开题报告-不同类型数学模型(典型件)在数控加工中的应用

不同类型数学模型（典型件）在数控加工中的应用开题报告班级（学号）：机0303-38姓名：刘小川指导老师：孙江宏一、综述随着数控加工技术的迅速发展，设备类型的增多，零件品种的增加以及形状的日益复杂，迫切需要速度快、精度高的编程，以便于直观检查。为了弥补手工编程和NC语言编程的不足，近年来开发出多种自动编程系统，如图形交互式编程系统、数字化自动编程系统、会话型自动编程系统、语音数控编程系统等，其中图形交互式编程系统的应用越来越广泛。图形交互式编程系统是以计算机辅助设计（CAD）软件为基础，首先形成零件的图形文件，然后在调用数控编程模块，自动编制加工程序，同时可动态显示刀具的加工轨迹。其特点是速度快、精度高、直观性好、使用简便，已成为国内外先进的CAD/CAM(computerAidedManufacturing)软件所采用的数控编程方法。目前常用的图形交互式软件有MsterCAM,NC3APSM,HZAPTⅡ,MAPT，EdgeCAM等。在图形交互式编程系统中，零件CAD模型可分为线框模型、曲面模型和实体模型。这三种模型以不同的角度来描述一个物体。1.线框模型线框模型用来描述三维对象的轮廓，主要由点、直线、曲面等组成，不具有面和体的特征，不能进行消隐、渲染等操作，也不能直接产生刀具路径。2.曲面模型在曲面造型中，利用已有的线框模型，通过不同的熔接转换可以创建不同类型的曲面模型。这些曲面包括：举升曲面（Loft）、昆氏曲面（Coons）、直纹曲面（Ruled）、旋转曲面（Revolve）、扫描曲面（Sweep）和牵引曲面（Draft）。曲面模型表示工件曲面的真是形状，具有立体感。能在曲面模型上进行编辑和着色，可以直接产生刀具路径来加工曲面。3.实体模型实体模型是一个单个图案，不管多么复杂，还是一个图素，是一个整体。在实体造型中，可通过对绘制的曲线串联进行挤出操作、旋转操作、扫描操作或拉伸操作来创建实体模型。三维模型的三种表现形式如图1所示。其中，适用于数控编程的主要有曲面模型和实体模型，其中以曲面模型在目前的数控编程中应用较为广泛。图形交互式编程系统的主要特点是零件的几何形状可在零件设计阶段采用CAD/CAM集成系统的几何设计模块在图形交互式下进行定义、显示和修改，最终得到零件的几何模型（可以是表面模型，也可是实体模型）。以实体模型为基础的数控编程方法比以表面模型为基础的数控编程方法较为复杂，基于后者的数控编程系统一般只用于数控编程，就a)线框模型b)曲面模型c)实体模型图1三维模型的三种表现形式是说，其零件的设计功能（或几何造型功能）是专为数控编程服务的，针对性强，也容易使用。前者则不同，其实体一般都不是专为数控编程服务的，甚至不是为数控编程而设计的，为了用于数控编程往往需要对实体模型进行可加工性分析，识别加工特征（加工表面或加工区域），并对加工特征进行加工工艺规划，最后才进行数控编程，其中每一步都很复杂，需要在人工交互方式下进行。然而实体模型能够完整且无二意性地表示实体。依靠计算机实体模型中完整的几何与拓扑信息，可以顺利完成从消隐、剖切、有限元网格划分、NC刀具轨迹生成到计算实体体积、重量、重心、惯性矩等质量特性等问题，具有实际意义。从产品设计、分析测试、图样生成到产品加工等等，实体模型已经成为CAD/CAM/CAE/CIMS的基础。而且由于着色、光照及纹理处理等技术的运用，使物体的可视性更为出色。此外，运用提示模型进行加工，可通过自动查找加工特征、自动设置加工参数等功能，大大减少了编程的操作过程。实体模型是几何造型的高级模型，它可提供三维形体的最完整的几何和拓扑信息。从技术发展的趋势看，它在CAD/CAM中的重要性将越来越大。在计算机集成制造的环境下，需要将产品的有关设计制造管理信息尽量完整地包含在数字化定义中，以便提高生产过程中各个环节的自动化和智能化处理水平。使用实体模型将有助于推动设计工作中自动推理机制的运用，提高成组技术的应用水平，实现数控加工刀具轨迹的自动生成和校验加工过程的动态仿真和干涉检查，因此有着广阔的发展和应用前景。随着数控技术的进步，数控加工正朝着自动化和智能化的方向发展。而零件模型的造型方式对数控加工造成了很大的影响。虽然自20世纪60年代末期各国研究工作者为建立实体模型进行了长期深入的理论研究和试验探索，但很少有文章探讨零件模型建模方式对数控加工影响。本课题将对三维模型的三种表现形式进行分析，并预测哪种建模形式将是未来数控加工的方向。二、研究内容主要研究方向：主要研究线框模型、曲面模型和实体模型这三类数学模型在数控加工当中的应用，以及对刀具加工路径、加工精度、加工效率等方面的影响。主要设计任务是复杂零件的设计和夹具设计，并对夹具的传动和动力进行计算。本次研究由北京第一机床厂提供数控加工设备，该加工中心如图2所示。要求了解该加工中心的工作原理及其加工特点，并在此机床上对研究的理论进行验证。图2CHA6130数控加工中心本次课题主要研究内容有：1.分别建立典型的线框模型、曲面模型和实体模型，辨别其不同。2.分别利用三种模型，完成一个零件的设计到加工过程，分析不同类别的模型对数控加工的影响。3.在EDGECAM软件中完成一个实体模型的加工编程过程。4.对未来的STEP-NC前景进行适当的探索研究。5.部分解决当前工厂中所遇到的复杂模型的建模问题，并在实验台上完成实际加工，并对仿真过程与加工过程进行比较。三、实现方法及预期目标本次研究主要利用数控机床插补原理以及刀具轨迹的计算方法，辨别并研究这三种三维模型的特点及其对数控加工的影响，并在CXHA6130加工中心中进行验证。为了实现本次研究的所有目标，重点需要完成如下任务：（1）三维模型的表现形式及其来源；（2）找到合适的刀具轨迹算法，计算和分析不同类型的模型对数控加工的影响；（3）三维实体模型对数控加工的影响，并与其他形式三维模型进行比较；（4）接合前面做出的理论研究，对未来STEP-NC前景进行适当的探索研究；（5）运用前面做出的理论研究，部分解决工厂中所遇到的复杂模型的建模和加工问题；针对上述问题，提出如下解决方案：（1）在建模软件中建立复杂零件的线框模型、曲面模型和实体模型，要求其复杂程度能满足理论研究的要求；观察不同类型的模型之间的差别，并重理论上分析它们的特点。（2）结合数控机床插补原理，利用多轴数控加工刀具轨迹生成方法计算出不同类型模型中的刀具轨迹。辨别和分析这些刀具轨迹的区别，并且与实际机床相结合，分析对数控加工过程中的对加工精度、加工效率等方面的影响，以及各种数学模型适合于何种加工环境。这部分是该研究的核心部分。（3）在EDGECAM中对该零件的三种模型进行加工，注意其加工参数设置的差异以及加工方式是否有差别。尝试用不同的方法进行加工，观察刀具路径的细微变化，比较找出最优的刀具路径。（4）STEP-NC的基本原理是基于制造特征进行编程，而不是直接对刀具运动进行编程。基于这个原理，采用STEP-NC的方式更有利于本次研究。此外STEP-NC对数控编程接口以及加工方式都产生了极大的变革，是未来数控系统的发展趋势。因此在这里很有必要对对对未来STEP-NC前景进行适当的探索研究。（5）解决当前工厂中所遇到的复杂模型的建模问题，并运用前面做出的理论研究优化刀具路径，在试验台上完成实际加工，验证前面得出的理论是否正确。同时对仿真过程与加工过程进行比较，观察二者之间是否存在差异，并分析原因。此外，本课题还包含夹具的设计任务，设计指导思想是：结构简单，加紧力能满足加工时的要求，与机床的配合简单合理，装夹过程简单易操作。夹具设计重点应考虑机床干涉问题，在设计夹具时应同机床一起进行三维干涉检查，以保证并联机床在工作空间内安全操作。四、对进度的具体安排3月1日－26日完成调查研究和开题报告。3月26日－4月20日完成夹具的设计、复杂零件的三种形式建模。4月20日－4月25日审查图纸。4月25日－5月15日完成零件的加工编程，仿真校验，G代码的后处理，在工作台上进行实际加工。5月15日－6月10写毕业论文。五、参考文献1.王润孝，秦显生编著.机床数控原理与系统[M].西安：西北工业大学出版社，19972.刘雄伟等编著.数控加工理论与编程技术[M].北京：机械工业出版社，20013.庄海军等.一种基于实体模型的三轴数控加工刀轨生成算法[J].南京航空航天大学学报.2002,34(4):332-3354.郭朝勇，黄海英.自由曲面数控加工刀具轨迹曲线的一种生成算法[J].现代制造工程.2005（1）：39-405.曹炜，曾忠，李合生.快速成形技术及其发展趋势[J].机械设计与制造.2006（5）：104-1066.杜文杰.管联结密封垫圈三种建模方法[J].机械设计与制造.2006（1）：53-547.王文中，杨君顺.快速成型制造技术的逆运算[J].机械设计与制造.2006(1):113-1148.黄建波，李凤学，黄海英.面向制造的产品三维建模特征规划研究[J].现代制造工程.2005(1):32-349.周济，周艳红编著.数控加工技术[M].北京：国防工业出版社，200210.李业农.数控机床及其应用[M].北京：国防工业出版社，2006指导教师：督导教师：领导小组审查意见：审查人签字：年月日