面向五軸高效銑削加工的刀具可行空間GPU計算與刀具方向整體優(yōu)化.pdf

1、五軸數(shù)控加工的優(yōu)勢主要通過控制刀具方向?qū)崿F(xiàn)，體現(xiàn)在：(1)改變刀具方向可以提高刀具可達性，實現(xiàn)葉輪、葉片和螺旋槳等復(fù)雜曲面加工；(2)加工葉輪根部等曲率大的區(qū)域時，只能用剛度較低的小半徑刀具，通過選擇合理刀具方向，可以縮短刀具懸伸量，提高銑削系統(tǒng)的整體剛度；(3)通過規(guī)劃刀具方向能夠更好的匹配刀具幾何與工件曲面，可以使用側(cè)銑加工等高效加工方式；(4)控制刀具方向可以控制刀具參與切削的區(qū)域，降低切削力和刀具磨損，提高加工表面質(zhì)量。因此，合

2、理規(guī)劃刀具方向是規(guī)劃五軸高效加工刀具路徑的關(guān)鍵，理論上，五軸數(shù)控機床可以控制刀具方向到高斯球面上的任意一點，但由于干涉避免和機床工作空間等幾何約束，刀具方向被限制在高斯球面上的一片可行域中，為了提高加工質(zhì)量和加工效率，需要為每一個刀位在可行域中優(yōu)化選擇刀具方向。
　　 本學(xué)位論文以復(fù)雜曲面五軸銑削加工為應(yīng)用背景，研究基于可行空間的高效銑削加工刀具方向整體優(yōu)化方法。五軸高效銑削加工刀具方向規(guī)劃的難點是除滿足幾何約束外，還需要考慮速

3、度平滑、刀具變形和加工穩(wěn)定性等動態(tài)特性，以及切削過程中切削力等物理因素對加工質(zhì)量的影響。目前的商用CAM軟件主要考慮幾何約束，本文從刀具可行空間出發(fā)整體優(yōu)化刀具方向，除幾何約束外，考慮到五軸數(shù)控加工中的動態(tài)特性和物理因素，重點在刀具方向光順性整體優(yōu)化、安全最短刀具長度規(guī)劃和等距雙NURBS刀具路徑規(guī)劃這三個方面開展研究，主要研究工作及創(chuàng)新性成果如下：
　　 一.針對刀具可行空間計算速度慢的問題，提出了基于顯卡硬件的刀具全局可達方

4、向錐快速計算方法，及運用空間剖分法的加速處理機制。仿真計算表明該算法具有線性時間復(fù)雜度，且計算速度遠快于現(xiàn)有文獻中的C空間法(Chell A.Roberts，2007)和可視錐法(S.Sarma，2000)。在障礙物模型包含的三角形個數(shù)是文獻(Gershon Elber,2005)中的10倍時，用該算法檢測一個刀位可達性的平均時間從1.23×10-3秒減少到4.63×10-5秒。
　　 二.研究了在刀具可行空間中，通過優(yōu)化刀具方

5、向的光順性來滿足加工過程中機床動態(tài)特性需求的方法。根據(jù)連續(xù)刀具路徑干涉避免、機床工作空間和加工工藝約束計算出了刀具可行方向錐，建立了在相鄰刀觸點之間刀具方向變化約束下的刀具方向最短路徑模型，提出了整體優(yōu)化刀具方向光順性的算法。該算法在復(fù)雜曲面的五軸加工中，可以顯著減少加工時間，七葉大彎角螺旋槳模的加工實驗中，整體光順刀具方向后，加工時間從51分鐘減少到34分鐘。
　　 三.為改善刀具方向變動對切削力平穩(wěn)性的影響和提高計算效率，提

6、出了在刀觸點網(wǎng)格基礎(chǔ)上規(guī)劃刀具方向的算法，求取同時保證進給和相鄰行兩個方向總體光順的刀具方向，并通過插值得到所有刀觸點處的刀具方向。仿真表明光順刀具方向可以提高機床進給運動的平穩(wěn)性和加工效率，應(yīng)用于汽輪機葉片葉根部分的五軸數(shù)控加工中，規(guī)劃13945個刀位點的刀具方向時，只需計算900個網(wǎng)格點處的可達方向錐，提高了計算效率，加工實驗證明了算法的有效性和工程實用性。
　　 四.刀具懸伸過長會降低銑削系統(tǒng)剛度，易造成振動和變形，進而影

7、響加工的表面質(zhì)量，論文提出了可用安全最短刀具的刀具方向規(guī)劃算法。通過求解在刀具無干涉約束和相鄰刀觸點之間刀具方向變化約束下的刀具方向動態(tài)規(guī)劃模型，規(guī)劃出沿整個刀具路徑的安全刀具長度。與現(xiàn)有文獻(Y.R.Hwang，2003)中規(guī)劃光滑無干涉刀具路徑的算法相比，該算法可以明顯縮短刀具懸伸量。應(yīng)用于復(fù)雜螺旋槳模的數(shù)控加工中，使刀具長度從55mm縮短到40mm，提高了加工表面質(zhì)量。
　　 五.研究了基于等距雙NURBS曲線的五軸高效加

8、工刀具路徑規(guī)劃方法。研究了采用有理對偶四元數(shù)曲線插值光順刀具路徑，把刀具有理運動轉(zhuǎn)化為等距雙NURBS刀具路徑的方法；給出了圓錐銑刀沿有理對偶四元數(shù)曲線運動時包絡(luò)面的解析解，描述了一般回轉(zhuǎn)刀具沿有理對偶四元數(shù)曲線運動時獲取特征點封閉解的方法，分析了特征點奇異的情況，給出了圓錐銑刀側(cè)銑加工的NURBS刀具路徑規(guī)劃方法。在等距雙NURBS刀具路徑插補和小線段插補的對比實驗中，等距雙NURBS刀具路徑可以使加工時間從15.384秒減少到3.3

9、8秒，且具有更平滑的進給速度和加工速度。
　　 六.研制了基于可行空間的刀具方向規(guī)劃軟件(SurfMilling V1.0)，該軟件提供了刀具可行空間計算、安全最短刀具長度優(yōu)化、刀具方向整體光順、等距雙NURBS刀具路徑插值和后置處理功能。通用CAM軟件一般由用戶提供刀具方向規(guī)劃策略，而論文開發(fā)的軟件可以根據(jù)輸入的障礙物模型、刀具模型和刀觸點(或刀位點)序列自動規(guī)劃出優(yōu)化的數(shù)控程序，以汽輪機中壓11級動葉片葉根連接處精加工為例介