【摘要】：復(fù)雜曲面零件在航空航天、軍工、汽車、醫(yī)療等重要領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。復(fù)雜曲面的高速高精加工是各國高端制造能力的體現(xiàn),是數(shù)字化加工的技術(shù)前沿。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,各類CAM/CNC技術(shù)為多軸復(fù)雜曲面加工提供了技術(shù)支撐。然而當(dāng)前主流的數(shù)控軟件系統(tǒng)之間的運作模式仍然存在著不少缺陷,現(xiàn)有加工流程機制上并不合理,阻礙了加工質(zhì)量和效率的提升。尤其在五軸曲面加工中,CAM系統(tǒng)和CNC系統(tǒng)之間運行相對獨立,通常在CAM中以靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)生成刀具路徑文件,CNC系統(tǒng)只能接收既有刀路文件實現(xiàn)插補加工。事實上,在五軸機床曲面加工中,刀路的形貌和工件的安裝位置的因素都會影響插補進給速度曲線,進而影響加工效率。然而現(xiàn)有曲面加工流程中,由于缺少CNC系統(tǒng)到CAM系統(tǒng)的信息反向互通機制,導(dǎo)致CNC下游的信息無法傳遞回上游,CAM無法修改或優(yōu)化既有代碼。本論文在積極借鑒已有研究成果的前提下,從當(dāng)前曲面加工機制的不足出發(fā),提出了從CNC系統(tǒng)到CAM系統(tǒng)的逆向反饋機制,通過傳遞下游插補速度規(guī)劃評價的信息,輔助上游系統(tǒng)優(yōu)化修改刀具路徑,提升加工效率,充分發(fā)揮機床性能。論文的主要研究內(nèi)容成果歸納如下:首先,針對當(dāng)前CAM/CNC系統(tǒng)之間運行相對獨立的問題,提出了銜接CAM/CNC系統(tǒng)的逆向反饋機制,擬打破傳統(tǒng)CAM系統(tǒng)和CNC系統(tǒng)之間的單向信息流,建立從CNC系統(tǒng)到CAM系統(tǒng)的雙向信息傳遞通道,將下游插補層的速度規(guī)劃信息反饋給上游的CAM系統(tǒng)。CAM系統(tǒng)通過分析反饋信息,調(diào)整局部刀路或者更改刀路生成策略,最終通過逆向反饋機制的選擇評價功能選擇一組效率最優(yōu)刀路生成。在銜接CAM/CNC系統(tǒng)時,刀路效率是重要的評價指標(biāo),而速度規(guī)劃方法是效率評價的基礎(chǔ)。針對當(dāng)前多數(shù)速度規(guī)劃方法沒有考慮各軸動力學(xué)極限的問題,提出了滿足機床動力學(xué)性能約束的進給速度規(guī)劃方法,規(guī)劃匹配伺服控制機電特性的進給速度曲線,提高進給系統(tǒng)的平穩(wěn)性。該方法首先基于機床動力學(xué)模型,將刀路軌跡姿態(tài)分解到各軸上,獲取各運動軸在進給過程中的位移曲線�？紤]各軸的動力學(xué)特性(速度、加速度、加加速度等)極限值,結(jié)合位移曲線求解進給速度可行域。根據(jù)刀路弧長在進給速度可行域中對應(yīng)的名義進給速度,通過樣條曲線逼近可行域邊界曲線,獲得滿足機床性能的效率最優(yōu)進給曲線。該方法可確保進給速度曲線達到低階連續(xù)的情況下,嚴(yán)格保證各軸速度曲線分量達到各軸動力學(xué)性能所要求的高階連續(xù),使速度指令不會超過伺服軸飽和極限,以提高伺服跟蹤性能,確保加工過程平穩(wěn)性。進而,針對三軸加工中刀路形貌對速度規(guī)劃的影響問題,提出了基于低速敏感區(qū)域逆向反饋的三軸刀路規(guī)劃方法。首先通過預(yù)插補獲取待加工曲面上的低速敏感區(qū)域,CAM系統(tǒng)根據(jù)低速敏感區(qū)域局部調(diào)整刀路軌跡。最后,系統(tǒng)對不同的調(diào)整方案下的整體加工時間進行評估,選擇效率最優(yōu)的刀路生成方案。該方法首先根據(jù)加工殘高要求,在曲面表面建立起滿足加工精度的限殘高網(wǎng)格。然后基于曲面幾何屬性,通過滿足機床動力學(xué)性能約束的進給速度規(guī)劃方法求出限殘高網(wǎng)格節(jié)點上的名義進給速度,同時在參數(shù)域上搜尋到低速區(qū)域。最后用最小包絡(luò)矩形將相鄰的低速點包絡(luò)起來,所得到的區(qū)域即低速敏感區(qū)域。加工刀路將根據(jù)速敏感區(qū)域進行規(guī)劃調(diào)整。此過程反復(fù)迭代優(yōu)化,直到刀路加工效率性能實現(xiàn)最優(yōu)或者滿足預(yù)設(shè)要求,然后將優(yōu)化后的刀路發(fā)送給實時插補模塊。將逆向反饋機制應(yīng)用從三軸曲面加工拓展至五軸曲面加工,針對五軸曲面加工中等殘高路徑既定前提下刀具姿角對進給速度規(guī)劃的限制問題,提出了基于C-Space空間映射反饋的五軸曲面路徑刀具姿角優(yōu)化方法。該方法首先在曲面上生成等殘高加工路徑。根據(jù)刀路軌跡和曲面幾何屬性獲得刀具進給時的姿態(tài)變化,并將刀具姿態(tài)映射到C-Space空間中。通過對原始刀路進行速度規(guī)劃,找到C-Space曲線上相應(yīng)的低速區(qū)域,以此為反饋信息傳遞給CAM系統(tǒng)。CAM系統(tǒng)通過修改優(yōu)化C-Space曲線優(yōu)化刀具位姿。最后反算修改后的刀位點信息,重新規(guī)劃速度曲線,提升加工效率。進而,針對五軸曲面加工中旋轉(zhuǎn)軸在大曲率區(qū)域?qū)M給速度曲線的干擾問題,提出了旋轉(zhuǎn)位移敏感特征鉗制下的五軸刀路反饋優(yōu)化,生成符合機床運動特性的五軸加工刀路軌跡。該方法首先在曲面參數(shù)域建立等參數(shù)網(wǎng)格,將旋轉(zhuǎn)軸在曲面上的位移與等參數(shù)網(wǎng)格建立起映射關(guān)系,從而將曲面參數(shù)域劃分成若干子區(qū)域。子區(qū)域的輪廓將作為反饋信息傳遞給CAM系統(tǒng)。刀路規(guī)劃階段,在同一子區(qū)域內(nèi)可以采用合適的策略進行刀路規(guī)劃,以提升加工效率。最后,基于逆向反饋機制生成的曲面優(yōu)化刀路,設(shè)計了機加工驗證實驗。首先通過實驗比較工件安裝位置對加工效率的影響,進而對比靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)刀路文件與通過逆向反饋機制優(yōu)化后的刀路文件在實際加工中的效率差異,驗證了逆向反饋機制的合理性和有效性。
【圖文】：

邐（ｂ）凸面邐（ｃ）凹面逡逑圖１．２曲面加工殘高計算模型逡逑由于五軸加工增加了兩個額外的旋轉(zhuǎn)軸，其刀路規(guī)劃的復(fù)雜性在于不僅要考慮刀具參逡逑考點的軌跡，還需要考慮刀具在掃掠曲面時的姿態(tài)。為描述刀具在五軸加工時的姿態(tài)，通逡逑常在曲面局部建立起局部坐標(biāo)系（ＬｏｃａｌＣｏｏｒｄｉｎａｔｅ邋Ｓｙｓｔｅｍ，ＬＣＳ）。局部坐標(biāo)系也稱作曲面的逡逑局部標(biāo)架，是根據(jù)曲面局部固有幾何性質(zhì)生成的［３９，４Ｑ］。刀具的姿態(tài)可以在局部坐標(biāo)系中通逡逑過旋轉(zhuǎn)角（ＲｏｔａｔｉｏｎＡｎｇｌｅ）和側(cè)傾角（ＴｉｌｔＡｎｇｌｅ）來定義。旋轉(zhuǎn)角定義為刀軸在ＸＯＹ平面內(nèi)繞逡逑０點逆時針旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)角，記作卩。此時將刀軸旋轉(zhuǎn)后的矢量記作瓦。在Ｚ軸和瓦，組成的逡逑５逡逑

Ｐ（Ｕ＇＂）＝邐（２．５）逡逑其中控制點｛Ｐｊ形成了有兩個方向的控制網(wǎng)格（如圖２．７（ａ）所示），｛ｗ；｝是與頂點逡逑聯(lián)系的權(quán)因子，｛Ａ／；，ｐ（Ｘ）｝和｛Ａ／＾Ｏ）｝分別是定義在節(jié)點矢量Ｕ和Ｖ上的非有理Ｂ樣條基函數(shù)，逡逑由德布爾遞推公式?jīng)Q定。有理基函數(shù)表示引入分段有理基函數(shù)：逡逑ｉｗ邋、－邐叫，ｐ邋⑷？ＯＭ－，；逡逑ｕ（ｕ，ｌ７）＿邋ｒｋ＝0ｉＴ＝0Ｎｋ，Ｐｃ＾Ｎｉ．＾＞ｕ邐（２．６）逡逑則公式（２．５）可以改寫為公式（２．７），可以注意到公式（２．７）并不是兩個單變量函數(shù)的乘積，所逡逑以，一般地，ＮＵＲＢＳ曲面不是張量積曲面。逡逑ｎ邋ｍ逡逑ｐ（ｕ，ｖ）邋＝邋＾邋＾邋ｖ）Ｐｉｊ邐（２．７）逡逑ｉ＝0邋ｊ＝0逡逑根據(jù)公式（２．７）可得知，，既可以通過移動控制點，也可以通過改變權(quán)因子的方法來局部逡逑修改ＮＵＲＢＳ曲面的形狀。定性地說：若（ｕＭｅ＾Ｕｆ＋ｐ＋ｄｘ＾Ｖｈ＋Ｊ
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG659

【參考文獻】

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本文編號：2665688