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基于等距法的数控加工刀具轨迹规划[纯论文]【0张图/21000字】【优秀机械毕业设计论文】

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编号:602754    类型:共享资源    大小:535.13KB    格式:RAR    上传时间:2016-02-26 上传人:木*** IP属地:江苏
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基于 等距 数控 加工 刀具 轨迹 规划 计划 论文 优秀 优良 机械 毕业设计
资源描述:

基于等距法的数控加工刀具轨迹规划 

摘要: 本文基于等距思想提出针对不同类型被加工曲面的优化刀具路径规划方法。针对三维自由曲面加工,通过把微分几何中的测地线的短程性与运动平稳性与传统等距偏置法相结合,得到优化的等距偏置法。与传统等距偏置法相比,本文的新方法使得刀具在运动过程中保持比较高的切削速度,大大提高了加工效率和加工质量。对于带岛屿的二维型腔加工,通过引入图形分割理论实现了对被加工型腔的“二分区规划”,避免了等距环间的互交检查,有效地提高了计算效率和加工效率。
首先,论文介绍了曲线等距技术的基本理论。针对平面单一曲线和组合曲线分别给出了计算方法,而空间曲线又分为一般法向等距和测地等距两种,其中一般法向等距是沿曲线法向方向上移动距离为常数的点的轨迹,测地等距是沿正交于曲线且测地线距离常数的点的轨迹。其次,对于自由曲面加工,提出一种基于测地线理论的等距偏置轨迹规划方法。最后,针对二维多岛链型腔内腔加工,给出一种基于图形分割理论的等距偏置轨迹规划方法,通过对岛屿群的合理划分实现了型腔的“二分区规划”等距偏置加工方法。其方法是按照岛屿数量及其分布情况分割成两个待加工曲面,分割后的每一个部分按照传统等距偏置法生成刀具轨迹,最后把两个独立区域的刀具轨迹用直线或圆弧连接起来以得到最后加工所需的刀具轨迹,该方法有效避免了等距环的互交检查。
关键词:轨迹规划 数控加工 等距偏置

Offset Algorithm based tool-path Planning for 
NC Machining
Student name:Su Xiao Fan Class:05031307
Supervisor:yu fei
Abstract:Two different kinds of optimal tool path planning methods, which are all based on the conventional offset algorithm, are proposed respectively for freeform surface machining and 2D pocket with island chain in the paper. For freeform surface machining, the formulation of the geodesic, which is corresponding to short path length and high kinematics performance, is introduces to the classical offset method. Comparing with the classical offset method, high federate can be achieved and dynamic of the machine is improved. Comparing with the traditional iso-parametric and iso-planar planning, the distribution of trajectories is even and redundancy is minimized. For 2D pocket with islands machining, the image division technology is used for eliminating the intersection of contours and higher efficiency.
Firstly, the theoretical basis of the offset curve is introduced. The calculation for the single planar curve and combination planar curve is presented. For space curve, there are two different type of offset, separately named general normal offset and geodesic offset. Among of them, the general normal offset means the locus of point at a constant distance measure from orthogonal to curve, while geodesic offset means that the locus of point at a constant distance measured from curve along geodesic drawn orthogonal to the curve. Secondly, for freeform surface machining, the boundary conformed geodesic of the machined surface is firstly calculated, then a set of candidate offset curves are obtained on the general normal offset or the geodesic offset. Finally, for 2D pocket with islands machining, the pocket is firstly divided respect to the island chain basing on the imagine division technology, then the contour offset is formulated for different regions, finally a few of retractions are added for a whole tool path, by which the intersection is eliminated comparing with the traditional contour offset method.
Keyword:trajectory planning;numerical controlled machining;iso-metric offset

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目 录

1 绪论
1.1选题的依据及意义……………………………………………………………( 1 )
1.2数控加工刀具轨迹生成技术…………………………………………………( 2 )
1.3论文的主要研究工作…………………………………………………………( 4 )
2 曲线等距技术
2.1 平面等距线…………………………………………………………………( 5 )
2.1.1 平面等距线的定义………………………………………………………( 5 )
2.1.2 平面等距线的算法………………………………………………………( 6 )
2.2 空间等距线…………………………………………………………………( 7 )
2.2.1 空间一般等距……………………………………………………………( 8 )
2.2.2 测地等距线……………………………………………………………( 10 )
3 自由曲面行切刀轨生成
3.1 概述………………………………………………………………………( 13 )
3.2 与刀具轨迹有关的基本概念……………………………………………( 13 )
3.3 走刀方式的确定…………………………………………………………( 15 )
3.4 路径间距计算公式………………………………………………………( 16 )
3.5 刀具轨迹生成…………………………………………………………( 18 )
3.5.1 刀触点轨迹的具体生成………………………………………………( 18 )
3.5.2 刀位点轨迹生成………………………………………………………( 20 )
4 多岛链型腔环切刀轨生成
4.1 概述………………………………………………………………………( 21 )
4.2 走刀方式的确定…………………………………………………………( 22 )
4.3 区域分割…………………………………………………………………( 24 )
4.4 刀具轨迹的干涉问题……………………………………………………( 26 )
4.5 型腔内腔刀具轨迹生成…………………………………………………( 27 )
4.5.1 轨迹的生成……………………………………………………………( 27 )
4.5.2 刀轨的优越性分析……………………………………………………( 30 )
5 结论………………………………………………………( 32 )
参考文献………………………………………………………………………( 33 )
致谢………………………………………………………………( 35 )
附录……………………………………………………………………………( 36 )

内容简介:
- 6 -一、 选题的依据及意义:在微电子、计算机技术、信息工程和材料工程等高新技术的推动下,数控(NunelricallyControlled简称NC)技术的迅速发展开创了现代制造技术的新时代,并对人类社会进步和经济发展产生了巨大的推动作用。数控加工技术是20世纪40年代后期为了适应具有复杂外形零件的加工而发展起来的一种先进制造技术,后来随着航空航天技术的发展、零件复杂程度的增加及加工效率和精度的提高,对数控加工技术不断提出新的要求,各种各样的数控加工方法也就应运而生了。随着现代化进程的不断加快,为了使所加工的零件能迅速占领市场,数控加工的效率问题就显得异常重要了,而在数控加工中,刀具轨迹的生成能力直接决定数控系统的功能及所生成的加工程序的质量。所以如果能够进行刀轨优化设计,使得切削时间大大降低,就可以显著提高加工生产率。虽然目前己经有很多研究人员致力于数控加工的刀具轨迹规划研究,而且也取得了很丰硕的成果,但是针对复杂曲面或者是带多个岛屿的型腔面来说应用最广泛的就只有传统的等距偏置法。对于不含岛屿的复杂曲面来说,传统的等距偏置法的基本思想是对外边界曲线进行内等距,将获得的等距环进一步内等距,直到轨迹线覆盖整个曲面。在等距的过程中,要进行各个等距环的自交检查和处理。如果外边界较复杂,则等距环的自交检查和处理相对就会很复杂,算法难度也会加大。还存在一种情况,也就是加工带多个岛屿的型腔时,利用传统的等距偏置法生成刀具轨迹的基本思想是利用边界轮廓(包括岛屿轮廓)作为原始轮廓线,对其进行等距操作,其中外边界轮廓环作内等距,而岛屿轮廓环作外等距操作,直到没有有效的等距线为止。然后,连接各等距环,形成完整的轨迹线。利用传统方法生成刀具轨迹线时,如果曲面的外边界轮廓环较复杂,在等距偏置过程中的等距环的干涉检查和处理就会耗用大量的时间,而且在型腔加工时,如果岛屿数量众多,这时既要考虑外轮廓等距环和岛屿等距环的自交检查和处理,还要考虑各个环之间的互交检查和处理,这样就会大大的增加程序运行时间和程序的代码量等。由于传统的等距偏置法存在着这些问题,所以基于等距的数控加工技术有待于进一步研究,如高效的刀具轨迹计算算法,以及干涉检查和处理等,这些问题至今仍吸引着国内外众多学者的研究目光。本文对于复杂曲面和型腔加工刀具轨迹进行了系统研究,提出了相应的算法,并借助C+及Viusa1C+程序设计语言,生成刀位文件。通过这一系列研究,以期对基于等距法的数控加工技术有所贡献。二、国内外研究概况及发展趋势(含文献综述): 平面型腔加工刀具轨迹的计算是数控加工自动编程技术中研究较早的一个领域,这部分内容一般都是商品化CAD/CAM系统中最基本的模块之一。在机械零件与模具等制造中,22.5轴的切削加工是非常重要的。大约80%的机械零件的铣削可以只用2.5轴方式加工。型腔加工用于腔槽、模具、机械零件等的加工。型腔加工的手工编程非常困难复杂,ATP语言即使对现代制造中的中等复杂程度的型腔也无能为力,自动刀轨生成和编程可以通过缩短编程时间,优化刀轨和加工参数,生成无错误的加工代码而大提高生产率。型腔加工中无论采用环切还是行切的走刀方式,整个型腔中环的无干涉等距的计算是核心内容。国内外研究人员针对这个问题提出并实现了许多有效的算法和思想,目前研究与发展的重点在于如何生成高效优化的刀轨。综合国内外的研究情况,目前评价平面型腔加工刀具轨迹的优劣性首先取决于是否完全高效地、精确地消除了刀具轨迹的干涉现象。干涉是指刀具沿某一加工方向移动时,对正在加工的面或邻近面造成的伤害(过切)。这种现象广泛存在于数控加工中,如果在加工过程中存在干涉现象,加工出的产品就有可能报废,在真正加工之前生成无干涉的刀具轨迹,在数控加工自动编程中占有极为重要的地位。刀位和加工路径的规划技术是数控加工技术的核心内容。在零件模型确定以后,根据零件的形状,给定的允差,选取合适的机床、刀具、走刀方式、刀位,最终给出刀具加工曲面的运动轨迹。这一步直接决定了加工曲面质量的好坏、加工效率的高低。高质量的数控加工程序除了应保证精度以外,同时还应具有通用性好、加工时间短、效率高、代码量小等特点。用于数控加工刀具轨迹的计算方法比较多,比较成熟的可以概括为以下的几类:1.等参数线轨迹加工方法,这种方法是多轴数控加工中生成刀具轨迹的主要方法。是Loney和Ozosy1首先提出来的。用于参数曲面s (u,v)上。刀具轨迹在u,v参数平面上沿着u线、v线来排列,刀位可在曲面或是曲面的等距面上求得。该方法的优点是刀具轨迹计算简单、速度快;缺点是刀具轨迹排列较密,加工效率不高,而且,当零件表面由多张不规则的曲面拼接而成时,参数线加工很难达到理想的效果。针对参数线过密这一缺陷,以色列学者G.Elber2利用等参数线法生成原始刀具轨迹,然后采用轨迹行距判断参数过密的刀具轨迹,有效地克服了用等参数线法生成刀具轨迹所产生的轨迹冗余等缺陷,同时保持了等参数线的一切优点,并且该算法生成的轨迹具有准确,容易剪裁等特点。2.截平面法3,该方法采用一组等间距的面去截取加工曲面或是加工曲面的偏置面(刀位面),把接触后得到的一系列交线作为切削刀具的走刀路径。一般情况下,由于曲面与曲面间的求交比较困难,所选用的截面常为平面或回转曲面。截平面法分为两种:基于原曲面的截平面法和基于等距面的截平面法。对于复杂曲面的加工,截面线法加工效果明显,容易实现曲面间的光滑走刀。不足之处在于计算较复杂,如果曲面求交算法的可靠性不高或是精度低,那么可能导致计算结果错误或轨迹不满足要求。而且截面线法加工中的截面间距不易控制,难以与曲面的实际形状相吻合,导致在曲面的平坦处轨迹密集,在陡峭处稀疏,加工后的曲面残留高度不一致,效率不高。对此种情况,S.Ding4等人提出了自适应截平面法。自适应方法是通过等光照方法来将待加工曲面分为几个区域,然后各个区域的区别对待。这样虽然减小了重复切削的可能,但也使得轨迹线更加零散,空行程增多,且不利于提高切削速度。Park和choi5对截平面的方向优化问题进行了研究。3.等残留高度法6,该方法是美国加州大学的K.suresh和D.Yang在1994年提出来的。他们主要讨论了球头刀三轴加工时,用等残留高度法计算步距的方法。其基本思想是: 保证相邻轨迹线间的残留高度(脊棱)值均等于最大允许的残留高度,以增加加工步距达到缩短轨迹线长度,节约加工时间的目的。很明显这种方法比等参数线法效率要高很多,尤其是在曲面沿参数方向的几何尺寸变化较大的情况下。但是这种方法也有其自身的缺点,例如计算量大,存在孤立环、轨迹线较零散,不利于高速加工等。4.空间填充曲线法7,该方法是近年来有些学者尝试将空间曲线作为刀具轨迹的一种方法。它具有良好的连续性和在参数空间上分布的均匀性,基本上消除了整个切削过程中的空行程,降低了刀具轨迹的总长度,可用于抛光工序中,以得到较好的表面质量。但切削方向的频繁变化,使得加工表面质量在某种程度上受到影响。如何有效地应用在数控加工领域,还有待于进一步研究。5.等距偏置法8,也称边界偏置法。利用等距偏置法生成刀具轨迹又可以分两种情况考虑。一种是加工不含有岛屿或是凹坑的曲面或者平面。利用等距偏置法加工这类曲面的基本思想该可以用四个字概括:“向里收缩”。具体步骤是:(1)提取边界曲线,连接形成封闭环;(2)根据空间曲线广义等距线求取算法求得边界环的等距线;(3)对新的等距线环进一步内等距操作,直到被加工区域没有有效的等距线环为止。(4)在等距过程中,需要对各等距线进行必要的剪裁或是拓展,连接形成封闭曲线环。然后对单个等距环的自相交和不同等距环之间的互交进行检查和处理。(5)并对各等距线作有效性基于等距法的数控加工刀具轨迹规划测试。重复上述过程直到等距线遍历型腔区域,并把最后得到的等距线作为刀具轨迹。可以看出,在刀具轨迹生成过程中,多余环的判断处理是很重要的。Hanssen9,Tiller10及suh和Lee11等对这类处理方法做了较深入的研究,重点在于简化等距线计算中干涉段的判断,提高算法的可靠性和效率。应用等距偏置法生成刀具轨迹的第二类情况是加工含有岛屿的曲面或者平面型腔,特别是存在多个岛屿时,由于在等距过程中,牵扯到各个等距环之间的相交以及自身的自交检查和处理,所以刀轨的生成过程较复杂。利用传统的轮廓环偏置方法生成等距线环主要分以下四个步骤: (1)边界曲线的每一个元素段分别作偏置处理。 (2)用剪裁线段或是弧段连接不相交的新的等距段,形成新的封闭环; (3)对新的封闭环做干涉检查; (4)移除所有的无效环; (5)重复上述过程,直至等距线遍历整个型腔区域。由此可见,无效环的检查和处理占据了整个等距算法的很多时间。因而,国内外的很多学者都致力于等距算法的研究。 例如Persson12最早提出将型腔的各加工区域分为若干个子域,每个子域分别对应轮廓段中的一部分。在各个子域中分别构造对应轮廓段的等距线。这种子域划分就是将平面连通域的Voronoi图应用于型腔刀具轨迹计算中。优点是可以保证得到的各段等距线是正确衔接的,简化了计算。但是由于Voronoi图算法的复杂性,其应用远不如直接偏置法广泛。本文方法从型腔整体来考虑,提出“分区规划”的轨迹生成新方法。该方法不需要考虑各个偏置环之间的互交检查与处理,只需要考虑外轮廓等距环的自交检查与处理。大大减少了程序代码量,提高了加工效率。另外还有其他的一些规划方法,例如适用于修剪自由曲面的边界一致刀具轨迹规划方法13。但是,具体该选择那种刀具轨迹生成方法,最终使刀具能按生成的刀具轨迹实现高效率、高精度的加工,则要根据机床、工件、加工工艺、刀具和数控系统等多项条件决定,其中数控系统的性能是决定采用何种刀具轨迹生成方法的关键。三、研究内容:了解曲线等距技术的基本理论,针对不同的被加工曲面类型,给出具体的等距轨迹规划方法。针对二维多岛屿型腔内腔加工14,给出一种基于图形分割理论的等距偏置轨迹规划方法,避免等距环的互交检查。四、目标、主要特色及工作进度 目标:进行刀轨优化设计,使得切削时间大大降低,就可以显著提高加工生产率该软件(UG CAM)可以直接应用于铣削加工的自动编程软件和数控仿真软件,它的使用在减少加工损失、节约经费、缩短生产周期、提高产品质量等方面将发挥巨大的作用。 主要特色:基于UG CAM软件对数控加工刀具轨迹等距法的研究,并研究防止等距环的干涉的方法工作进度: 1. 开题报告、查阅资料、外文翻译(6000字符 (3周) 2009年2月16日 - 2009年3月8日2. 研究曲线等距技术的基本理论 (3周) 2009年3月9日 2009年4月5日3. 自由曲面加工的等距偏置轨迹规划(4周)2009年4月6日 2009年5月3日4. 多岛链型腔内腔加工的等距偏置轨迹规划(4周)2009年5月4日 2009年5月31日5. 撰写毕业论文、毕业设计审查、毕业答辩(3周) 2009年6月1日 2009年6月19日五、参考文献参考文献1Loney GC,ozsoy MT. NC machining of free form surfaces.Computer-Aid Design 1987,19(2)85-90.2Elber G.Cohen E.Toolpath generating for free form surfaee. Computer- Aid Design 1994,26(6)490-496.3Bobrow JE.NC maehining tool path generation from CSG part representations.Computer-Aid Design 1985,17:69-76.4s.Ding M.AMannan,A.N.PooD.C.H.Yang,z.Han.Adaptive iso- planar toolpath generation for machining of free-form surfaces. Computer-Aid Design 2003:(35) 141-153.5Park SC,Choi BK.Tool path planning for direction- parallel area milling.Computer-Aid Design 2000,32(1):17-25.6K.Suresh,D.C.H.Yang.Constant seallop-height machining of free-fomr surfaces.Journal of Engineering for Industry,1994,116(5):253-259.7Beom-Sahng Ryuh, Sang Min Park,Gordon R.Pennoek. An automatie tool changer and integrated software for a robotic die Polishing station.Meehanism and maehine Theory,2005.Artiele in Press.8周济,周艳红编著.数控加工技术M.2002,国防工业出版社.9HansenA,Arbab F,An algorithm for generating NC tool paths for arbitrarily shapedPoeket with islands.ACM Transa
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