石材雕刻五轴数控加工刀具轨迹规划研究

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1、分类号：学校代码：10153UDC：密级：公开硕士学位论文石材雕刻五轴数控加工刀具轨迹规划研究作者姓名：董帅入学年份：2014年9月指导教师：闵莉学科专业：机械制造及其自动化申请学位：工学硕士所在单位：机械工程学院论文提交日期：2017年3月论文答辩日期：2017年3月学位授予日期：2017年3月答辩委员会主席：孔祥伟答辩委员会组成：孔祥伟孙红李颂华石怀涛王展论文评阅人：硕士研究生学位论文摘要I摘要随着生活质量的不断改善，大众的审美标准也越来越高，人们对石材雕刻制品的需求量也在不断的增长，人们对

2、浮雕制品的造型美感以及加工的精度要求也越来越高。个性化的定制、小批量的生产是异型石材制品加工发展的必然趋势，使得石材浮雕的建模以及数控加工技术得到了广泛的关注。由于异型石材浮雕制品表面形貌的复杂性，所以使得灵活度更高的五轴数控加工技术常用于该复杂曲面的加工。但是五轴机床的这一优势，使得如何规划刀具路径和无干涉的刀轴矢量控制方法就成为亟需解决的问题。首先，分析了复杂曲面的几何学特性，依据曲面与曲率的几何特性，对复杂表面进行曲面分片，将表面几何特征相似的曲面片进行归类，归为若干曲面片族。针对传统单一

3、刀具轨迹对复杂曲面加工效率低的问题，提出了基于分区的刀具轨迹规划策略，即对于平坦曲率变化小的区域采用等参数线法生成刀具轨迹，对于曲面曲率变化较为剧烈的区域等参数线法自然难以发挥优势，所以采用等残留高度法，针对不同的曲面曲率采用不同的半径的刀具，最大程度的提高加工行距，最后达到提升加工效率的目的。其次，对于刀轴矢量问题提出了一种基于曲面分区的刀轴矢量规划方法，对不同的曲面片族生成的刀具轨迹采用法线加工法规划在刀轴矢量，该方法将使得刀轴矢量与曲面法矢量的方向一致，这将会获得最大加工带宽，提升加工效率

4、，但是考虑到曲面的复杂性以及刀具的干涉情况，需要进一步对刀轴矢量进行优化。具体方法是设定一个阈值用来衡量相邻刀轴矢量的波动情况，刀轴矢量的变化率可通过计算相邻刀触点刀轴矢量差值得到。若矢量变化率小于阈值则认为该处刀轴矢量变化处在允许范围内，若矢量变化率大于阈值，则说明该处刀轴矢量波动过大，对于这类情况，采用免干涉算法计算出该处刀轴可达域范围，在该范围内选取满足阈值的刀轴矢量，达到平滑刀轴矢量的目的。最后为了验证本文所提出方法的有效性以及实用性，使用MATLAB编程软件，计算生成刀具加工路径，然后

5、依次对未分区曲面、分区曲面以及分区优化后的刀具轨迹上的刀轴矢量变化情况进行仿真分析实验，得出刀轴矢量在三种情况下的数据，绘制出三种情况下的矢量差值曲线图，通过实验表明，该方法有效的提高了加工效率，且改善了刀轴矢量的平滑性。关键词：五轴数控加工技术；主曲率；曲面分片；刀轴矢量；干涉处理；刀具轨迹规划II摘要硕士研究生学位论文硕士研究生学位论文AbstractIIIAbstractWiththerapiddevelopmentofeconomyandpeople'slifegreatlyenrich

6、edandimproved,people'sdemandforstonecarvingproductsisalsogrowing.Andpeoplehavemorerequirementsonaestheticfeelingofmodelingandprecisiononstonecarvingproducts.Personalizecustomizationandsmallbatchproductionisaninevitabletrendforthedevelopment.Stonereli

7、efmodelingandNCmachiningtechnologyhavebeenwidelyconcerned.Five-axismachiningisoftenemployedinthemachiningofpartswithcomplexsculpturedsurfacesforimprovedaccuracyandproductivity.Owingtothetwoaddedrotationalmotions,five-axismachiningoffershighermaterial

8、removalrate,betteraccessibilitytothemachinedpartsurface,andhighersurfacequalityoverthree-axismachining.However,thetworotationalmotionsintroducecriticalchallengesintoolgougingavoidanceandoptimaltoolorientationdeterminationinfive-axismachining.Inviewof