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1、螺旋桨零件曲面造型及数控加工工艺研究1、相关定义1.1、数控加工仿真技术的定义数控加工仿真就是利用计算机技术通过图形、数字等形式对机械加工的加工环境和加工过程进行3D模拟,以达到判断和验证数控加工程序正确性和合理性的目的。数控仿真加工技术是实现虚拟制造的一项重要支撑技术,也是先进机械制造技术的重要组成部分。通过仿真数控加工的过程,可以减少数控程序的调试时间,节省数控加工的试切费用,提高机床的安全性及加工效率[26-29]。1.2、B样条曲线方程及递推定义不能用直线、圆弧和二次圆锥曲线描述的任意形状的曲线称为自由曲线;而自由曲面是指不能用基本立体要素(如棱柱
2、、棱锥、球、有界平面等)描述的呈自然状态的曲面,为了描述这种复杂形状和具有局部性质,应用一套特殊的基函数即B样条基函数[14]。B样条曲线方程可写成∑==niuiNiku0P()d,()(2.1)其中di,i=0,1,,n为控制顶点,又称德布尔点。顺序连成的折线称为B样条控制多边形,又常简称为控制多边形。Ni,k(u),i=0,1,,n称为k次规范B样条基函数,其中每一个称为规范B样条。它是由一个称为节点矢量的非递减的参数u的序列U:u0≤u1≤≤ui+k+1所决定的k次分段多项式,也即是k次多项式样条。B样条有多种等价定义。在理论上较多地采用截尾幂函数的
3、差尚定义。下面介绍作为标准算法的德布尔和考克斯的递推定义,又称为德布尔-考克斯递推公式。为方便应用,先多直接采用次数给出如下:13???????????==??+??=???≤1.3、曲面雕铣加工复杂度定义在研究自由曲面几何特征对雕铣加工性能指标的影响时,用曲面雕铣加工复杂度来代表自由曲面各种几何特征相对于雕铣加工性能的综合影响效应。这种将曲面形状特征当成一个整体来研究其对雕铣加工性能的影响是非常必要和有益的,这是因为在机床切削系统中,影响雕铣加工性能的因素很多,除了零件曲面形状,还有切削刀具、加工材料、切削机床以及刀具路径等,因此可以将曲面形状特征和其他
4、因素综合起来考虑其对雕铣加工性能的影响。计算复杂性理论主要研究计算问题时所消耗的资源,通常是指时间和空间。本文借用复杂性的概念和内涵并将其延伸至能量领域,借此研究复杂自由曲面的形状特征在时间、空间以及能量上对数控雕铣诸如加工效率、表面质量以及能量消耗等性能指标的影响。曲面雕铣加工复杂度的时间性体现在曲面雕铣加工复杂度影响雕铣加工数控编程时刀具路径的生成时间和刀具路径的总长度。目前CAM系统大部分以曲面为驱动对象生成刀具路径,那么曲面雕铣加工复杂度的值越大,意味着雕铣加工对象表面形状越复杂,在编制相应的数控程序时消耗的时间就更多。曲面雕铣加工复杂度的空间性体
5、现在曲面雕铣加工复杂度定义时一方面考虑加工零件的空间尺寸对数控编程时刀具路径生成时间和刀具路径总长度等影响,20另一方面考虑复杂曲面的表面形状对雕铣加工质量的影响。曲面雕铣加工复杂度的能量性体现在曲面雕铣加工复杂度对雕铣加工能量消耗有很大的影响,当曲面雕铣加工复杂度的值越大时,雕铣加工对象表面形状就越复杂,伴随着雕铣加工切削系统的能量消耗将增大。从上述分析,我们得出这样一个结论,曲面雕铣加工复杂度(以下简称SMC)试图去反映雕铣加工对象的复杂表面几何特征对雕铣加工各项性能指标在时间、空间以及能量上的影响。由此我们给出曲面雕铣加工复杂度的定义,指具有一定尺寸
6、的用于数控雕铣加工的自由曲面的复杂程度,反映的是自由曲面表面加工特征对雕铣加工各项性能指标在时间、空间以及能量上的影响。后文中将利用自由曲面的曲率信息把曲面雕铣加工复杂度量化,其重要作用在于有助于我们分析加工曲面时了解对象的几何复杂程度和雕铣加工的难易程度,进而对切削参数选择、切削刀具选择以及刀具路径生成等数控编程时的各项决策产生重大的影响。1.4、定义特性坐标系特性坐标系固定在相对于工件基准面倾斜的平面中,其+Z轴方向指向倾斜面的法矢量方向。特性坐标系在工件坐标系上定义,特性坐标系和工件坐标系的关系如图3-2所示。图3-2特性坐标系与工件坐标系的关系特性
7、坐标系可以通过G代码输入多种参数形式来定义,本文设计三种G代码定义方式,分别是:倾斜面上3点、矢量和欧拉角定义,它们最终都转化为欧拉角的形式进行计算。1.欧拉角定义特性坐标系特性坐标系由倾斜面上一点和欧拉角定义:G68.2XxYyZzIαJβKγ其中X、Y、Z为特性坐标系原点在工件坐标系的坐标,I、J、K是决定特性坐标系方向的欧拉角。由旋转变换,以工件坐标系原点为中心将工件坐标系绕Z轴以角度α旋转得到坐标系1,将坐标系1绕X轴旋转角度β得坐标系2,将坐标系1.5、与刀位轨迹规划有关的概念与刀具轨迹有关的几个基本概念[47](1)切触点:加工过程中刀具与被加
8、工零件曲面的理论接触点。针对曲面加工,不管是什么刀具,从几何学的视
