h e c o l l e g eo fm e c h a n i c le n g i n e e r i n ga tj i a n g s ut e a c h e r su n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ，a n dr e c e i v e dh e rb si n 基于m a s t e r c a m 的曲面 多轴r o t 技术的研究 工程硕士研究生姓名：施晓芳指导教师： 吴玉光教授工程领域；机械工程 摘要：曲面加工是产品加工中最复杂的一类，通常需要多轴联动加工。本文基于m a s t e r c a m 研究的曲面多轴加工相关技术，主要研究加工方法误差和行距残脊高度的预测和控制，对在 m a s t e r c a m 平台上生成曲面加工代码，提高加工质量有一定的实际意义。 论文在分析综述m a s t e r c a m 性能、特点和t 作流程的基础上，分析了曲面多轴加工的加工方 法误差米源，研究了多轴加工方法误差预测的方法并给出了相应的补偿方法；根据m a s t e r c a m 曲 面多轴加t 行距设置方式分析了由行距引起的残脊高度，给出了基于m a s t e r c a m 曲面多轴加 二的 理论粗糙度的预测方法；利用所提出的加_ t 误差、行距、粗糙度的预测和控制方法，研究了 m a s t e r c a m 曲面多轴加工的加t 质量的提高途径；提出了将基于m a s t e r c a m 的四轴加工的p s t 后处 理文件修改成为满足特定数控系统要求的后处理文件的方法与技巧。 分析和试验表明本文提出的方法可行有效。 关键词：i i a s t e r c a m 、曲面多轴加工、行距、，j n - r 方法误差、预测 作者简介：施晓芳，女，1 9 6 7 年生，工程师；工作单位：江苏技术师范学院机械 工程学院，2 0 0 2 年于江苏技术师范学院毕业并获工学学士学位。2 0 0 5 年9 月从师于 河海大学机械工程专业吴玉光教授。 r e s e a r c ho rm m i t i a x i sn ci n c h i n i n gf o rf r e e f o r m s u r f a c eb a s e do rm a s t e r c a m c a n d i d a t e ：s i l lx i a o f a n ga d v i s o r ：p r o w uy u g u a n g m e n g f i e l d ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g a b s t r a e t ：m u l t i a x i sn cm a c h i n i n gf o rf r e e f r o ms u r f a c aj sv e r yi m p o r t a n tl np r o d u c tm a n n f a c t u r i n g t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u so nt h ef o r e c a s ta n dc o n t r o lo fm a c h i n i n gm e t h o de r r o ra n ds c a l l o p h e i g h t ，a n d m a k e sas y s t e m a t i cs t u d yo nm u l t i a x i sn cm a c h i n i n gt e c h n i q u eu s i n gm a s t e r c a ms o f t w a r e i tj sv a l u a b l e t og e n e r a t es u r f a c em a c h i n i n gc o d so nm a s t e r c a ma n di m p r o v em a c h i n i n gq u a l i t yi np r a c t i c e b a s e do nt h ea n a l y s i sf o r t h ep e r f o r m a n c e ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dw o r k f l o w o fm a s t e r c a m t h e m a c h i n i n ge r r o ro fm u l t i a x i sn cm a c h i n i n gf o rf r e e f r o ms u r f a c ei sd i s c u s s e d af o r e c a s ta p p r o a c hf o r t h em u l t i a x i sm a c h i n i n ge r r o ri sp r o p o s e da n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o m p e n s a t em e t h o df o r t h em a c h i n i n g e r r o r ；sg i v e n t h es c a l l o p h e i g h tg e n e r a t i o ni sa n a l y z e da c c o r d i n gt ot h ew a yo ft h ec u t t i n gb r e a d t hs e t a n dt h et h e o r yr o u g h n e s sd e g r e eo ft h ef r e es u r f a c ej nm u l t i a x i sn cm a c h i n i n gw i t hm a s t e r c a mi s f o r e c a s t e d t h ew a yt oj m p r o v et h eq u a i l t yo ft h ef r e es u r f a c ei nm u l t i - a x i sn cm a n u f a c t u r i n gi sg i v e n u s i n gt h ep r o p o s e df o r e c a s ta n dc o n t r 0 1m e t h o d so fm a c h i n i n ge r r o ra n dc o a r s ed e g r e et h em e t h o da n d s k i l lo fh o wt om o d i f yan o l q l l a l p o s tp r o c e s s i n gf i l e o fm u l t i a x e ss y n c h r o n o u sm a c h i n i n gw i t h m a s t e r c a mt oas p e c i f i e dn cs y s t e ma r ei n t r o d u c e d ， t h e o r ya n a l y s i sa n de x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o d sa r ef e a s i b l e k e yw o r d s ：m a s t e r c a m ；m u i t i a x isn or o a c h i n i n gf o rs u r f a c e ；t h ec u t t in gb r e a d t h ： m a c h i n in gm e t h o de rr o r ；f o r e c a s t i n t r o d u c t i o no f t h e a u t h o r ：s h i x i a o f a n g w a sb o r no n a u g u s t2 8 1 9 6 7s h e i sa ne n g i n e e r i n t h e c o l l e g eo f m e c h a n i c le n g i n e e r i n ga tj i a n g s ut e a c h e r su n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y a n dr e c e i v e dh e rb si n m e c h a n i c a le n g i n e e r i n gf r o mj i a n g s ut e a c h e r su n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y ，c h i n a s h ew a su n d e rt h e g u i d a n c eo f p r o f w uy u g u a n go ns e p t e m b e r1 2 0 0 5 第一章绪论 1 1 数控编程技术的发展历程 数控编程技术经历了手工编程、a p t 语言编程、交互式图形编程。 手工编程( m a n u a lp r o g r a m m i n g ) 是指编制零件数控加工程序的各步骤均由人工编 程来完成的，它只能解决点位加工或几何形状不太复杂的零件编程问题。因为在这些 情况下数控编程的计算比较简单，程序量小。但对轮廓形状不是由简单的直线、圆弧 组成的复杂零件，特别是对于轮廓形状比较复杂的零件或者复杂的空间曲面，因数值 计算复杂，工作量大，容易出错，且很难校对，采用手工编程是难以完成的。因此， 为了缩短生产周期，提高数控机床的利用率，有效地解决各种模具及复杂零件的加工 问题，采用手工编程已不能满足要求，必须采用自动编程来进行处理【l 】。自从1 9 4 6 年出 现第一台计算机开始，人们就不断地尝试将计算机技术引入到传统的机械设计和制造 领域。特别是1 9 5 1 年美国p a r s o n s 公司和麻省理工学院( m i t ) 研制成了数控三坐标铣 床，实现了利用不同数控程序对不同零件的加工，首先出现了现代柔性自动化制造的 原型。因此自第一台数控机床问世不久，为了适应数控铣床加工各种复杂形状零件的 需要，麻省理工学院又开始研制数控自动编程系统，于2 0 世纪5 0 年代末研制成功了批 处理语言系统的数控自动编程系统a p t ( a u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m i n gt 0 0 1 ) ，该系统用专 用语言描述加工零件的几何形状及进刀和走刀方法，还有大量的辅助语句用于描述加 工过程各种工艺参数，如进给率、加工余量等，这种用语言描述零件几何形状及加工 过程的程序称为“零件源程序”，这种源程序经过批处理运算后可以输出刀位点数据， 再经过后嚣处理，生成可执行的控制代码。这种系统是最初的计算机辅助编程系统， 它避免了手工处理大量复杂计算的工作，显示了计算机在机械制造领域广阔的应用前 景陋。a p t 语言经过不断的发展，功能逐渐完善，已经能承担复杂曲面的加工编程工 作。随后相继出现了许多商品化的c a d 设备和软件系统，例如美国的i b m 公司开发了 以大型机为基础的c a d c a m 系统【2 j ，该系统具有绘图、数控编程和强度分析的功能； 美国通用汽车公司研制的d a c 1 系统【2 1 ，用以实现各个阶段的汽车设计；还有洛克希德 飞机公司的c a d c a m 系统，具有计算机辅助设计、分析和数控编程一体化的功能等。 这一阶段，在制造领域也出现了许多技术上的进步。但是，由于当时计算机处理图形 的能力不强，原本十分直观的几何图形和加工过程必须在a p t 源程序中用语言的形式 去描述，再由计算机生成加工程序，编程过程十分复杂且不宜掌握，目前已逐渐被交 互式图形编程系统所替代。 交互式图形编程是自2 0 世纪5 0 年代以来发展起来的系统。图形交互式自动编程 通过专门的计算机软件来实现。所谓交互式图形编程，是指在计算机屏幕上以零件的 第一章绪论 几何模型为基础，采用鼠标、键盘等工具交互地指定要加工的零件表面、切削刀具、 加工方法、加工参数和加工顺序，而后由计算机运算生成零件加工的刀具轨迹，然后 交互地对其修改，最后进行仿真和校核刀具轨迹并输出数控指令。它具有速度快、精 度高、直观性好、使用简便、便于检查和修改等优点，自2 0 世纪5 0 年代以来，c a d c a m 已经发展成为现代工业不可缺少的一部分，是2 0 世纪最杰出的工程技术成就之一。对 c a d c a m 技术研究、开发、推广应用的程度是衡量一个国家的现代化水平的重要标 志。 2 0 世纪6 0 年代中期n 2 0 世纪7 0 年代中期是c a d c a m 技术趋于成熟的阶段，随着计 算机硬件的发展，以小型机、超小型机为主的c a d c 舢“软件进入市场，1 9 6 7 年，英国 的莫林公司建造了一条由计算机集中控制的自动化制造系统。7 0 年代初，美国的辛辛 那提公司研制了一条f m s 系统，即柔性制造系统。2 0 世纪8 0 年代是c a d c a m 技术迅速 发展的时期，超大规模集成电路的出现，使计算机硬件成本大幅度地降低，计算机外 设也迅猛发展成为系列产品，为推动c a d c a m 技术向高水平发展提供了必要的条件。 从2 0 世纪9 0 年代起，c a d c a m 技术已不再停留在由过去单一模式、单一功能、单一领 域的应用，向标准化、集成化、智能化、网络化方向发展【2 】。 随着微电子技术的发展，计算机的运行速度和图形显示质量不断提高使得交互式 图形编程技术得以实现并迅速发展。交互式图形编程改变了a p t 不直观的缺陷，整个 编程过程都是由工程师和计算机在屏幕上交互地进行。 在数控编程技术的发展过程中，图形编程技术获得了极大的成功。目前，国内外 大多数c a d c a m 系统都应用交互式图形编程技术，如国外的m a s t e r c a m 、c i m a t s o n 和 c a n a 等，国内的c a x a m e 、n p u 等。基于交互式图形编程技术的c a m 软件正方兴 未艾，每年都涌现出大量的新产品和新方法，其应用范围覆盖了机械、电子、航空航 天、汽车、造船、建筑、服装、模具和家电等各个行业。 1 2 m a s t e r c a m 软件的数控技术 1 2 1m a s t e r c a m 软件简介 m a s t e r c a m 软件是美国c h i cs o f t w a r e 公司开发的c a d c a m 系统，是最经济有效 的全方位的c a d c a m 软件系统。作为全球广泛使用的c a d c a m 软件之一，m a s t e l 陀a m 给工业界提供了功能强大、定位精确、易学易用的c a d c a m 工具。m a s t e r c a m 集c a d 与c a m 于一体，是一套完整的c a d c a m 系统，也是我国目前机械加工行业使用最普 遍的一种软件，广泛应用于航空航天、汽车、模具、化工等领域，尤其是在模具设计、 制造方面得到了市场的认同，是当今p c 级c a d c a m 软件中装机率高，使用用户多 2 第一章绪论 的软件。其功能模块包括设计、数控铣、数控车、电火花线切割等模块，它可用于数 控车床、数控铣床、数控镗床、加工中心和数控线切割机床等，而且能适应于多种数 控装置的机床。对硬件要求不高，使用、安装都很方便。该软件使用方便，容易掌握， 被广泛用于机械制造业和模具行业中的零件二维绘图、三维设计、数控自动编程与加 工。用户还可以将a u t o c a d 、p r o e 、u g 等软件绘制的c a d 图形调入m 嬲c c i m 中， 实现c a d c a m 一体化【4 ，“。 m a s t o l - c a m 软件产品的设计制造一般分为c a d 、c a m 及后处理0 o s n 等3 个步骤。 c a d 的功能是生成机械加工中工件的几何模型。c a m 的功能是生成一种通用的刀具位 置( 刀具路径) 数据文件( n c i 文件) ，该文件包含加工中进刀量、主轴转速和冷却控制 等指令。后处理则是使用c n c 控制器相应的后处理器将n c i 文件解译成用户c n c 控制 器可以解读的n c 码。有了c a d 模型后，就可利用c a m 系统提供的多种形式的刀具路径 功能进行数控编程。 1 2 2m a s t e r e a m 软件系统的曲面多轴加工方法 数控机床的特点之一是能够加工具有三维曲面形状的零件。m a s t e r c a m 中的曲面加 工系统可以生成三维刀具加工路经，以产生数控机床的控制指令。 l 、m a s t e r c a m 软件系统的曲面三轴加工类型 三轴曲面加工系统中，用于加工的刀具轴始终垂直于刀具面，其生成的n c 文件 仅适用于3 轴数控加工机械。m a t e r c a mmt 过程中，三轴加工曲面刀具路径比二维路 径复杂，大多数曲面加工都需要粗加工和精加工，所以m a t e r c a m 中曲面刀具路径包括 r o u g h ( 粗加工) 和f i n i s h ( 精加工) 。 1 ) 三轴曲面加工类型1 4 】 三轴曲面粗加工类型： p a r a l l e l ( 平行铣削) ：平行铣削指沿着特定的方向产生一系列的平行的刀具路径。 通常用于加工单一的凸体或者凹体。 r a d i a l ( 放射状) ：放射状铣削指生成放射状的粗加工路径，常用于加工类似圆形 的零件，其主要特点是中心对称。 f l o w l i n e ( 流线加工) ：流线加工指沿着流线方向生成刀具路径。 c o n t o u r ( 等高轮廓加工) ：等高轮廓加工指沿着曲面的外形轮廓生成的刀具路径。 p r o j e c t ( 投影加工) ：投影加工指将已有的刀具路径或者几何图形投影到选择的曲 面上生成刀具路径。 r e s t m i l l ( 残料加工) ：残料加工指将由于刀具选择过大或者加工方式不合理而残 留在零件表面的材料去除的加工。 p l u n g e ( 插削加工) ：插削加工指切削所有位于曲面与凹槽的边界材料的粗加工。 第一章绪论 三轴曲面精加工类型： p a r a l l e l ( 平行铣削) ：和平行铣削的粗加工类似，只是生成的是精加工的刀具路径。 r a d i a l ( 放射状) ：和放射状的粗加工类似，只是生成的是精加工的刀具路径。 f l o w l i n e ( 流线加工) ：和流线加工的粗加工类似，只是生成的是精加工的刀具路 径。 c o n t o u r ( 等高轮廓加工) ：和等高轮廓加工的粗加工类似，只是生成的是精加工的 刀具路径。 p r o j e c t ( 投影加工) ：和投影加工的粗加工类似，只是生成的是精加工的刀具路径。 l e f t o v e r ( 清除残料) ：和粗加工中的r e s t m i l l ( 残料加工) 类似，只是生成的是精 加工的刀具路径。 s h a l l o w ( 浅平面3 h i ) ：浅平面加工用于清除曲面浅面积部分残留材料的精加工的 刀具路径。 p e n c i l ( 交线清角) ：交线清角用于清除曲面间的交角部分残留材料的精加工的刀 具路径。 s c a l l o p ( 环绕等距) ：环绕等距生成一个等距环绕工件曲面的精加工刀具路径。 p a r s t e e p ( 陡斜面加工) ：陡斜面加工生成用于清除曲面斜坡上残留材料的精加工 的刀具路径。 2 、m a s t e r c a m 软件系统的曲面四轴、五轴曲面加工类型 m a s t e r c a m 的多轴加工系统可以生成供4 轴、五轴加工机械使用的n c 文件。5 轴 加工机械是指刀具除了在x 、y 、z 方向平移外，刀具轴( 工作台) 则可以绕x 轴和y 轴转动。4 轴加工机械是指刀具除了在x 、y 、z 方向平移外，刀具轴( 工作台) 则可 以绕x 轴或绕y 轴转动。是指数控加工中心的x ，y ，z 三个移动坐标和绕x 或y 轴 旋转的一个转动坐标a 或b 中的任意四个坐标的线性插补运动。 m a s t e i c a m 4 轴、五轴加工是其加工模块中的一部分，也是最为复杂的一种加工方 法。随着数控机床高速技术的推广及应用，相关技术发展也越来越成熟，机床成本随 之下降，而且零件的加工要求也越来越高，零件表面质量很高，有时甚至在不修磨得 前提下达到0 8 单位的表面粗糙度。 1 ) 五轴曲面加工类型： 五轴曲面流线加工( f l o w 5 a x ) 五轴曲面加工( m s u r f s a x ) 2 ) 四轴曲面加工类型： 四轴曲面流线加工( f l o w 5 a x ) 四轴曲面加工( m s u r f 5 a x ) 1 2 3m a s t e r e a m 软件系统的c a d c a m 数控编程加工流程 4 第一章绪论 m a s t e r c a m 软件系统的c a d c a m 的作业流程主要包括：零件造型、加工方案设 计、工艺处理、刀具轨迹设计、刀具路径模拟与加工仿真、后置处理、生成刀位文件 与n c 文件、数据通信与n c 加工。m a g t c r c a m 软件系统的c a d c a m 数控编程加工流 程如图1 1 所示。 图1 1m a s t e r c a a n 软件系统的c a d c a m 数控编程加工流程 零件造型 用户可以利用m a s t e r c a m 软件系统提供的c a d 模块直接建立加工模型。也可以通 过文件转换从其它c a d c a m 系统获取零件几何模型。 加工方案设计 加工方案设计的主要内容是加工步骤、加工方法选择。在数控编程中这是一部分 重要又有难度的工作。 刀具轨迹设计 第一章绪论 走刀步长、行距、行高、加工误差设置、切削方式、刀具补偿方式以及多轴加工 中的刀轴倾斜角度、刀轴控制方式都决定刀具轨迹。 刀具路径模拟与加工仿真 根据刀具路径模拟加工过程和加工仿真结果，对刀具路径的合理性作出判断，可 以返回刀具轨迹设计进行修改。 后置处理 为了得到c n c 控制器可以识别的n c 代码，需要进行后处理。 1 3 基于m a s t e r c a m 曲面多轴加工技术研究的状况 曲面广泛应用于各行领域，在相当多的领域中，如：高精度摸具、汽车、航空以 及武器等。对曲面的尺寸精度和表面质量要求高，这就对曲面的加工提出较高的要求。 目前，可采用三坐标联动、四坐标联动、五坐标联动的数控加工方法来完成曲面的加 工。 四轴、五轴联动加工可以加工更高质量、更复杂的曲面与曲线。数控加工的质量 与效率，很大程度上取决于所编程序的合理与否。 图形交互式自动编程直接将零件的几何图形信息自动转化为数控编程，并具有精度 高、直观性好、便于检查等优点。因此，这种方法已成为目前国内外先进的c a d c a m 软件所采用的数控编程方法，使得四轴、五轴联动加工编程中存在的问题得到了解决， m a s t e r e a m 的v 9 版提供了五轴加工的方法，同时也提供了四轴加工的方法，已达到实 用化阶段。而且多轴曲面加工编程能编制出手工编程无法做到的复杂曲面的n c 程序。 目前，在中国的企业中大多数都拥有数控机床，但一些企业的技术部门在技术研 发方面使用a u t o c a d 进行产品设计造型。同时在制造方面，虽然拥有许多高精度设 备，但设计的数据并不直接应用于生产，数控设备的程序由人工手写完成。一些企业 拥有m a s t e r c a m 数控软件，能应用m a s t e r e a m 软件生成零件多轴加工数控程序，但对 m a s t e r c a m 软件只是简单的使用。 国内的一些企业和高校对m a s t e r e a m 多轴加工的工艺性问题和三轴曲面加工方法 的应用场合进行了一些研究和分析。文献m 介绍m a s t e r c a m 对于具体零件进行曲面造 型的方法、n c 加工工艺路线的设计、刀具选择、切削余量的确定、加工方法的选择。 文献悼叫主要对m a s t e r e a m 的精加工方法进行了介绍和比较，并且对其应用场合进行了 分析，比较了加工工件的尺寸精度和表面粗糙度、零件的加工时间、自动编程所生成 的代码长度和代码行数。王华侨等【l0 j 分析了m a s t e r e a m 多轴数控铣削加工编程的功能和 应用场合。陈静刚等1 1 l j 针对昆氏曲面特性，对反凹背切成型板块进行刀路规划及工艺 改进，对刀路进行综合优化，保证了产品的合格率及质量。李丽梅n 2 】分析5 轴加工拔模 角面的应用。目前基于m a s t e r e a m 数控多轴加工技术的研究方面主要从应用的角度介绍 6 第一章绪论 其各种加工方法，比较各种曲面加工方法对不同零件的加工效果，提出m a s t e r c a m 针对 某一零件从数控工艺安排方面提高加工质量的方法。而并没有基于m a s t e r c a m 从加工方 法误差的补偿和行距残脊高度的控制来提高加工质量。 也有一些文献【1 3 4 j 舅6 对m a s t e r c a m - - 轴、五轴后处理文件进行研究，廉良冲掣1 3 1 提出了三轴加工后置处理文件部分内容的修改方法。王华侨【1 4 1 介绍了2 5 轴加工后置处 理文件的结构及提出了对5 轴后处理文件的修改的方法。战祥乐【”l 提出针对m a s t e r c a m 三轴加工的后处理的设置技巧。王华侨【1 6 】针对m a s t c r c a m 软件平台提供的数控五轴铣 削加工编程功能从五轴铣削加工机床的典型配置、五轴铣削加工刀具轴矢量控制方式， 五轴铣削加工后处理程序的研制开发等多个方面的关键技术进行了比较详细的介绍。 但比较实用的四轴曲面n - r 后处理文件的研究是一个空缺。 文献【”1 研究曲面数控加工表面粗糙度值的影响因素，提出利用计算机仿真技术对 粗糙度值的一种预测方法，并没有基于数控加工软件在实际加工中对粗糙度值进行有 效的预测和控制。文献【l8 l 对自由曲面数控加工中的非线性误差进行了分析，分析其影 响因素，给出了球刀三轴曲面加工的计算模型。没有给出球刀五轴曲面加工的计算模 型，没有基于数控加工软件在实际加工中对非线性误差进行有效的预测和补偿控制。 1 4 本文的工程背景 常州x 机械厂在产品技术上具有自主开发能力，在机械制造方面，拥有三台 数控车床、一台加工中心、三台数控铣床、两台数控冲床。加工能力和加工精度较高。 该厂主要从事某一类机械产品的开发、制造，承担多种机械零件的加工等等。在技术 引进、消化和开发上技术部门采用a u t o c a d ，用手工编程进行数控加工。对于曲面 模具加工和具有自由曲面的零件加工采用拼模和靠模的方法在数控铣床和加工中心来 完成。其新产品曲面机座的曲面和汽车覆盖件模具的轮廓精度要求较高，该厂在加工 前不能预测轮廓加工精度与粗糙度值，不能利用软件来进行加工方法误差的补偿，为 了提高曲面的轮廓加工精度( 降低加工方法误差) ，该厂使用直径较小的刀具加工的方 法，在实际加工时由于刀具直径较小使表面粗糙度增大和进给率降低，并且刀具因直 径较小而刚性不足，曲面加工的轮廓精度提高很小，刀具在加工过程中容易折断。 该厂数控加工中心配置了德国西门子公司生产的s i n u m e r i k 8 4 0 d 数控系统，如 果利用m a s t e r c a m 软件进行加工制造，因m a s t e r c a m 软件没有s i n u m e i u k 8 4 0 d 的后 处理文件，每次生成的数控程序靠手工修改，编程效率低。 1 5 本文的研究目标与内容 1 5 1 本文的研究目标 7 第一章绪论 结合基于m a s t e r c a m 系统软件多轴曲面加工技术的研究现状和本文的工程背景， 确定本文的研究目标是：基于m _ a s t e r c a m 系统软件提出可行的多轴加工曲面加工方法 误差、粗糙度的预测方法，及加工方法误差的补偿的方法，从而实现对曲面加工的零 件的质量的预测和控制。提出提高曲面加工效率的途径。基于m a s t e r c a m 软件后处理 文件特别针对四轴加工修改或设计成能适用于不同的数控加工中心的后处理文件。 1 5 2 本文的研究内容 运用m a s t e r c a m 系统软件产生多轴加工的刀具路径后，对零件曲面多轴加工的加 工方法误差进行分析，给出基于m a s t e r c a m 对加工方法误差进行预测，对加工方法误 差进行补偿的技术，减少加工方法误差；通过对m a s t e r c a m 行距设置方式的研究，给 出基于m a s t e r c a m 行距残脊高度的预测方法，并综合进给残留面积高度得到曲面加工 表面粗糙度的预测方法，从而控制零件的加工质量；通过研究提出提高曲面加工效率 的途径。通过分析比较三轴、四轴、五轴曲面精加工方法得到加工误差最小、加工质 量最好、加工速度最快的多轴加工方法。并通过对m a s t e r c a m 多轴加工后处理文件的 有针对性的二次开发使m a s t e r c a m 软件多轴加工后处理文件能适用于不同的数控加工 中心，给出四轴曲面加工的后处理文件的设计，使m a s t e r c a m 软件更具有实用性。 1 6 本文的组织结构 根据本课题的研究目标与内容，将论文分为以下几个部分： 1 ) 绪论。包括数控编程技术的发展历程、基于m a s t e r c a m 曲面多轴加工技术研究 的状况及论文的工程背景，并简单介绍了本文的研究目标与内容。 2 ) 基于m a s t e r c a m 的自由曲面多轴数控加工的加工方法误差、粗糙度对比分析、 预测及控制。包括基于m a s t e r c a m 的自由曲面多轴数控加工的行距研究，基 于m a s t e r c a m 的曲面多轴数控加工方法误差的预测及补偿技术研究，基于 m a s t e r c a m 的自由曲面多轴数控加工的理论粗糙度的对比分析与预测，基于 m a s t e r c a m 的曲面多轴数控加工效率的比较。 3 ) 基于m a s t e r c a m 的多轴加工的p s t 后处理文件的研究。包括多轴联动加工的 后处理文件的选择，四轴联动加工的后处理文件的修改 4 ) 实例。介绍了有代表性的实例加工 5 ) 总结与进一步的研究。文章的最后对课题的主要成果进行了总结，提出了论文 中存在的不足，并指出了后续工作的重点。 8 第二章基于m a s t e r c a m 的曲面多轴数 控加工的加工方法误差、粗糙度对比分析、预测及控制 自由曲面多轴数控加工的加工方法误差、粗糙度影响加工零件的表面质量，而由 行距产生的残脊高度影响加工表面粗糙度。因此也必要对m a s t e r c 锄不同加工方式的 行距设置方式作研究，从而预测行距残脊高度或刀触点行距。 2 1 基于a s t e r c a m 的曲面多轴数控加工的行距研究 一般曲面零件的数控加工通常采用球头铣刀。主要以下几点原因： 1 ) 使用其它形状刀具加工曲面时往往容易导致加工过程干涉而损伤相临表面。 2 ) 使用球头铣刀加工时，零件形状与走刀方向的变化对加工行距的影响较小。 3 ) 球头铣刀端铣加工三维曲面，刀轴矢量可以根据被加工曲面的形状和约束面的 形状和位置而改变。 因此球头铣刀可用在三坐标、四坐标和五坐标联动的方法中对零件进行加工。球 头铣刀数控加工曲面时多按行切法加工，即铣刀沿坐标轴方向或参数轴方向对曲面一 行一行进行加工，每加工完一行后，铣刀移动一个行距，直至将整个曲面加工完毕。 切削点的行距的大小直接影响曲面的加工精度与加工效率。行距值过小将使加工时间 增加，同时还导致编程效率的下降及程序的膨胀。行距值过大时，曲面的表面残脊高 度增大，使表面粗糙度值增大，后续处理加工量加大，整体效率降低。因此，为了既 满足表面粗糙度的要求，又要有较高的生产效率，应在满足残脊高度要求的前提下使 切削行距尽可能增大。 一般情况下行距残脊高度是切削行距、刀具半径及曲面局部曲率半径的函数。曲 面的形状可分为凸曲面，凹曲面和平面三种。行距残脊高度的公式可根据凸曲面、凹 曲面和平面三种不同情况推导出来。本节基于m a s t e r c a m 行距设置进行进一步的研究 并给出残脊高度的预测方法。 在数控加工中，作用在刀具上的两个位置点应特别予以重视，一是刀触点，另一 为刀位点。刀触点即为加工过程中刀具与工件实际接触点，由它产生最终的切削效果， 而刀位点是刀具编程位置的坐标点。本文在研究切削行距时，为了准确计算残脊高度 将切削行距分为刀触点行距和刀位点行距。 以下分析的三轴、四轴、五轴曲面加工的进给运动方向都以同一个方向。 2 1 1 曲面三轴数控加工行切法产生的残脊高度分析 9 第二章基于m a s t e r e a m 的曲面多轴数控加工的加工方法误差、辊糙度对比分析、预测及控制 用球头铣刀对曲面进行行切法加工时，会在加工表面留下一段较为明显的残脊高 度( s c a l l o p h e i g h t ) 。用球头铣刀加工后的曲面的轮廓，是由相当多的包络线和包络线 问的局部球面组成，球面相交留下尖点，尖点到理论曲面的距离称为残脊高度【1 9 1 ，如 图2 1 所示h 为残脊高度。 1 ) 加工凸曲面残脊高度的分析 对于凸曲面，a 、b 、g 为刀位点，可取a 点或b 点的曲率半径近似作圆，如图2 1 所示，残脊高度的分析如下： h = o f - f e - o d f e = 而 ：r 2 巫( r + r ) z s a 出脚军 州m ，匝r 一乒雾一r 三轴凸曲面加工行距残脊高度的计算模型为： 1 0 第二章基于m 衙c 锄的曲面多轴数控加工的加工方法误差、粗糙度对比分析、预测及控制 日：，t r 2 _ i s , 2 + j 二= _ 二j 4