本文摘要:
在满足机床运动学约束的条件下,如何实现高进给速度的加工路径已逐渐成为当前数控加工中急需解决的关键和难点。商业的计算机辅助制造软件在对刀具路径规划的过程主要是基于被加工件的几何约束,并不考虑实际机床的运动学性能,会导致五轴数控机床在刀路拐角处产生平动轴速度骤减,旋转轴因进入奇异区域角度变化剧烈的问题。为了使加工的精度更高,技术人员通常将G代码的直线段密化,该方法增加了五轴数控机床的处理负担,难以保证机床加工实时性的要求。本文深入研究了高速进给条件下五轴线性加工路径光顺技术,并通过仿真实验分析,验证了本文方法的有效性。以下是本文主要完成的工作:
(1)为了提高刀路光顺前后拟合偏差计算的实时性,本文提出一种基于剪力跃度特征点的NURBS曲线拟合方法。通过利用相邻离散点间的曲率对原始数据点剪力跃度进行求解,筛选出剪力跃度优势点作为初始型值点进行样条拟合,并对初次拟合完成的数据中寻找拟合偏差超限区域,增加保精型值点,直至所得到的曲线满足精度要求。该方法的优势是在光顺前对刀具路径数据进行了预处理工作,有效压缩了数控系统生成的密集离散刀位数据,节约了计算拟合偏差的时间。最后通过“海豚”模型验证了该算法的有效性。
(2)刀心点高速进给时,由于刀路拐角过大会导致平动轴减速过度。针对该问题,本文提出一种基于转角向量和双弦弓高的刀心点光顺方法。首先,建立优化模型,结合“样条能量法”,将刀心点光顺问题转化为能量法最优解问题进行研究。先以刀心点光顺前后最大许用偏移量作为约束,利用转角向量和双弦弓高进行建模,寻求微小线段拐角处局部能量最优解,得到光顺后的刀心点坐标,并结合三角函数加减速控制算法,完成对自由曲面一条刀路的仿真分析,达到了在没有超过最大拟合偏差的条件下,完成了加工平均进给速度的提高。
(3)针对刀心点高速进给时,刀轴矢量奇异的区域旋转轴角度变化剧烈的问题,本文提出一种基于单位球面的刀轴矢量奇异避免方法。该方法利用非均匀有理B样条对进入奇异锥范围内的最大刀轴角度变化点“再规划”,使得刀轴矢量末端紧贴着奇异锥边缘绕过,极大地保留原有加工特性。
(4)为了进一步验证本文所提方法的可行性与有效性,本文先后进行了MATLAB数值仿真与VERICUT叶轮加工实验。使用三角函数型加减速控制算法,通过MATLAB软件进行实际数据仿真验证,得到光顺后的路径平均进给速度得到了明显提升,路径中所有刀轴矢量按照规划方法有效完成了奇异避免,光顺后拟合偏差与弓高误差均没有超过给定值。并在VERICUT软件中完成叶轮刀具路径光顺前后仿真加工的实验,经过本文光顺优化方法对叶轮刀具路径进行优化可以大大降低数控加工过程中的过切现象,提高了加工的精度。
五轴加工路径的光顺处理技术一直以来都是数控加工的关键点与难点。多年来很多学者都在该领域开展了大量的研究。本文针对现行五轴加工中存在的路径拐角处平动轴减速过度,奇异区域旋转轴角度变化剧烈的问题,以AC双转台五轴机床为研究对象,提出一种满足机床运动学约束的路径优化方法,很好的完成了本课题的研究任务,达到了预期的目的。但是在五轴刀具路径光顺技术研究方面,仍有大量的问题需要解决,具体的问题主要概括为一下几个方面:
(1)对于五轴数控加工过程中的进给速度规划,本文使用的三角函数型加减速控制算法,由于其各阶导数均为连续的三角函数,该特性可以有效避免加工中遇到的加速度突变,并且算法简单,易于实现,在高速数控系统中应用广泛。但是S型曲线加减速控制在高端的高速数控机床中的使用更为广泛,本文需要进一步的研究在不同运动控制算法下的优化效果,实现算法的通用性。
(2)本文提出的路径光顺技术主要根据拐角处的路径建立约束关系,并没有将实际加工中的工况环境等因素建立约束。在接下来及研究过程中,将结合五轴数控机床刀具路径规划中的干涉问题,展开深入的研究,将刀轴矢量的扫掠面纳入五轴路径光顺中,建立更加符合实际工况条件下的路径光顺算法模型。
(3)本文采用的刀轴矢量表达方式为齐次坐标表达,目前的研究正在逐渐将对偶四元数知识纳入刀轴矢量的光顺优化算法,并借鉴机器人领域相关文献中关于四元数方法的应用知识,对刀轴运动轨迹的优化开展进一步的研究。(4)本文的光顺优化方法主要是在轨迹段内进行的,未对相邻轨迹段之间的转接问题进行研究,下一步将对轨迹与轨迹之间的路径利用三次B样条进行转接光顺,提高路径衔接之间的轨迹优化,提高加工轨迹的平滑性。
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2024-11
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