五轴数控加工无干涉无奇异高效轨迹生成与优化研究

【摘要】五轴机床额外增加的两个旋转自由度极大地扩大了机床加工的工艺范围,提高了零件成形的精度和效率,却也给机床的实际使用和推广带来了不少难点,其中比较突出的问题有：五轴干涉检测与避免、五轴刀具路径生成、五轴奇异现象检测与避免、五轴非线性误差控制等。本学位论文在积极借鉴相关理论和现有文献方法的基础上,开展五轴刀具路径规划相关环节算法基础研究,为自主五轴CAM(computeraidedmanufacturing)软件开发提供一些开放尝试和算法积累。论文以五轴加工路径生成的整个过程为主线,从层切法环形粗加工路径生成入手,重点研究在五轴路径规划的初始阶段,即将刀具干涉问题、机床奇异问题考虑在内,并在此基础上,生成具有均匀残高、弓高特性的五轴自由曲面加工路径,并在最后通过优化工件安装位置控制五轴加工非线性误差。论文主要研究内容和成果归纳如下：提出若干时间复杂度接近线性的粗加工路径生成关键算法,并对得到的粗加工路径进行优化。首先提出一种基于截交线段端点排序的轮廓点列曲线快速链接算法,用于获取层切法粗加工中当前层的加工区域。对获得的加工区域,提出一种基于Delaunay三角化的小岛桥接算法,将内轮廓曲线快速桥接至外轮廓曲线。对得到的归一化桥接曲线,提出一种基于轮廓更新法则和树结构分析的平面曲线偏置算法,用于生成环形路径。以上提出的算法时间复杂度均接近线性。最后,提出一种基于加工区域角线提取及串联的环形路径拐角未切削区域全局清除策略,最大限度地增加相邻路径间距以提高粗加工效率。提出一种基于可行域插值的五轴刀具姿角无干涉区域快速计算方法,该方法用来提高五轴路径规划阶段刀具和工件干涉检测速度,为五轴无干涉刀具路径生成奠定理论基础。对形如S(u,v)的自由曲面,首先在工件曲面上按一定规则采集少量刀触样点；对每个刀触样点,结合局部坐标系下刀具姿角控制方程以及刀具和工件曲面干涉检测模型,获得其姿角可行域；最后用3次B样条曲面插值方法对样点可行域进行插值,计算控制点信息,获得形如Ω(u,v)的可行域表达式。对Ω(u,v),只要代入任意曲面参数坐标(uo,v0),便能快速计算相应的无干涉刀具姿角范围Ω(uo,v0)。提出一种基于切割曲面法矢的高效五轴等残高刀具轨迹生成方法,该方法具有一定的通用性,适合半径较大的刀具以及各种类型曲面。该方法的基本原理可描述为：首先在工件曲面上生成足够浓密且长度为设定残高容许值的法矢,当刀具沿着曲面上当前路径切削过后,与切削刃接触的法矢被切割,在曲面上形成一条切削带,提取该切削带边界并以此为基准生成下一条路径曲线；依此递推,直至生成覆盖整张曲面的等残高路径。该方法操作过程中数学近似处理较少,得到的刀具路径精度较高,且通用性较好。提出一种基于切割曲面法矢的精确五轴离线刀位生成方法,该方法能够控制相邻刀位点的加工误差等于最大容许误差,从而获得较少的刀位点数量。该方法中刀位点以递推方式生成,在每一步递推过程中又包含两个步骤,即初始步长计算和精确步长计算。初始步长计算通过二阶泰勒展开法和圆弧近似实现,获得精度不高的初始步长作为精确步长计算的输入；而精确步长计算则依赖于基于切割曲面法矢的加工误差精确计算模型。该方法能够获得误差均匀的曲面加工效果,刀位点数量减少,适合高速加工。提出一种基于C空间方向曲线平移的五轴无奇异刀具姿角优化算法,在路径规划阶段即实现五轴奇异问题的检测与规避。首先在刀位点生成的初始阶段,额外保存刀触点和局部坐标系信息；然后将刀轴矢量投影至C空间得到一条方向曲线,同时在C空间定义用来检测奇异问题的锥度圆；如果方向曲线和该圆相交,则以一最短距离平移方向曲线以避开锥度圆；最后结合新方向曲线和保存的局部坐标信息反算新刀位点。该方法能够在有效避免奇异问题的同时,保持了原始路径曲线上刀触点位置不变,且不增加刀位点数量。提出一种基于粒子群算法的五轴工件安装位置优化算法,用于降低五轴加工中的非线性误差。以双回转工作台型五轴机床为例,在分析该型五轴机床运动学方程的基础上,推导带RTCP(ratationaltoolcenterpoint)插补时非线性误差的计算方法,并将其表示成工件安装位置函数；引入粒子群算法并进行改造,取消粒子速度项,增加变异项,以非线性误差为优化目标,对工件安装位置进行优化。实验结果表明,在不增加任何经济成本的前提下,对工件安装位置进行优化可显著降低非线性误差。该方法稍加改造可推广到任意类型五轴机床。
【作者】林志伟；
【导师】傅建中；贺永；沈洪垚；
【作者基本信息】浙江大学，机械制造及其自动化，2014，博士
【关键词】五轴路径规划；可行域插值；等残高轨迹；等弓高刀位；无奇异刀具姿角；RTCP；

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