【正文】 畢業(yè)設(shè)計（論文） 復雜曲面的數(shù)控加工技術(shù)研究及應用 河南科技大學 畢業(yè)設(shè)計說明書 （機電一體化工程） 地 市： 鄭州市 準考證號： 姓 名： 河南省高等教育自學考試 高等教育自學考試 畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書 一、題目 復雜曲面的數(shù)控加工技術(shù)研究及應用 二、本環(huán)節(jié)自 2020 年 1 月 14 日起至 2020 年 4 月 20 日止 三、進行地點 河南職業(yè)技術(shù)學院 四、內(nèi)容要求 查閱相關(guān)資料、收集、整理；確定論文提綱，理清書寫思路，進行必要的計算分析；按時完成初稿；根據(jù)指導教師的意見修改；按時完成修改稿交指導教師審閱；根據(jù)指導教師的意見完成定稿。 指導教師： 批準日期： 高等教育自學考試 畢業(yè)設(shè)計指導老師意見書 指導老師 職稱 副教授 年 月 日 高等教育自學考試 畢業(yè)設(shè)計評閱意見書 評閱 老師 職稱 年 月 日 高等教育自學考試 畢業(yè)設(shè)計答辯成績評定書 評 語： 成績總評： 答辯委員會主任： 答辯小組 組長： 答辯小組 成員： 年 月 日 摘 要 數(shù)控技術(shù)和數(shù)控裝備是機械制造業(yè)的重要基礎(chǔ)，是一個國家工業(yè)現(xiàn)代化水 平的重要標志之一。本文研究主題是復雜曲面的數(shù)控加工技術(shù)，通過對復雜曲 面數(shù)控加工過程中的各項關(guān)鍵技術(shù)分析，重點研究以下四個方面的問題：工程 圖表的數(shù)學處理；復雜五軸數(shù)控加工程序的編制；高速加工技術(shù)的應用和五軸 數(shù)控加工后置程 序的開發(fā)。對測量得到復雜曲面零件的圖表數(shù)據(jù)進行了數(shù)學處 理，使之能夠滿足數(shù)控加工的需要；以五軸聯(lián)動數(shù)控加工作為復雜曲面零件高 效的制造方法，闡述了五軸數(shù)控加工所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，其中包括刀具軌跡的 驅(qū)動方式和刀具軸線的驅(qū)動方式；分析了項目研制雙擺頭五軸聯(lián)動數(shù)控加工中 心的結(jié)構(gòu)模型并對其結(jié)構(gòu)誤差進行了測量與補償；研究了五軸數(shù)控加工后置處 理程序開發(fā)的方式和過程，對機床結(jié)構(gòu)誤差做出了相應的補償；對典型的復雜 曲面零件一人頭像的數(shù)控加工提出了加工方案，并實現(xiàn)了基于典型的 CAD／ CAII 軟件 UG 的多軸編 程和后置處理程序的開發(fā)，采用合適的刀具軌跡控制方 式，設(shè)定適當?shù)牡毒咻S線控制方法，得到了符合高速加工理念的刀具運動軌跡 和數(shù)控加工程序；通過該課題研究，可為五軸聯(lián)動數(shù)控加工方案的制定提供了 參考，有利于五軸數(shù)控加工技術(shù)的應用。 關(guān)鍵詞：五軸數(shù)控機床； CAM；數(shù)控編程；后置處理 Abstract 目錄 摘要 1． 1 課題研究背景 1． 2 課題目標 課題意義 第 2 章曲面數(shù)據(jù)列表數(shù)學處理方法的研究 小二乘法及擬合 方法 2． 2 程數(shù)表的第二次數(shù)學處理 2． 等參數(shù)逼近散發(fā)的方法和特點 2． 2． 2 等步長逼近離散法的方法和特點 2． 2． 3 等誤差逼近離散法的方法和特點 2． 3 本章小結(jié) 第 3 章復雜曲面五軸數(shù)控加工的研究 3． 1 五軸數(shù)控加工的應用問題 3． 2 五軸聯(lián)動數(shù)控加工編程的關(guān)鍵技術(shù) 3． 2． 1 數(shù)控編程方法 3． 2． 2 曲面的加工工藝分析 3． 2． 3 五軸數(shù)控加工的刀具驅(qū)動控制 3． 2． 4 數(shù)控加工刀具的選擇 3． 3 復雜曲面的數(shù)控加工誤差分析和補償 3． 3． 1 五軸數(shù)控加工凸 曲面時的誤差 3． 3． 2 五軸聯(lián)動數(shù)控加工凹曲面時的誤差 3． 3． 3 編程影響誤差因素分析補償 3． 4 高速加工技術(shù)及應用 3． 5 本章小結(jié) 第 4 章五軸聯(lián)動數(shù)控加工后置處理程序開發(fā) 33 4． 1 后置處理程序的概念 五軸后處理程序開發(fā)的兩種方法 心位置編程處理 4． 2． 2 旋轉(zhuǎn)軸中心編程處理 RTCP Rotation Tool Centre 4. 3 五軸機床雙擺頭軸的零點標定和結(jié)構(gòu)誤差的標定 34 4． 3． 1 B 軸的零點標定 4． C 軸零點標定 4． 軸軸線和 B 軸軸線的位置關(guān)系的標定 36 4． 分析數(shù)據(jù)結(jié)果 4． 3． 5 實驗結(jié)果分析如下 4． 4 本章小結(jié) 第 5 章五軸數(shù)控編程實例 5． 1 多軸數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)模型 5． 2 五軸數(shù)控加工的程序編制 5． 3 本章小結(jié) 第 6 章總結(jié)展望 致謝 1． 1 課題研究背景 數(shù)控加工技術(shù)一直以來都作為一個國家的機械制造業(yè)水平的衡量標志之 一。近幾年來，作為機械加工領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，五軸 聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)的 研發(fā)和應用得到了科研院所、高校和企業(yè)的極大關(guān)注。國內(nèi)已有數(shù)家機床公司 開發(fā)了五軸聯(lián)動加工中心，華中數(shù)控、廣州數(shù)控和南京四開等數(shù)家公司也開發(fā) 了自己的五軸數(shù)控系統(tǒng)。因此復雜形狀零件的加工技術(shù)由于五軸聯(lián)動數(shù)控加工 中心的應用得到了突破的可能。國外在此已經(jīng)有了成熟的技術(shù)應用體系。而國 內(nèi)尚處于發(fā)展階段，應用方面的缺陷已經(jīng)成為提高復雜關(guān)鍵零件制造水平的一 大瓶頸問題，直接影響了機械制造業(yè)的發(fā)展阮。本課題針對復雜曲面的若干關(guān) 鍵技術(shù) 幾何建模技術(shù)、數(shù)控編程、加工技術(shù) 進行研究?；谖遢S 聯(lián)動數(shù)控加工 復雜形狀零件的制造加工過程的各個關(guān)鍵要素得到了研究。旨在研究復雜曲面 的制造技術(shù)在五軸聯(lián)動數(shù)控加工的應用，為推廣五軸數(shù)控加工技術(shù)研究和應用 提供技術(shù)支持。 五軸聯(lián)動數(shù)控加工的特點： 所謂五軸聯(lián)動加工是指一臺機床上五個坐標軸同時控制協(xié)調(diào)運動進行加 工．五軸聯(lián)動加工一般是指三個坐標軸和兩個轉(zhuǎn)動軸同時協(xié)調(diào)加工，旋轉(zhuǎn)軸的 參與是刀具切削過程中始終處于最佳的切削狀態(tài)成為了可能。五軸聯(lián)動數(shù)控加 工與一般的三軸聯(lián)動數(shù)控加工相比，主要有以下優(yōu)點： 1 通過定義適當?shù)牡?軸變化，可以避開刀具干涉，能夠加工一般三軸數(shù)控 機床所不能加工的復雜曲面。 2 適合于直紋面的加工，采用側(cè)面銑削的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)一刀精加工成型， 挺高了加工質(zhì)量和效率。 3 對曲率半徑大且變化較小的大型曲面，采用大直徑刀具端面銑削，能夠 實現(xiàn)刀具大跨度切削，從而可以顯著地提高加工表面質(zhì)量和加工效率。 4 刀軸的可變化使復雜零件一次裝卡加工空間多個表面，實現(xiàn)了多工序的 集中加工，有利于提高各加工要素的相互位置精度。 1． 2 課題目標 分析復雜零件五軸數(shù)控過 程中的關(guān)鍵技術(shù)問題，為五軸數(shù)控加工技術(shù)的廣 泛應用提供技術(shù)指導。 復雜曲面的建模技術(shù)：復雜零件的建模是數(shù)控加工編程的基礎(chǔ)。其中對工 程圖表的數(shù)學處理是關(guān)鍵的技術(shù)難題。 五軸數(shù)控編程技術(shù)：五軸數(shù)控編程難度大是該技術(shù)應用的瓶頸問題，對刀 具軸線的合理控制是研究的關(guān)鍵問題，其中，刀具軌跡的驅(qū)動方式也是提高提 高加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素所作。高速加工技術(shù)是近年來機械加工技術(shù)發(fā)展方向之 一。影響其應用的各個要素是本課題研究的重點之一。 五軸加工的后處理程序開發(fā)：后處理程序是數(shù) 控加工的關(guān)鍵一環(huán)，其可 靠性是數(shù)控加工安全性和加工質(zhì)量得以保證的前提。對項目中研發(fā)的五軸機床 進行結(jié)構(gòu)和誤差分析，為結(jié)構(gòu)改進和誤差補償提供依據(jù)。 1． 3 課題意義 本課題通過對復雜曲面數(shù)控加工的若干關(guān)鍵技術(shù) 幾何建模技術(shù)，數(shù)控加 工技術(shù) 進行研究?；谖遢S聯(lián)動數(shù)控加工的復雜形狀零件的設(shè)計加工過程的 各個要素得到了考慮。旨在研究復雜曲面的制造技術(shù)在五軸聯(lián)動加工中心的應 用。五軸聯(lián)動數(shù)控技術(shù)不僅提高了機械加工的生產(chǎn)效率，更重要的是主要應用 在航空航天，軍工模具等行業(yè)。對于實現(xiàn)國防現(xiàn)代化有著重 要的意義。 第 2 章曲面數(shù)據(jù)列表數(shù)學處理方法的研究 小二乘法及擬合方法 最小二乘法的基本思想是對應數(shù)據(jù)確定的擬合曲線與各坐標點的偏差的平方和最小【 l】。設(shè)由試驗所得 n 個點的的坐標是 設(shè)擬合公式為則擬合曲線在每一點結(jié)點處與實際值的偏差為，則偏差的平方和為所求擬合多項 式的相應系數(shù)值的原則是上式中各偏差的平方和最小【 1 設(shè)擬合公式是多項式 已知 n 個 點坐標是則各點偏差的平方和為：上式的最小值既是偏差平方和的最小值，根據(jù)連續(xù)函數(shù)求極值的方法，對 各變量求偏導數(shù)，令其偏導數(shù)等于零， 所得方程組為： 上式中有 m+1 個未知數(shù)，有 m 個方程，因此聯(lián)立方程組可求各系數(shù)值。 上述擬合過程在數(shù)控加工的編程工作中，一般被稱為第一次逼近 或稱第 一次數(shù)學處理 。 2． 2 程數(shù)表的第二次數(shù)學處理 第一次逼近所取得的結(jié)果一般都不能直接用于編程，而必須取得逼近列表 曲線的直線或圓弧數(shù)據(jù)，這一擬合過程在編程中被稱為第二次數(shù)學處理 或稱 為第二次逼近 。 雖然高檔的數(shù)控控制系統(tǒng)已經(jīng)能夠?qū)訔l曲線進行處理，但大多數(shù)的數(shù)控 控制系統(tǒng)只能用圓弧和直線的方法來逼近。從而得到適 用的加工程序。本文采 用等誤差直線逼近法來處理用數(shù)學方程來表示的輪廓圖形。一般來說，由于弦 線法的插補節(jié)點均在曲線輪廓上，容易計算，程序編制也簡單一些，所以常用 弦線法來逼近非圓曲線，其關(guān)鍵在于插補段長度及插補誤差控制。由于各種曲 線上各點的曲率不同，如要使各段插補誤差相同，則各插補段長度不等．此種 方法的優(yōu)點是插補段數(shù)目比較少．這對于大型和形狀復雜的曲線零件有較大意 義。 實際加工曲線過程中，機床控制刀具按設(shè)計的曲線運動即可，其輪廓的形 狀由刀具的包絡(luò)而成。曲線加工的理論刀具軌跡 是曲線本身，不必考慮刀具的 補償問題。但一般數(shù)控系統(tǒng)只具有直線，圓弧等少數(shù)插補功能，因此擬合所得 的曲線不能被數(shù)控系統(tǒng)