复杂曲面的数控加工技术研究及应用毕业论文.doc

河南科技大学毕业设计说明书（机电一体化工程）地 市： 郑州市 准考证号： 010511103408 姓 名： 河南省高等教育自学考试高等教育自学考试毕业设计任务书一、题目 复杂曲面的数控加工技术研究及应用 二、本环节自 2011 年 1 月 14 日起至 2011 年4 月 20 日止三、进行地点 河南职业技术学院 四、内容要求 查阅相关资料、收集、整理；确定论文提纲，理清书写思路，进行必要的计算分析；按时完成初稿；根据指导教师的意见修改；按时完成修改稿交指导教师审阅；根据指导教师的意见完成定稿。指导教师：批准日期：高等教育自学考试毕业设计指导老师意见书指导老师职称副教授年 月 日高等教育自学考试毕业设计评阅意见书评阅老师职称年 月 日高等教育自学考试毕业设计答辩成绩评定书评 语：成绩总评：答辩委员会主任：答辩小组 组长：答辩小组 成员：年 月 日摘 要 数控技术和数控装备是机械制造业的重要基础，是一个国家工业现代化水 平的重要标志之一。本文研究主题是复杂曲面的数控加工技术，通过对复杂曲 面数控加工过程中的各项关键技术分析，重点研究以下四个方面的问题：工程 图表的数学处理；复杂五轴数控加工程序的编制；高速加工技术的应用和五轴 数控加工后置程序的开发。对测量得到复杂曲面零件的图表数据进行了数学处 理，使之能够满足数控加工的需要；以五轴联动数控加工作为复杂曲面零件高 效的制造方法，阐述了五轴数控加工所涉及的关键技术，其中包括刀具轨迹的 驱动方式和刀具轴线的驱动方式；分析了项目研制双摆头五轴联动数控加工中 心的结构模型并对其结构误差进行了测量与补偿；研究了五轴数控加工后置处 理程序开发的方式和过程，对机床结构误差做出了相应的补偿；对典型的复杂 曲面零件一人头像的数控加工提出了加工方案，并实现了基于典型的CADCAII软件UG的多轴编程和后置处理程序的开发，采用合适的刀具轨迹控制方式，设定适当的刀具轴线控制方法，得到了符合高速加工理念的刀具运动轨迹和数控加工程序；通过该课题研究，可为五轴联动数控加工方案的制定提供了参考，有利于五轴数控加工技术的应用。 关键词：五轴数控机床；CAM；数控编程；后置处理 Abstract目录摘要 -611课题研究背景-812课题目标 -91.3课题意义 -10第2章曲面数据列表数学处理方法的研究 -112.1小二乘法及拟合方法 -1122程数表的第二次数学处理-1222.1等参数逼近散发的方法和特点-12222等步长逼近离散法的方法和特点-13223等误差逼近离散法的方法和特点-1523本章小结 -15第3章复杂曲面五轴数控加工的研究-1631五轴数控加工的应用问题 -1632五轴联动数控加工编程的关键技术 -17321数控编程方法 -17322曲面的加工工艺分析-17323五轴数控加工的刀具驱动控制 -18324数控加工刀具的选择-2133复杂曲面的数控加工误差分析和补偿 -22331五轴数控加工凸曲面时的误差-22332五轴联动数控加工凹曲面时的误差-26333编程影响误差因素分析补偿 -2734高速加工技术及应用 -3235本章小结 -32第4章五轴联动数控加工后置处理程序开发 -33 41后置处理程序的概念 -334.2五轴后处理程序开发的两种方法 -344.2.1刀具中心位置编程处理-34422旋转轴中心编程处理RTCP(Rotation Tool Centre)4. 3五轴机床双摆头轴的零点标定和结构误差的标定 -34431 B轴的零点标定-3543.2 C轴零点标定-3543.3C轴轴线和B轴轴线的位置关系的标定-3643.4分析数据结果-37435实验结果分析如下-3844本章小结 - 40第5章五轴数控编程实例51多轴数控机床的结构模型 -4152五轴数控加工的程序编制 - -4253本章小结 - -43第6章总结展望 -44致谢 - - 45 11课题研究背景 数控加工技术一直以来都作为一个国家的机械制造业水平的衡量标志之 一。近几年来，作为机械加工领域的关键技术之一，五轴联动数控加工技术的 研发和应用得到了科研院所、高校和企业的极大关注。国内已有数家机床公司 开发了五轴联动加工中心，华中数控、广州数控和南京四开等数家公司也开发 了自己的五轴数控系统。因此复杂形状零件的加工技术由于五轴联动数控加工 中心的应用得到了突破的可能。国外在此已经有了成熟的技术应用体系。而国 内尚处于发展阶段，应用方面的缺陷已经成为提高复杂关键零件制造水平的一 大瓶颈问题，直接影响了机械制造业的发展阮。本课题针对复杂曲面的若干关键技术(几何建模技术、数控编程、加工技术)进行研究。基于五轴联动数控加工复杂形状零件的制造加工过程的各个关键要素得到了研究。旨在研究复杂曲面的制造技术在五轴联动数控加工的应用，为推广五轴数控加工技术研究和应用提供技术支持。 五轴联动数控加工的特点： 所谓五轴联动加工是指一台机床上五个坐标轴同时控制协调运动进行加 工五轴联动加工一般是指三个坐标轴和两个转动轴同时协调加工，旋转轴的 参与是刀具切削过程中始终处于最佳的切削状态成为了可能。五轴联动数控加 工与一般的三轴联动数控加工相比，主要有以下优点： 1)通过定义适当的刀轴变化，可以避开刀具干涉，能够加工一般三轴数控 机床所不能加工的复杂曲面。 2)适合于直纹面的加工，采用侧面铣削的方法，能够实现一刀精加工成型， 挺高了加工质量和效率。 3)对曲率半径大且变化较小的大型曲面，采用大直径刀具端面铣削，能够 实现刀具大跨度切削，从而可以显著地提高加工表面质量和加工效率。 4)刀轴的可变化使复杂零件一次装卡加工空间多个表面，实现了多工序的 集中加工，有利于提高各加工要素的相互位置精度。12课题目标 分析复杂零件五轴数控过程中的关键技术问题，为五轴数控加工技术的广 泛应用提供技术指导。 复杂曲面的建模技术：复杂零件的建模是数控加工编程的基础。其中对工 程图表的数学处理是关键的技术难题。 五轴数控编程技术：五轴数控编程难度大是该技术应用的瓶颈问题，对刀 具轴线的合理控制是研究的关键问题，其中，刀具轨迹的驱动方式也是提高提 高加工质量的关键因素所作。高速加工技术是近年来机械加工技术发展方向之 一。影响其应用的各个要素是本课题研究的重点之一。 五轴加工的后处理程序开发：后处理程序是数控加工的关键一环，其可靠性是数控加工安全性和加工质量得以保证的前提。对项目中研发的五轴机床进行结构和误差分析，为结构改进和误差补偿提供依据。 13课题意义 本课题通过对复杂曲面数控加工的若干关键技术(几何建模技术，数控加 工技术)进行研究。基于五轴联动数控加工的复杂形状零件的设计加工过程的 各个要素得到了考虑。旨在研究复杂曲面的制造技术在五轴联动加工中心的应 用。五轴联动数控技术不仅提高了机械加工的生产效率，更重要的是主要应用 在航空航天，军工模具等行业。对于实现国防现代化有着重要的意义。 第2章曲面数据列表数学处理方法的研究2.1小二乘法及拟合方法 最小二乘法的基本思想是对应数据确定的拟合曲线与各坐标点的偏差的平方和最小【l】。设由试验所得n个点的的坐标是 设拟合公式为则拟合曲线在每一点结点处与实际值的偏差为，则偏差的平方和为所求拟合多项 式的相应系数值的原则是上式中各偏差的平方和最小【1 设拟合公式是多项式 已知n个 点坐标是则各点偏差的平方和为：上式的最小值既是偏差平方和的最小值，根据连续函数求极值的方法，对 各变量求偏导数，令其偏导数等于零，所得方程组为： 上式中有m+1个未知数，有m个方程，因此联立方程组可求各系数值。 上述拟合过程在数控加工的编程工作中，一般被称为第一次逼近(或称第 一次数学处理)。 22程数表的第二次数学处理 第一次逼近所取得的结果一般都不能直接用于编程，而必须取得逼近列表 曲线的直线或圆弧数据，这一拟合过程在编程中被称为第二次数学处理(或称 为第二次逼近)。 虽然高档的数控控制系统已经能够对样条曲线进行处理，但大多数的数控 控制系统只能用圆弧和直线的方法来逼近。从而得到适用的加工程序。本文采 用等误差直线逼近法来处理用数学方程来表示的轮廓图形。一般来说，由于弦 线法的插补节点均在曲线轮廓上，容易计算，程序编制也简单一些，所以常用 弦线法来逼近非圆曲线，其关键在于插补段长度及插补误差控制。由于各种曲 线上各点的曲率不同，如要使各段插补误差相同，则各插补段长度不等此种 方法的优点是插补段数目比较少这对于大型和形状复杂的曲线零件有较大意 义。 实际加工曲线过程中，机床控制刀具按设计的曲线运动即可，其轮廓的形 状由刀具的包络而成。曲线加工的理论刀具轨迹是曲线本身，不必考虑刀具的 补偿问题。但一般数控系统只具有直线，圆弧等少数插补功能，因此拟合所得 的曲线不能被数控系统处理，此时需要对给定的曲线按照允许的逼近误差进行 离散逼近。 对于复杂曲线的逼近，可以采用等参数，等步长，等误差三种方法对其进 行逼近处理。 2.2.1等参数逼近发散方法和特点 等参数逼近是对曲线参数s进行等参数步长分割，将各接点的参数值代入 曲线方程中计算该点坐标值，顺序直线连接个坐标点即为逼近原曲线的刀具轨 迹。如图21所示： 图21等参数逼近示意图 等参数离散逼近法的特点是算法简单稳定，但相邻离散点之间距离是不等 的，各逼近线段与原曲线之间的误差是不一致的。因此，为保证各段的逼近精 度，参数增量的选取只能按照误差最大时来确定这样就造成了加工程序量大 的特点，因而降低了零件程序的效率。 222等步长逼近离散法的方法和特点 等步长逼近使各相邻离散点的距离相等，如图22所示： 图22等步长逼近示意图 对已知曲线离散起点为，离散步长为，则下一离散点，从原理上来说，以 为半径为的球，该球与曲线的交点之一为。在平面曲线等补偿逼近的时候，可 以以做圆来求得下一点。但这种直接求交的方法一般难以实施，需要采用如数 值计算，迭代搜索或离散求交等措施来实现。 223等误差逼近离散法的方法和特点 等误差逼近法是使每个逼近段内的误差保持一致，因此是一种合理的逼近 方法，关键是算法的思想。采用先以小参数对原曲线进行密集离散，然后再校 核各离散段内的实际逼近误差，删除不必要的离散点，从而是剩下的各离散段 内的逼近误差近似相等。如图23所示： 图23等误差逼近示意图 文献四中在筛选过程中，采用了一种近似的方法进行。如下： 设为曲线r=r(t)上经等参数离散 所得到的点对于初始点rk，从rk+2开始依次选取一个离散点进行判别处理：对 于，求取它到直线段。的di： 若die(e为允许误差)则说明用连接两点的线段来逼近对应 的曲线段时，其逼近误差小于允许值，此时删除此点，进行下一点r。l，重复上 述过程，直到不满足diO，yo时，切削点轨迹为凹曲线；当时，切削点轨迹为凸线；当时，切削点在此时为函数曲线的拐点。 4求解刀具轴线摆动误差6 n，为了保证加工精度，其最大误差MAx(6 n) 所求的值。 由上述可知，切削点轨迹曲线可能为凸曲线也可能是凹曲线，所以其值应 取绝对值。 5摆动误差表达式的简化 在五轴数控编程过程中，需要定义刀具轴线矢量相对于驱动面的方向，因 此，上式中，不是编程中所确定的关心的参数。五轴数控编程往往以加工曲 面作为刀轴的驱动曲面，因此刀具轴线矢量相对于曲面的切向角度为所求的关 联参数。 如图34示： 所以加工凸曲面的总编程误差为： 332五轴联动数控加工凹曲面时的误差 五轴联动加工凹曲面时，其编程加工误差也分为直线逼近误差和刀具轴线 矢量摆动误差。 图35五轴联动加工凹曲面刀具位姿图 1)直线逼近误差分析 如图35示：同数控加工凸曲面一样，其直线逼近误差为： 2)刀具轴线摆动误差 刀具轴线摆动误差的方向如图，此时，其摆动误差减小了直线逼近误差的 影响，起到了修正的作用。由上分析可知：其误差为： 333编程影响误差因素分析补偿 五轴联动数控加工编程的误差由直线逼近误差和刀具轴线摆动误差两部分组成，其中，直线逼近误差和加工刀具无关，只取绝于所加工的曲面曲率和插补段的弧长，正比例于加工曲面的曲率，正比例于插补段的弧长的平方。刀具轴线摆动误差既相关于刀具的半径，又相关于所加工曲面的曲率和插补段的弧长。 所以影响五轴联动数控加工加工复杂曲面的编程误差主要因素有：加工刀 具的半径，被加工曲面的形状，和插补步长等。在被加工对象一定的情况下， 选择合适的加工刀具和刀具轨迹加工路线将有助于减少编程阶段引进的误差。 由上分析可知： 1)直线逼近插补误差可通过控制走刀步长来控制。 加工曲面过程中，加工曲面的形状是不可控的，通过对走刀步长L的控制， 对逼近允许误差c，有 2)刀具轴线摆动误差的补偿方法： 加工凸曲面过程中，刀具轴线摆动误差引起了总误差的增加，因此，在满 足不过切的条件下，尽量增大刀具轴线和切削曲线切向夹角。即刀具尽量贴近 加工曲面。另外可以做辅助加工面，移动切削点的位置，使刀具轴线摆动误差 对总误差起到修正的作用。 加工凹曲面过程中，刀具轴线摆动误差对总误差起了修正作用，此时，在 满足不过切的条件下，计算选择合适的刀具轴线和切削曲线切向夹角，可以显 著地减小编程的总误差 34高速加工技术及应用 影响高速加工应用的关键要素 1)CAD模型对高速加工的影响 高速加工的对象一般是复杂零件的特征，其中曲面加工是其中最重要的方 面。因此，加工对象一般为三维的cAD模型，其形状直接决定了刀具的加工， 是影响加工轨迹的主要方面，其精度则影响了最终的加工精度。加工的结果与 采用何种方法造型是无关的，但无需加工的特征则往往严重地影响了刀具轨迹。 因此对模型精度的高要求和模型的适当处理是必要的。 l模型的精度要求 同上所述，加工的最终结果和采用何种建模方法无关，和采用何种建模工 具也无关，但造型公差必须优于加工公差，通常高于加工精度要求一个数量级。 在两个建模工具软件之间使用通用类型的模型转换时，对零件模型精度的检查 是必要的。 2曲面裁剪处理 复杂曲面模型是由一系列裁剪的曲面构成的，当cAD模型由一种建模软件 到另一种软件转换时，由于各软件之间的几何运算方法不同，数据类型定义有 差别，精度设置不同等诸多因素。在转换过程中往往会引起破面缺陷。 模型破面通常表现为各曲面之间有间隙或有重叠。补面的主要任务是连接 各曲面的边界线对曲面进行修正 3无须加工的特征处理 对加工要素无关的特征也会影响刀具的轨迹，对其的处理方法有两种，一 是对该特征删除或填充；二是删除不必要的刀具加工轨迹，即在生成刀具轨迹， 定义非加工区域。 总之：对于CAD模型，要注意以下各点 确保造型精度比加工精度高； 注意数据转换中造成的模型缺陷； 注重对无须加工的特征的有效处理； 处理和修正加工模型造型的缺陷将大大节省编程和加工的时间，提高制造 效率。 2)机床的选择 高速机床实现高速切削的前提和基本条件，在高速切削加工中对高速机床 的性能有严格的要求.。其高性能的要求主要体现在机床的机械性能和数控控制 系统的性能两个方面 l机床的机械性能 主轴转速高，功率大。通常其主轴转速最高转速都大于lO OOOrmin，主轴电动机功率大于15KW，以满足高速切削的需要。 机床主轴旋转和各运动轴的运动具有极高的速度和加速度。 机床需要有优良的动，静态性能。 2机床数控控制系统 高速数控加工对数控控制系统要求更为严格，除了满足传统数控系统的各 项功能外，还有以下的特殊要求： 自适应的前瞻控制：数控机床在复杂曲面高速加工过程中，NC数据密集， 仅处理少数段数据将会引起过大的加减速，使高速切削难以实现，通常高速加 工过程中处理数据段在1000段以上。 3)CAM删软件的性能影响 高速加工的实现也依赖于CAM提供特殊的加工策略来满足需求。高速加工是以更快的速度来执行数控加工程序，这不仅给数控机床提出了很高的要求，同时也要求所应用CAM软件具有符合高速加工理念的能力和策略。 具体表现： l丰富的刀具轨迹驱动方法； 2多种刀具轴线控制方式； 3螺旋和曲线进退刀方式； - 4)刀具轨迹的编程策略影响 高速加工的功能依赖于合适的加工策略和加工参数的选择。不适用的加工 策略会造成加工质量低下、刀具寿命降低甚至是灾难性后果。 1切削方式选择一顺铣加工 在高速切削加工中，应尽量选用顺铣加工，因为在顺铣时，刀具刚切入工 件产生的切屑厚度为最大，随后逐渐减小。在逆铣时，刀具刚切入工件产生的 切屑厚度为最小，随后逐渐增厚，这样增加了刀具与工件的摩擦，在刀刃上产 生大量热，所以在逆铣中产生的热量比在顺铣时多很多，径向力也大大增加。 同时在顺铣中，刀刃主要受压应力，而在逆铣中刀刃受拉应力，受力状态较恶 劣，降低了刀具的使用寿命。 2保持恒定的金属去除率 高速切削加工适于浅的切深，高切削速度和恒定负荷,来充分发挥高速机床和刀具的切削效率。 3进退刀方式的选择 尽量从毛坯的外面螺旋或曲线逼近，退刀。不仅能够刀具加工负荷得稳定 性，而且能够提高表面加工质量。 4刀具轴线控制方式 刀具轴线的控制是多轴数控加工重要的一个方面，刀具轴线连续缓慢的变 化是保证加工质量的前提。刀具轴线的突变会影响刀具的切削性能，严重时会 造成加工零件的过切。因此对于雕塑曲面来说，一般要做一光滑的辅助曲面作 为刀具轴线驱动面。 5刀具轨迹驱动方式 适合高速加工的刀具轨迹有螺旋线，摆线等多种方式，其目的是保证刀具 所受载荷的稳定性，尽可能地保证刀具在恒载荷状态下切削，避免刀具的急剧 转向。这就要求选择适合高速加工的刀具轨迹驱动方式 高速数控切削加工的关键是采用适用，可靠加工工艺来实现高的切削速度 和进给速度，充分发挥机床，刀具的切削性能。其中最重要的是保证刀具轨迹 路径的连续性和减少突然变向。另外较小切削深度和大的切削速度，可以实现 切削力小，加工表面粗糙度小，能够提高刀具寿命。用高速切削加工方式替代 传统加工方式加工硬度高的材料(如模具)，可以省去电火花加工和钳工修磨 等工序，提高了加工的生产率，降低了生产成本，缩短了加工研制周期。研究 高速切削加工时，高速切削工艺技术是一个主要研究方面，人们对高速切削的 认识不够，缺乏高速切削工艺数据，要真正实现高效率、高精度和高可靠性的 高速数控切削加工很长时间的努力。 35本章小结 本章分析了五轴数控加工应用中的若干关键因素，其中包括了编程方法，工艺分析，刀具的驱动及选择，数控加工的误差分析，同时分析了影响高速切削加工的关键要素，从CAD模型、加工机床、加工轨迹策略等方面阐述了 高速加工实施过程中的特殊要求。为高速加工技术的具体实施提供了参考。 第4章五轴联动数控加工后置处理程序开发41后置处理程序的概念 后处理程序是一个用来处理由CAM或APT系统产生的刀具轨迹文件的应用程序【18】。对于五轴联动数控加工来说，其后置处理程序的开发更加复杂，其中最重要是对机床结构的设定和第四，第五座标系的设定。 4.2五轴后处理程序开发的两种方法4.2.1刀具中心位置编程处理 五轴数控加工复杂曲面过程中，在得到刀具轨迹文件后，还要确定加工机 床的结构类型和刀具中心到旋转轴中心的距离，即转轴距离(pivot distance)， 跟据转轴距离和坐标转动值来计算出X、Y、Z的直线坐标补偿，以确认刀具中 心处于所期望的位置。处理的方法对应用该后置处理程序时，其加工数控程序必须在加工机床的转轴中心长度正好等于在开发后置处理程序时所设定的数值时方可使用。刀具的长度变化要求重新开发后处理程序以及处理刀具轨迹得到新的加工程序。这样就带来了两个问题：一是在开发后处理程序前，必须知道转轴距离；另一个就是在无法补偿刀具磨损，在更换新的刀具或同一刀具两次装夹时由于无法保证转轴距离的一致，而是加工程序失效这就对无多轴后置处理程序开发能力的用户带来了难题同样即使用户具有后处理开发能力，对同一零件的每次转轴距离的变化都得重新开发后处理程序和加工程序，也是不可接受的。 422旋转轴中心编程处理RTCP(Rotation Tool Centre) 五坐标机床数控加工编程后处理时，常用RTcP功能对机床的后处理加以简 化。其后置程序编程的算法是：在得到刀具轨迹的基础上，数控控制系统会保 持刀具中心始终在被CAM件编程的X，Y，Z位置上。转动轴坐标的每一个运 动都会被XYZ坐标的一个直线位移所补偿，以确定刀具处在要求的位置上因 此，对于传统的数控系统而言，一个或多个转动坐标的运动会引起刀具中心的 位移；而对于旋转轴中心编程处理时，是坐标