本文摘要:
本文主要針對五軸加工中心加工過程中影響復雜曲面零件輪廓精度的非線性誤差,跟隨誤差,以及后置處理開發方面進行了研究。通過對機床運動鏈的分析,建立了雙轉臺式五軸加工中心和五軸鉆攻中心的運動學模型并進行了求解和驗證;對非線性誤差產生機理進行了分析,建立了非線性誤差模型并通過區域誤差補償法對非線性誤差進行補償,最后通過MATLAB仿真驗證了優化算法的可行性;對跟隨誤差的產生機理進行了分析,然后通過區域躍度優化法對跟隨誤差進行了約束并通過MATLAB仿真驗證了優化算法的可行性;基于eclipse平臺,利用JAVA語言建立可交互界面來實現所提出的算法功能;以某型透平葉片為試件,通過UG加工編譯和本文后置處理軟件處理后,采用VERICUT軟件進行仿真加工,然后在實際機床上進行真實切削實驗,最后通過CMM三坐標測量儀對葉片進行實際加工測量和分析。論文主要內容總結如下:
(1)分析了現有四種求解姿態角度的方法得出:歐拉角法存在奇異解問題;方向余弦法雖然可以全姿態求解但求解過程相對復雜;四元數法也可以全姿態求解但幾何特性不明顯;三角函數法可以全姿態求解且幾何特性明顯;對比后本文采用三角函數法對運動學進行求解。在運動學建模過程中可以對平移轉換進行簡化,并利用向量加減的幾何特性對刀位點和刀具姿態進行求解,最后將運動學求解后的NC數據導入至CIMCO刀路仿真軟件中得出,仿真刀路與工藝規劃刀路一致,驗證了所建立運動學模型的正確性。
(2)分析了非線性誤差產生機理并對比傳統針非線性誤差補償方法的優劣得出,單一的非線性誤差補償方法對復雜零件的整體補償效果相對較差,因此本文提出了一種綜合傳統方法的區域非線性優化算法來控制非線性誤差,首先通過旋轉軸角度變化幅度大小對刀路進行分區,然后通過諧波函數法和刀軸矢量插補法分別對刀軸矢量變化平緩和急促的區域進行非線性誤差補償,最后通過MATLAB進行了數據仿真分析。結果表明,區域優化算法在刀軸變化平緩區的非線性誤差值明顯小于線性插補非線性誤差值;在刀軸矢量變化急促區域,非線性誤差趨近于0。
(3)分析了跟隨誤差的產生機理,并采用區域躍度約束來對跟隨誤差進行約束。首先根據刀位點間的向量夾角大小和夾角變化幅度確定拐角點和拐角區域,然后基于躍度約束對各軸躍度進行優化,之后推導至各軸的加速度和速度,并通過平均所有軸的優化速度求出優化后刀具的總進給速度,最后通過MATLAB對所提出的算法進行仿真。結果表明,優化后的躍度滿足各軸的運動特性要求,且各軸躍度、加速度、速度曲線相對未優化曲線無劇烈突變。
(4)在所建立的運動學求解模型以及區域非線性誤差補償、區域躍度優化算法的基礎上,基于eclipse平臺并利用JAVA語言開發出了一款多功能專用后置處理軟件。軟件包括文件管理,精度優化、零點偏移、關鍵字設置、機床參數設置等功能,可以實現人機參數交互,讓用戶可以針對不同的加工環境設置與之對應的參數并輸出相應的NC代碼。
(5)為驗證所開發后置處理軟件和算法的可行性和正確性,以某型透平葉片為試件進行了仿真和實際切削驗證。仿真分析結果表示,所開發的后置處理軟件可以導出機床可識別且正確的NC代碼,綜合優化補償算法相對于傳統線性插補算法可以避免葉片在進出汽邊圓角處的過切現象,并及大地減少零件的殘留量,相對線性插補算法殘留數減少了122,最大殘留值減少了0.063687mm;相對線性插補算法過切數減少了228,最大過切值減少了0.230206mm。實際切削后結果分析表示,提出的綜合優化算法可以同時滿足刀具的運動精度和位置精度,加工過程中刀具軌跡光滑,無劇烈震動且無報警、干涉和碰撞等現象,加工后的零件經過三坐標測量儀的測量結果顯示最大厚度精度的偏差相對于線性插值法減小0.0376mm;進、出汽邊輪廓的上偏差值分別減小了0.0054mm和0.0062mm,下偏差值分別減小了0.2254mm和0.1107mm,驗證了本文所開發后置處理軟件的正確性和可行性。
展望
(1)在速度控制方面,本文采用的是分區域并基于躍度約束對非線性優化后的刀位點進行動態速度優化。該方法在躍度優化時,優化后的總進給速度曲線雖然變化量相對總的進給速度大小并不大,但總體曲線并不平緩。因此,之后的研究可以在當優化后總進給速度的變化超過一定范圍時,通過插補刀位點來緩和總進給速度的變化,然后再將新的刀位點進行非線性誤差補償,實現功能的循環補償,直至各參數最優。
(2)在后置處理開發方面,本文是通過eclipse平臺和JAVA語言進行實現,目前適用的機床只有AC和BC雙轉臺兩種類型,數控系統關鍵字的設置也只有幾種主要功能。此外當新的優化算法需要寫入至軟件時,需要重新進行開發。因此,之后的研究可以集中在后置處理的兼容性和二次開發的簡易性方面。
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