五軸數(shù)控加工無干涉無奇異高效軌跡生成與優(yōu)化研究.pdf

1、五軸機(jī)床額外增加的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度極大地?cái)U(kuò)大了機(jī)床加工的工藝范圍，提高了零件成形的精度和效率，卻也給機(jī)床的實(shí)際使用和推廣帶來了不少難點(diǎn)，其中比較突出的問題有:五軸干涉檢測(cè)與避免、五軸刀具路徑生成、五軸奇異現(xiàn)象檢測(cè)與避免、五軸非線性誤差控制等。本學(xué)位論文在積極借鑒相關(guān)理論和現(xiàn)有文獻(xiàn)方法的基礎(chǔ)上，開展五軸刀具路徑規(guī)劃相關(guān)環(huán)節(jié)算法基礎(chǔ)研究，為自主五軸CAM(computer aided manufacturing)軟件開發(fā)提供一些開放嘗試和算法

2、積累。論文以五軸加工路徑生成的整個(gè)過程為主線，從層切法環(huán)形粗加工路徑生成入手，重點(diǎn)研究在五軸路徑規(guī)劃的初始階段，即將刀具干涉問題、機(jī)床奇異問題考慮在內(nèi)，并在此基礎(chǔ)上，生成具有均勻殘高、弓高特性的五軸自由曲面加工路徑，并在最后通過優(yōu)化工件安裝位置控制五軸加工非線性誤差。論文主要研究?jī)?nèi)容和成果歸納如下:
　　提出若干時(shí)間復(fù)雜度接近線性的粗加工路徑生成關(guān)鍵算法，并對(duì)得到的粗加工路徑進(jìn)行優(yōu)化。首先提出一種基于截交線段端點(diǎn)排序的輪廓點(diǎn)列曲線

3、快速鏈接算法，用于獲取層切法粗加工中當(dāng)前層的加工區(qū)域。對(duì)獲得的加工區(qū)域，提出一種基于Delaunay三角化的小島橋接算法，將內(nèi)輪廓曲線快速橋接至外輪廓曲線。對(duì)得到的歸一化橋接曲線，提出一種基于輪廓更新法則和樹結(jié)構(gòu)分析的平面曲線偏置算法，用于生成環(huán)形路徑。以上提出的算法時(shí)間復(fù)雜度均接近線性。最后，提出一種基于加工區(qū)域角線提取及串聯(lián)的環(huán)形路徑拐角未切削區(qū)域全局清除策略，最大限度地增加相鄰路徑間距以提高粗加工效率。
　　提出一種基于可行

4、域插值的五軸刀具姿角無干涉區(qū)域快運(yùn)計(jì)算方法，該方法用來提高五軸路徑規(guī)劃階段刀具和工件干涉檢測(cè)速度，為五軸無干涉刀具路徑生成奠定理論基礎(chǔ)。對(duì)形如S(u，v)的自由曲面，首先在工件曲面上按一定規(guī)則采集少量刀觸樣點(diǎn);對(duì)每個(gè)刀觸樣點(diǎn)，結(jié)合局部坐標(biāo)系下刀具姿角控制方程以及刀具和工件曲面干涉檢測(cè)模型，獲得其姿角可行域;最后用3次B樣條曲面插僮方法對(duì)樣點(diǎn)可行域進(jìn)行插值，計(jì)算控制點(diǎn)信息，獲得形如Ω(u，v)的可行域表達(dá)式。對(duì)Ω（u, v），只要代入任意

5、曲面參數(shù)坐標(biāo)(u0，v0)，便能快速計(jì)算相應(yīng)的無干涉刀具姿角范圍Ω(u0,v0)。
　　提出一種基于切割曲面法矢的高效五軸等殘高刀具軌跡生成方法，該方法具有一定的通用性，適合半徑較大的刀具以及各種類型曲面。該方法的基本原理可描述為:首先在工件曲面上生成足夠濃密且長(zhǎng)度為設(shè)定殘高容許值的法矢，當(dāng)?shù)毒哐刂嫔袭?dāng)前路徑切削過后，與切削刃接觸的法矢被切割，在曲面上形成一條切削帶，提取該切削帶邊界并以此為基準(zhǔn)生成下一條路徑曲線;依此遞推，直

6、至生成覆蓋整張曲面的等殘高路徑。該方法操作過程中數(shù)學(xué)近似處理較少，得到的刀具路徑精度較高，且通用性較好。
　　提出一種基于切割曲面法矢的精確五軸離線刀位生成方法，該方法能夠控制相鄰刀位點(diǎn)的加工誤差等于最大容許誤差，從而獲得較少的刀位點(diǎn)數(shù)量。該方法中刀位點(diǎn)以遞推方式生成，在每一步遞推過程中又包含兩個(gè)步驟，即初始步長(zhǎng)計(jì)算和精確步長(zhǎng)計(jì)算。初始步長(zhǎng)計(jì)算通過二階泰勒展開法和圓弧近似實(shí)現(xiàn)，獲得精度不高的初始步長(zhǎng)作為精確步長(zhǎng)計(jì)算的輸入;而精確步

7、長(zhǎng)計(jì)算則依賴于基于切割曲面法矢的加工誤差精確計(jì)算模型。該方法能夠獲得誤差均勻的曲面加工效果，刀位點(diǎn)數(shù)量減少，適合高速加工。
　　提出一種基于C空間方向曲線平移的五軸無奇異刀具姿角優(yōu)化算法，在路徑規(guī)劃階段即實(shí)現(xiàn)五軸奇異問題的檢測(cè)與規(guī)避。首先在刀位點(diǎn)生成的初始階段，額外保存刀觸點(diǎn)和局部坐標(biāo)系信息;然后將刀軸矢量投影至C空間得到一條方向曲線，同時(shí)在C空間定義用來檢測(cè)奇異問題的錐度圓;如果方向曲線和該圓相交，則以一最短距離平移方向曲線以避

8、開錐度圓;最后結(jié)合新方向曲線和保存的局部坐標(biāo)信息反算新刀位點(diǎn)。該方法能夠在有效避免奇異問題的同時(shí)，保持了原始路徑凸線上刀觸點(diǎn)位置不變，且不增加刀位點(diǎn)數(shù)量。
　　提出一種基于粒子群算法的五軸工件安裝位置優(yōu)化算法，用于降低五軸加工中的非線性誤差。以雙回轉(zhuǎn)工作臺(tái)型五軸機(jī)床為例，在分析該型五軸機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)帶RTCP(ratational tool center point)插補(bǔ)時(shí)非線性誤差的計(jì)算方法，并將其表示成工件安裝位