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复杂曲面的加工及仿真技术研究
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复杂曲面的加工及仿真技术研究
导读：复杂曲面的加工及仿真技术研究，指导教师：复杂曲面的加工及仿真技术研究机械制造及其自动化上官强黄玉美教授签名兰宣，数控加工是ＣＡＤ／Ｃ舢讧技术中发挥效益最直接和最明显的环节之一，随着零件型面复杂程度的增加和数控加工技术的发展，加工程序的复杂性越来越高，因此对所编制的数控加工程序的正确性的验证显得十分重要，本论文进行的数控加工仿真技术的开发，又能检验加工的干涉问题，实现了以真实加工条件为前提的机床西安理工大学硕士学位论文复杂曲面的加工及仿真技术研究姓名：上官强申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化指导教师：黄玉美摘要论文题目：学科专业：硕士生：指导教师：复杂曲面的加工及仿真技术研究机械制造及其自动化上官强黄玉美教授签名兰宣丕墨签名垄髦ｚ乏。摘要数控加工是ＣＡＤ／Ｃ舢讧技术中发挥效益最直接和最明显的环节之一。随着零件型面复杂程度的增加和数控加工技术的发展，加工程序的复杂性越来越高。因此对所编制的数控加工程序的正确性的验证显得十分重要。本论文进行的数控加工仿真技术的开发，既可用于判断所编制的ＮＣ代码的正确性，又能检验加工的干涉问题，具有良好的实用性。实现了以真实加工条件为前提的机床加工过程实时动态模拟，预估计加工的过程和结果。本论文主要内容研究如下：（１）基于参数方程的矢量表示法，推导出数控系统中三次Ｂ样条曲线的一种高速插补方法。本插补方法不仅理论上使所有的插补点落在加工的曲线上，而且加工中的实时插补过程仅有加法运算，故插补速度较高。误差分析表明，只要合理选择参数增量，能保证所要求的加工精度的要求。分析了该算法的性能及特点，并通过数控加工实验得以验证。．（２）用ＡＤＡＭＳ软件对机床作业空间进行仿真：首先，在Ｓｏｌｉｄｅｄｇｅ中建立所设计的铣床三维模型；然后导入ＡＤＡＭＳ中，运用ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ的参数化功能对模型建立约束，施加驱动力；其次，用ＡＤＡＭＳ语言编制空间运动仿真程序，对所设计的铣床进行空间运动功能仿真实验，确保其能在满足所需的作业空间前提下，相互间不发生碰撞。（３）在三维实体造型软件ＡｕｔｏＣＡＤ２００２环境下建立了四轴铣床的三维实体模型，应用ＯｂｊｅｃｔＡＲＸ２００２作为开发工具，借助ＶｉｓｕａｌＣ＋＋６．０开发环境，对ＡｕｔｏＣＡＤ２００２进行二次开发，编制了各轴行程范围的确定，换刀库的生成，毛坯的生成，Ｇ代码的读入，干涉的判断等程序，实现了ＮＣ代码驱动的数控加工仿真以及加工过程中与已加工表面发生干涉的检查，并通过实例对其仿真软件进行了验证。关键词：Ｂ样条曲线／曲面；弓高误差；进给速度误差；ＮＣ代码；刀具半径补偿；数控加工仿真：本研究得到陕西省教育厅项目《复合加工中心开发技术》的后续研究的基金的资助。西安理工大学硕士学位论文Ｔｉｔｌｅ：ＣＯＭＰＬＥＸＴＥＣＨＮＩＱＵＥＳＵＲＦＡＣＥＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧＡＮＤＳＩＭＵＬＡＴＩＯＮＲＥＳＥＡＲＣＨＭａｊｏｒ：Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ＆ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＮａｍｅ：ＱｉａｎｇＳｈａｎｇＧｕａｎＳｕｐｅｒｖｉｓｏｒ；Ｐｒｏｆ．ＹｕｍｅｉＨｕａｎｇＳｉｇｎａｔｕ陀垒纽兰生ｚ皇竺：：ＳｉｇｎａｔｕｒｅＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅＮＣｍａｃｈｉｎｉｎｇｐｌａｙｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｓｉｎｔｈｅＣＡＤ／ＣＡＭｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｏｍａｋｅｂｅｎｅｆｉｔ．ＤｕｒｉｎｇｔｈｅＮＣｍａｃｈｉｎｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｆｐａｒｔｓｍｕｓｔａｄａｐｔｗｉｔｈｉｔ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｔｈｅｐａｒｔｗｉｔｈｃｏｍｐｌｅｘｓｈａｐｅ，ＴｈｅｒｅｆｏｒｅｔｈｅＮＣｓｙｓｔｅｍｈａｄｂｅｔｔｅｒｐｏｓｓｅｓｓｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｓｐｌｉｎｅｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎｂｙｗｈｉｃｈｔｈｅｆｉｎｉｓｈｍａｃｈｉｎｉｎｇｃｕｒｖｅＣａｎｂｅａｃｈｉｅｖｅｄｔｏｓａｔｉｓｆｙｗｉｔｈｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｍａｃｈｉｎｉｎｇｐｒｏｄｕｃｔ．ＷｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｏｆｃｏｍｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｐａｒｔｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＮＣｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｐｒｏｇｒａｍｓｂｅｃｏｍｅｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｃｏｍｐｌｅｘ，ＳＯｉｔｉｓｖｅｒｙｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｔｏｖａｌｉｄａｔｅｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｏｆＮＣｍａｃｈｉｎｉｎｇｐｒｏｇｒａｍ．ＴｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＮＣｍａｃｈｉｎｉｎｇｉｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｉｎｔｈｅｔｈｅｓｉｓ，ｗｈｉｃｈｃａｎｖｅｒｉｆｙｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆＮＣｃｏｄｅｓ?ａｎｄｃｈｅｃｋｔｈｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｉｎｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ａｎｄｈａｓｔｈｅｇｏｏｄｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｃａｎｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｒｅａｌ―ｔｉｍｅｄｙｎａｍｉｃｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｉｍｉｔａｔｉｏｎａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏａｃｔｕａｌｃｕｔｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｐｒｅｄｉｃｔｍａｃｈｉｎｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｅｎｔｓ（１）Ｂａｓｅｄｏｎｏｆｔｈｅｔｈｅｓｉｓａｒｅａｓｆｏｌｌｏｗｓ：ｏｆｖｅｃｔｏｒｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｐａｒａｍｅｔｒｉｃｅｑｕａｔｉｏｎｓ，ａｎｏｖｅｌｆａｓｔｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎｍａｋｅｓａｌｌｍｅｔｈｏｄｏｆｃｕｂｉｃＢｓｐｌｉｎｅｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｎｇｐｏｉｎｔｓｓｉｔｕａｔｅｄｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｎｏｔｏｎｌｙａｔｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃｕｒｖｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ，ｂｕｔｔｈｅｒｅａｌ．ｔｉｍｅｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｈａｓｏｎｌｙｔｈｅａｄｄｉｔｉｖｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ＳＯｔｈｅｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎｓｐｅｅｄｉｓｖｅｒｙｈｉｇｈ．ＴｈｅａｎａｌｙｚｅｄｅｒｒｏｒａｎａｌｙｓｉｓｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｍａｃｈｉｎｉｎｇｐｒｅｃｉｓｉｏｎｃｏｕｌｄｂｅｇｕａｒａｎｔｅｅｄｊｕｓｔｏｎｌｙｓｅｌｅｃｔｉｎｇｔｈｅａｒｅｒｅａｓｏｎａｂｌｅｐａｒａｍｅｔｅｎＴｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙＮＣｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．ａｎｄ（２）ＵｔｉｌｉｚｉｎｇＡＤＡＭＳｓｏｆｔｗａｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｓｔｈｅｗｏｒｋｓｐａｃｅｏｆｍａｃｈｉｎｅｔ００１．Ｆｉｒｓｔ．ｔｈｒｅｅ＿ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｍｉｌｌｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｉｎＳｏｌｉｄＥｄｇｅｄｅｓｉｇｎｓ；ＴｈｅｎｔｈｅｍｏｄｅｌｉｓｉｎｄｕｃｔｅｄｉｎＡＤＡＭＳｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｔｈｅｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓｉｓｃｏｍｐｌｅｔｅｄｗｉｔｈａｒｅｓｅｔｍａｋｉｎｇｕｓｅｏｆＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗｓｐａｃｅｍｏｔｉｏｎｔｈｅｓｐａｃｅｔｈｅｐｒｅｍｉｓｅｔｈｅｐａｒａｍｅｔｒｉｚａｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｄｒｉｖｉｎｇｆｏｒｃｅｓｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｐｒｏｇｒａｍａｒｅａｐｐｌｉｅｄ；Ｎｅｘｔ，ｔｈｅＡＤＡＭＳｌａｎｇｕａｇｅ，ｗｈｉｃｈＣａｎｉｍｉｔａｔｅｅｎｓｕｒｅｍｏｖｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｍｉｌｌｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌａｎｄｔｈａｔｃｏｌｌｉｓｉｏｎｃａｎ’ｔｂｅｒａｉｓｅｄｏｎＩＩＡｂＳｔｒａｃｔｏｆｍｅｅｔｉｎｇｔｈｅｗｏｒｋｓｐａｃｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．（３）ＴａｋｉｎｇＯｂｊｅｃｔＡＲＸａｓｒｅｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｔｏｏｌｏｆｄｒａｗｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅＡｕｔｏＣＡＤｕｎｄｅｒＶｉｓｕａｌＣ抖ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｓｕｃｈｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｏｌｉｄｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｆｏｕｒ－ａｘｉｓｍｉｌｌｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｉｓｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｗｉｔｈＡｕｔｏＣＡＤ２００２ｓｏｆｔｗａｒｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．ＴｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｈａｓｓｅｖｅｒａｌａｓｔｈｅｔｒａｖｅｌｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｅａｃｈＳＯａｘｉｓ，ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆｓｔｏｃｋａｎｄｍａｓｓａｇｅ，ｉｎｐｕｔｏｆＧｃｏｄｅｓ，ｃｈｅｃｋｉｎｇｏｆｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ａｎｄｏｎ，ｗｈｉｃｈｒｅａｌｉｚｅｓｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＮＣｍａｃｈｉｎｉｎｇｄｒｉｖｅｎｂｙＮＣｃｏｄｅｓ，ｍｏｒｅｏｖｅｒｉｔｗｉｌｌｈｅｌｐｏｐｅｒａｔｏｒｓｔｏｆａｍｉｌｉａｒｗｉｔｈｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌａｎｄｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓａｎｄｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ’Ｓｇｏａｌｏｆｆｏｕｒ－ａｘｉｓｍｉｌｌｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓｖａｌｉｄａｔｅｄｂｙａｐｐｌｙｉｎｇｅｘａｍｐｌｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｂ―ｓｐｌｉｎｅｃｕｒｖｅ／ｓｕｒｆａｃｅ；Ｂｏｗｈｉｇｈｅｒｒｏｒ；Ｆｅｅｄｒａｔｅｅｒｒｏｒ；ＮＣｃｏｄｅ；Ｃｕｔｔｉｎｇｔｏｏｌｒａｄｉｕｓｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ＴｈｅｔｈｅｓｉｓｉｓｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＳｈａｎｘｉＰｒｏｖｉｎｃｅｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｆｏｌｌｏｗｉｎｇｒｅｓｅａｒｃｈｆｕｎｄｓｕｂｓｉｄｉｚａｔｉｏｎ．ｐｒｏｊｅｃｔＩＩＩ独创性声明秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任论文作者签名：兰：童．．曼邀冲年３月彩日学位论文使用授权声明‘本人生重墨亟．在导师的指导卞创作尧成单监论文。，本人已通过论文莳答辩。并已经在西安理工大学申请博士／硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权谣安理工大学拥有学位论文的部分使用权，。即：１）已获学位的研究生按学校规定提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；２）为教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。本人学位论文全部或部分内容的公布（包括刊登）授权西安理工大学研究生部办理。（保密的学位论文在解密后，适用本授权说明）论文作者签名：墨！宦歪萤导师签名：莲堕．砒萨；月０日第１章绪论１绪论１．１复杂曲面的ＣＡＤ／ＧＡＭ的发展及现状复杂曲面造型技术是计算机辅助设计（ＣＡＤ）和计算机图形学（ＣＧ）中最为活跃、同时也是最为关键的学科分支之一，它随着ＣＡＤ／ＣＡＭ技术的发展而不断完善，渐趋成熟ｔｌｉ。１．１．１复杂曲面造型技术的发展及现状多年来，人们不断地探索方便、灵活、实用的曲线曲面构造方法。早在第二次世界大战期间，飞机工业就成功创造了成套的飞机外形及其主要构件的数字定义方法。从提出样条函数至今，曲线曲面造型经历了参数样条方法、Ｃｏｏｎ曲面、Ｂｅｚｉｅｒ曲线曲面和Ｂ样条方法等，已取得了辉煌的成果Ｋ２１０上世纪６０年代，孔斯和贝齐埃通过长期从事飞机、汽车的外形设计和加工，提出了更完美、通用的曲线曲面表达形式，将ＣＡＤ中的参数曲面理论引向正确的发展道路，最终导致了非均匀有理Ｂ样条ＮＵＲＢＳ曲面理论体系的诞生。但随着机械工业的不断发展，各种拥有复杂曲面的机械零件得到了越来越广泛的应用，如汽车车身、飞机机身、汽轮机叶片、模具等。复杂曲面的形成原理复杂，加工困难，加工精度不易保证。随着计算机技术、自动控制技术的发展而产生和发展的数控技术从一开始便广泛有效地应用于曲面加工中。用数控加工代替传统的手工打磨、仿形加工的加工工艺，使得曲面的加工效率大大提高，加工范围更加广泛。也使得曲面加工更利于生产管理和向ＦＭＳ加工、ＣＡＤ／ＣＡＭ一体化加工的方向发展。而相反的，曲面加工的更高要求也促使数控技术不断向高效率、多功能、高精度、集成化发展ｎ¨们。１．１．２复杂曲面加工的发展及现状具有复杂曲面零件的加工，一般来说是单件或小批量生产，传统的加工方法是由毛坯制造、砂轮打磨、样件检验等主要工序组成。这个过程周期一般较长，工人劳动强度大，而且不易保证加工精度，材料和工装设备浪费现象严重。在实际生产中，广泛采用数控技术加工复杂曲面。数控加工中，曲面加工的更高级技术是ＣＡＤ／ＣＡＭ一体化加工，是机械技术发展的方向。目前：国外各大软件公司开发的ＣＡＤ／ＣＡＭ软件如美国ＥＤＳ公司的ＵＧ软件等具有曲面造型与数控加工模块。国内自行研制的ＣＡＤ／ＣＡＭ软件也具有曲面造型与数控加工的功能。所以复杂曲面零件的制造已开始迈入ＣＡＭ的行列，加工精度和加工效率都待以提高“¨６¨７１。１．２铣床空间运动功能仿真随着２１世纪世界经济和科学技术的飞速发展，全球性的市场竞争日益激烈，产品消费不断向多元化发展。企业必须对快速多变做出很快响应，更新产品的研发周期，提高产品的设计质量，降低产品的研发成本，这样才能在激烈的市场竞争中求得发展。在传统的设计和制造过程中，一般的过程是首先概念设计而后方案论证，然后进行产包含总结汇报、出国留学、表格模板、IT计算机、初中教育、外语学习、高中教育、计划方案以及复杂曲面的加工及仿真技术研究等内容。本文共12页
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