【正文】 用模塊化結(jié)構(gòu)，刀片多為可轉(zhuǎn)位機夾刀片，已經(jīng)形成了標準化，系列化的特點。所以在曲 面精加工時盡可能實現(xiàn)一刀切削。平行于刀軸驅(qū)動面平行于刀軸驅(qū)動面是指 刀具軸線始終垂直于刀軸驅(qū)動面相應(yīng)點的表面法向矢量。常見的刀具軸線控制方式：垂直于刀軸驅(qū) 動面，平行于刀軸驅(qū)動面，傾斜于刀軸驅(qū)動面。在某 些情況下，零件的加工表面從幾何特征上看不適于采用側(cè)銑加工，但由于結(jié)構(gòu) 的限制，難以采用端銑的方法，只有利用側(cè)銑的方法，其中的關(guān)鍵因素是定義 加工曲面和避開干涉面。 復(fù)雜曲面的銑削數(shù)控加工的關(guān)鍵是整個加工系統(tǒng)的合理應(yīng)用，包括曲面加 工方法的設(shè)定，切削機床，切削刀具，切削參數(shù)的合理選用。前者工作的方式是以全程關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)格 式直接從 CAD 模塊中獲取產(chǎn)品實體模型。為了加工出 所需的自由曲面，需通過多次坐標變換和復(fù)雜的空間幾何運算，同時還要考慮 各軸運動的協(xié)調(diào)性，避免干涉、沖撞，以及旋轉(zhuǎn)軸矢量的變化 要適時適量等， 以保證所要求的加工精度和表面質(zhì)量，避免過切或欠切。 而 MATLAB 是一個功能強大的數(shù)值計 算和數(shù)據(jù)圖形可視化數(shù)學(xué)工具軟件。如圖 2． 3 所示 ： 圖 2． 3 等誤差逼近示意圖 文獻四中在篩選過程中，采用了一種近似的方法進行。 逼近發(fā)散方法和特點 等參數(shù)逼近是對曲線參數(shù) s 進行等參數(shù)步長分割，將各接點的參數(shù)值代入 曲線方程中計算該點坐標值，順序直線連接個坐標點即為逼近原曲線的刀具軌 跡。從而得到適 用的加工程序。旨在研究復(fù)雜曲面的制造技術(shù)在五軸聯(lián)動加工中心的應(yīng) 用。其中對工 程圖表的數(shù)學(xué)處理是關(guān)鍵的技術(shù)難題。旨在研究復(fù)雜曲面 的制造技術(shù)在五軸聯(lián)動數(shù)控加工的應(yīng)用，為推廣五軸數(shù)控加工技術(shù)研究和應(yīng)用 提供技術(shù)支持。 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(xué)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(xué)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(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工的研究 3． 1 五軸數(shù)控加工的應(yīng)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(fù)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(yīng)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。對測量得到復(fù)雜曲面零件的圖表數(shù)據(jù)進行了數(shù)學(xué)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(fù)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(yīng)的補償；對典型的復(fù)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(yīng)用?；谖遢S 聯(lián)動數(shù)控加工 復(fù)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。 復(fù)雜曲面的建模技術(shù)：復(fù)雜零件的建模是數(shù)控加工編程的基礎(chǔ)?；谖遢S聯(lián)動數(shù)控加工的復(fù)雜形狀零件的設(shè)計加工過程的 各個要素得到了考慮。 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。 對于復(fù)雜曲線的逼近，可以采用等參數(shù)，等步長，等誤差三種方法對其進 行逼近處理。采用先以小參數(shù)對原曲線進行密集離散，然后再校 核各離散段內(nèi)的實際逼近誤差，刪除不必要的離散點，從而是剩下的各離散段 內(nèi)的逼近誤差近似 相等。 2． 3 本章小結(jié) 數(shù)控加工過程中，工程數(shù)據(jù)的處理以計算量大和復(fù)雜成為一大瓶頸問題。因為五軸數(shù)控加工不 同于三軸，它除了三個直線軸運動外，還有兩個旋轉(zhuǎn)軸運動，其多軸聯(lián)動所形 成的合成運動的空間軌跡非常復(fù)雜和抽象，一般難以想象和理解。 CAD／ CAM 刪的計算機輔助編程的實現(xiàn)一 般為兩種方式： CAD／ CAM 集成一體化系統(tǒng) 如 UG， CATIA， Pro／ Engineer 等 和相對來說較為獨立的 CAM 系統(tǒng)。數(shù)控加工方法則是解決此類難題的有效途徑。側(cè)銑加工常用來加工直紋面，準直紋面等曲面。多軸加工的對象零件結(jié)構(gòu)往往非常復(fù)雜， 因此其刀軸的控制方式也多種多 樣。能夠 減小刀具軌跡長度和高的加工效率。顯然，刀具軌跡越短，其加工效率越 高． 2 刀具軌 跡的連續(xù)性：不連續(xù)的軌跡會因經(jīng)常性的抬刀使刀具往返時間增 加而降低加工效率，而且零件的加工質(zhì)量也會因為系統(tǒng)誤差而降低。根據(jù)其驅(qū)動方法的不同，其 刀具軸控制的方法也不同。陶瓷刀具可分為氧化物陶瓷，氮化物陶瓷，立方碳化硼，金 剛石等，其特點是硬度高，韌性較差，難以用于沖擊力大的斷續(xù)切削。設(shè)刀具半徑為 r’由兩點式直線方程可得： 2 建立刀具切削點軌跡方程 在五軸數(shù)控加工曲面過程中，刀具是相對于刀具驅(qū)動曲面的法向成一定的 角度的，即存在一定的刃傾角和斜偏角。 4 求解刀具軸線擺動誤差 6 n，為了保證加工精度，其最大誤差 6 n 所求的值。 所以影響五軸聯(lián)動數(shù)控加工加工復(fù)雜曲面的編程誤差主要因素有：加工刀 具的半徑，被加工曲面的形狀，和插補步長等。加工的結(jié)果與 采用何種方法造型是無關(guān)的，但無需加工的特征則往往嚴重地影響了刀具軌跡。 總之：對于 CAD 模型，要注意以下各點 確保造型精度比加工精度高； 注意數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中造成的模型缺陷； 注重對無須加工的特征的有效處理； 處理和修正加工模型造型的缺陷將大大節(jié)省編程和加工的時間，提高制造 效率。高速加 工是以更快的速度來執(zhí)行數(shù)控加工程序，這不僅給數(shù)控機床提出了很高的要求， 同時也要求所應(yīng)用 CAM 軟件具有符合高速加工理念的能力和策略。不僅能夠刀具加工負荷得穩(wěn)定 性，而且能夠提高表面加工質(zhì)量。用高速切削加工方式替代 傳統(tǒng)加工方式加工硬度高的材料 如模具 ，可以省去電火花加工和鉗工修磨 等工序，提高了加工的生產(chǎn)率，降低了生產(chǎn)成本，縮短了加工研制周期。刀具的長度變化要求重新開發(fā)后處理程序以及處理刀具軌跡得到 新的加工程序。該后處理方法基于 控制軟件的設(shè)置，通常作為選配項，用戶可以根據(jù)自己的需要決定是否購買 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 五軸機床各運動軸之間的位簧關(guān)系理論上是相互平行或正交，但在實際的 制造過程裝配過程中，各運動軸位置關(guān)系總是存在著一定的誤差，如何 測量計 算其相互的位置誤差，以期在后處理過程中加以補償，是保證五軸數(shù)控加工精 度的一個主要方面，本節(jié)對本項目中研發(fā)的雙擺頭數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)誤差進行測 量標定，為后續(xù)正確的后置處理奠定了條件。 1 將球頭立銑刀裝卡到主軸刀柄上，千分表固定在工作臺表面 2 上述標定的基礎(chǔ)上，使 B 軸處于零點位置 3 移動 C 軸，使 B 軸軸線近似平行于重合于 Y 軸導(dǎo)軌 4 移動機床 X， Y, Z 壓上千分表探針達到十到二十微米 5 移動機床 Y 軸坐標檢驗千分表指針的變化 6 如上所述，移動 C 使 Y 軸移動時，表真的變化在可接受的范圍。在 Pro／ E 中畫圖如下 2 將 B 軸旋轉(zhuǎn)時，刀具中心 Y 坐標設(shè)定為刀具中心到轉(zhuǎn)軸 Y 軸的距離。作為 B， c 兩軸的距 離 d 和刀具中心到轉(zhuǎn)軸的距離 D。零點的標定的誤差對以后 的數(shù)據(jù)處理有著顯著的影響。因此三軸加工的關(guān)鍵在于加工特征識 別和刀具路徑規(guī)劃．而五軸加工的關(guān)鍵在于刀具姿態(tài)優(yōu)化【 3l】。 5． 3 本章小結(jié) 通過對五軸機床各軸坐標系統(tǒng)定義和關(guān)系轉(zhuǎn)換 ,研究了進行五軸加工數(shù)控 編程的主要問題。另外。 5 20 紅．自由曲面三坐標加工走刀步長的確定．武 漢：華中理工大學(xué)學(xué) 報． 1998 8 21 蘭，周艷紅，周濟．復(fù)雜形狀區(qū)域行切加工刀具軌跡生成．貴州：機 械與電子． 1996 4 2