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本文摘要：

在滿足機床運動學約束的條件下，如何實現高進給速度的加工路徑已逐漸成為當前數控加工中急需解決的關鍵和難點。商業的計算機輔助制造軟件在對刀具路徑規劃的過程主要是基于被加工件的幾何約束，并不考慮實際機床的運動學性能，會導致五軸數控機床在刀路拐角處產生平動軸速度驟減，旋轉軸因進入奇異區域角度變化劇烈的問題。為了使加工的精度更高，技術人員通常將G代碼的直線段密化，該方法增加了五軸數控機床的處理負擔，難以保證機床加工實時性的要求。本文深入研究了高速進給條件下五軸線性加工路徑光順技術，并通過仿真實驗分析，驗證了本文方法的有效性。以下是本文主要完成的工作：

(1)為了提高刀路光順前后擬合偏差計算的實時性，本文提出一種基于剪力躍度特征點的NURBS曲線擬合方法。通過利用相鄰離散點間的曲率對原始數據點剪力躍度進行求解，篩選出剪力躍度優勢點作為初始型值點進行樣條擬合，并對初次擬合完成的數據中尋找擬合偏差超限區域，增加保精型值點，直至所得到的曲線滿足精度要求。該方法的優勢是在光順前對刀具路徑數據進行了預處理工作，有效壓縮了數控系統生成的密集離散刀位數據，節約了計算擬合偏差的時間。最后通過“海豚”模型驗證了該算法的有效性。

(2)刀心點高速進給時，由于刀路拐角過大會導致平動軸減速過度。針對該問題，本文提出一種基于轉角向量和雙弦弓高的刀心點光順方法。首先，建立優化模型，結合“樣條能量法”，將刀心點光順問題轉化為能量法最優解問題進行研究。先以刀心點光順前后最大許用偏移量作為約束，利用轉角向量和雙弦弓高進行建模，尋求微小線段拐角處局部能量最優解，得到光順后的刀心點坐標，并結合三角函數加減速控制算法，完成對自由曲面一條刀路的仿真分析，達到了在沒有超過最大擬合偏差的條件下，完成了加工平均進給速度的提高。

(3)針對刀心點高速進給時，刀軸矢量奇異的區域旋轉軸角度變化劇烈的問題，本文提出一種基于單位球面的刀軸矢量奇異避免方法。該方法利用非均勻有理B樣條對進入奇異錐范圍內的最大刀軸角度變化點“再規劃”，使得刀軸矢量末端緊貼著奇異錐邊緣繞過，極大地保留原有加工特性。

(4)為了進一步驗證本文所提方法的可行性與有效性，本文先后進行了MATLAB數值仿真與VERICUT葉輪加工實驗。使用三角函數型加減速控制算法，通過MATLAB軟件進行實際數據仿真驗證，得到光順后的路徑平均進給速度得到了明顯提升，路徑中所有刀軸矢量按照規劃方法有效完成了奇異避免，光順后擬合偏差與弓高誤差均沒有超過給定值。并在VERICUT軟件中完成葉輪刀具路徑光順前后仿真加工的實驗，經過本文光順優化方法對葉輪刀具路徑進行優化可以大大降低數控加工過程中的過切現象，提高了加工的精度。

五軸加工路徑的光順處理技術一直以來都是數控加工的關鍵點與難點。多年來很多學者都在該領域開展了大量的研究。本文針對現行五軸加工中存在的路徑拐角處平動軸減速過度，奇異區域旋轉軸角度變化劇烈的問題，以AC雙轉臺五軸機床為研究對象，提出一種滿足機床運動學約束的路徑優化方法，很好的完成了本課題的研究任務，達到了預期的目的。但是在五軸刀具路徑光順技術研究方面，仍有大量的問題需要解決，具體的問題主要概括為一下幾個方面：

(1)對于五軸數控加工過程中的進給速度規劃，本文使用的三角函數型加減速控制算法，由于其各階導數均為連續的三角函數，該特性可以有效避免加工中遇到的加速度突變，并且算法簡單，易于實現，在高速數控系統中應用廣泛。但是S型曲線加減速控制在高端的高速數控機床中的使用更為廣泛，本文需要進一步的研究在不同運動控制算法下的優化效果，實現算法的通用性。

(2)本文提出的路徑光順技術主要根據拐角處的路徑建立約束關系，并沒有將實際加工中的工況環境等因素建立約束。在接下來及研究過程中，將結合五軸數控機床刀具路徑規劃中的干涉問題，展開深入的研究，將刀軸矢量的掃掠面納入五軸路徑光順中，建立更加符合實際工況條件下的路徑光順算法模型。

(3)本文采用的刀軸矢量表達方式為齊次坐標表達，目前的研究正在逐漸將對偶四元數知識納入刀軸矢量的光順優化算法，并借鑒機器人領域相關文獻中關于四元數方法的應用知識，對刀軸運動軌跡的優化開展進一步的研究。(4)本文的光順優化方法主要是在軌跡段內進行的，未對相鄰軌跡段之間的轉接問題進行研究，下一步將對軌跡與軌跡之間的路徑利用三次B樣條進行轉接光順，提高路徑銜接之間的軌跡優化，提高加工軌跡的平滑性。

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標簽：五軸加工

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