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本文摘要：

在滿足機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)約束的條件下，如何實(shí)現(xiàn)高進(jìn)給速度的加工路徑已逐漸成為當(dāng)前數(shù)控加工中急需解決的關(guān)鍵和難點(diǎn)。商業(yè)的計(jì)算機(jī)輔助制造軟件在對刀具路徑規(guī)劃的過程主要是基于被加工件的幾何約束，并不考慮實(shí)際機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能，會導(dǎo)致五軸數(shù)控機(jī)床在刀路拐角處產(chǎn)生平動(dòng)軸速度驟減，旋轉(zhuǎn)軸因進(jìn)入奇異區(qū)域角度變化劇烈的問題。為了使加工的精度更高，技術(shù)人員通常將G代碼的直線段密化，該方法增加了五軸數(shù)控機(jī)床的處理負(fù)擔(dān)，難以保證機(jī)床加工實(shí)時(shí)性的要求。本文深入研究了高速進(jìn)給條件下五軸線性加工路徑光順技術(shù)，并通過仿真實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)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(jì)算的實(shí)時(shí)性，本文提出一種基于剪力躍度特征點(diǎn)的NURBS曲線擬合方法。通過利用相鄰離散點(diǎn)間的曲率對原始數(shù)據(jù)點(diǎn)剪力躍度進(jìn)行求解，篩選出剪力躍度優(yōu)勢點(diǎn)作為初始型值點(diǎn)進(jìn)行樣條擬合，并對初次擬合完成的數(shù)據(jù)中尋找擬合偏差超限區(qū)域，增加保精型值點(diǎn)，直至所得到的曲線滿足精度要求。該方法的優(yōu)勢是在光順前對刀具路徑數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理工作，有效壓縮了數(shù)控系統(tǒng)生成的密集離散刀位數(shù)據(jù)，節(jié)約了計(jì)算擬合偏差的時(shí)間。最后通過“海豚”模型驗(yàn)證了該算法的有效性。

(2)刀心點(diǎn)高速進(jìn)給時(shí)，由于刀路拐角過大會導(dǎo)致平動(dòng)軸減速過度。針對該問題，本文提出一種基于轉(zhuǎn)角向量和雙弦弓高的刀心點(diǎn)光順方法。首先，建立優(yōu)化模型，結(jié)合“樣條能量法”，將刀心點(diǎn)光順問題轉(zhuǎn)化為能量法最優(yōu)解問題進(jìn)行研究。先以刀心點(diǎn)光順前后最大許用偏移量作為約束，利用轉(zhuǎn)角向量和雙弦弓高進(jìn)行建模，尋求微小線段拐角處局部能量最優(yōu)解，得到光順后的刀心點(diǎn)坐標(biāo)，并結(jié)合三角函數(shù)加減速控制算法，完成對自由曲面一條刀路的仿真分析，達(dá)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(jìn)給速度的提高。

(3)針對刀心點(diǎn)高速進(jìn)給時(shí)，刀軸矢量奇異的區(qū)域旋轉(zhuǎn)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(jìn)入奇異錐范圍內(nèi)的最大刀軸角度變化點(diǎn)“再規(guī)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(jìn)一步驗(yàn)證本文所提方法的可行性與有效性，本文先后進(jìn)行了MATLAB數(shù)值仿真與VERICUT葉輪加工實(shí)驗(yàn)。使用三角函數(shù)型加減速控制算法，通過MATLAB軟件進(jìn)行實(shí)際數(shù)據(jù)仿真驗(yàn)證，得到光順后的路徑平均進(jìn)給速度得到了明顯提升，路徑中所有刀軸矢量按照規(guī)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(shí)驗(yàn)，經(jīng)過本文光順優(yōu)化方法對葉輪刀具路徑進(jìn)行優(yōu)化可以大大降低數(shù)控加工過程中的過切現(xiàn)象，提高了加工的精度。

五軸加工路徑的光順處理技術(shù)一直以來都是數(shù)控加工的關(guān)鍵點(diǎn)與難點(diǎn)。多年來很多學(xué)者都在該領(lǐng)域開展了大量的研究。本文針對現(xiàn)行五軸加工中存在的路徑拐角處平動(dòng)軸減速過度，奇異區(qū)域旋轉(zhuǎn)軸角度變化劇烈的問題，以AC雙轉(zhuǎn)臺五軸機(jī)床為研究對象，提出一種滿足機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)約束的路徑優(yōu)化方法，很好的完成了本課題的研究任務(wù)，達(dá)到了預(yù)期的目的。但是在五軸刀具路徑光順技術(shù)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(gè)方面：

(1)對于五軸數(shù)控加工過程中的進(jìn)給速度規(guī)劃，本文使用的三角函數(shù)型加減速控制算法，由于其各階導(dǎo)數(shù)均為連續(xù)的三角函數(shù)，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(shí)現(xiàn)，在高速數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。但是S型曲線加減速控制在高端的高速數(shù)控機(jī)床中的使用更為廣泛，本文需要進(jìn)一步的研究在不同運(yùn)動(dòng)控制算法下的優(yōu)化效果，實(shí)現(xiàn)算法的通用性。

(2)本文提出的路徑光順技術(shù)主要根據(jù)拐角處的路徑建立約束關(guān)系，并沒有將實(shí)際加工中的工況環(huán)境等因素建立約束。在接下來及研究過程中，將結(jié)合五軸數(shù)控機(jī)床刀具路徑規(guī)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(shí)際工況條件下的路徑光順?biāo)惴Ｐ汀?/p>

(3)本文采用的刀軸矢量表達(dá)方式為齊次坐標(biāo)表達(dá)，目前的研究正在逐漸將對偶四元數(shù)知識納入刀軸矢量的光順優(yōu)化算法，并借鑒機(jī)器人領(lǐng)域相關(guān)文獻(xiàn)中關(guān)于四元數(shù)方法的應(yīng)用知識，對刀軸運(yùn)動(dòng)軌跡的優(yōu)化開展進(jìn)一步的研究。(4)本文的光順優(yōu)化方法主要是在軌跡段內(nèi)進(jìn)行的，未對相鄰軌跡段之間的轉(zhuǎn)接問題進(jìn)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(jìn)行轉(zhuǎn)接光順，提高路徑銜接之間的軌跡優(yōu)化，提高加工軌跡的平滑性。

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