基于NURBS的空間分度凸輪廓面創(chuàng)成與品質(zhì)評價(jià)技術(shù)研究.pdf

1、空間分度凸輪機(jī)構(gòu)作為實(shí)現(xiàn)“連續(xù)輸入-間歇輸出”功能的關(guān)鍵組件，廣泛應(yīng)用于各種自動機(jī)械、生產(chǎn)線和加工中心中，而空間凸輪作為機(jī)構(gòu)的核心零件，決定了整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)性能。因此，對空間凸輪廓面的高精度和高性能設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的研究至關(guān)重要。本文從工程實(shí)際出發(fā)，圍繞空間凸輪廓面的創(chuàng)成技術(shù)，主要開展了如下研究工作： 首先，為了適應(yīng)工程實(shí)踐中對凸輪機(jī)構(gòu)的各種性能要求，本文提出了NURBS柔性凸輪曲線的概念，并研究了它的實(shí)現(xiàn)和多目標(biāo)優(yōu)化問

2、題。將凸輪轉(zhuǎn)角無因次化作為節(jié)點(diǎn)變量，以NURBS形式描述了凸輪機(jī)構(gòu)的無因次位移、速度、加速度和躍度等運(yùn)動曲線?；谕馆啓C(jī)構(gòu)單自由度動力學(xué)模型，分析了輸出運(yùn)動的殘余振動，并以NURBS凸輪曲線的控制頂點(diǎn)和對應(yīng)權(quán)因子值為優(yōu)化變量，以殘余振動特性為主要動力學(xué)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，建立了NURBS柔性凸輪曲線的多目標(biāo)優(yōu)化模型。 將多目標(biāo)遺傳算法與傳統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化方法相結(jié)合，提出了一種適合NURBS柔性凸輪曲線個(gè)性化設(shè)計(jì)的改進(jìn)多目標(biāo)遺傳算法--I

3、NSGA算法，用于求解凸輪曲線的多目標(biāo)優(yōu)化模型。在該算法中，集成了初始化種群的反算方法、約束條件處理新方法和目標(biāo)達(dá)到選擇策略等保證算法快速收斂的一些關(guān)鍵技術(shù)。 其次，根據(jù)嚙合理論，分析了數(shù)控加工空間凸輪時(shí)的成形運(yùn)動，指出數(shù)控加工時(shí)刀具與工件的創(chuàng)成運(yùn)動必須與凸輪與滾子的共軛運(yùn)動拓?fù)渫瑯?gòu)。對于不同類型的空間凸輪，根據(jù)凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動形式，研究了用于加工凸輪的數(shù)控機(jī)床的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，計(jì)算了機(jī)床運(yùn)動坐標(biāo)，并歸納構(gòu)建了實(shí)現(xiàn)空間凸輪加工的數(shù)控機(jī)床的

4、運(yùn)動學(xué)圖譜。 根據(jù)微分幾何理論，對空間凸輪與滾子接觸線可制造性進(jìn)行分析，指出非等價(jià)加工不能實(shí)現(xiàn)凸輪廓面的重構(gòu)，不可避免的存在法矢異向誤差。基于傳統(tǒng)的刀位補(bǔ)償加工法，給出了計(jì)算廓面法向誤差的新方法，并研究了最大法向誤差與補(bǔ)償點(diǎn)位置和補(bǔ)償量的關(guān)系，得出了滾子和刀具的半徑差是最佳補(bǔ)償量，而最佳補(bǔ)償點(diǎn)位置并不固定的結(jié)論。為此，提出了自適應(yīng)的柔性刀位補(bǔ)償方法，以實(shí)際廓面的最大法向誤差為目標(biāo)函數(shù)，通過優(yōu)化任意時(shí)刻的補(bǔ)償點(diǎn)位置參數(shù)，得到加工誤

5、差趨于最小的優(yōu)化刀位路徑。然后，基于逼近理論闡述了曲面的逼近側(cè)銑創(chuàng)成原理，分析了五坐標(biāo)側(cè)銑創(chuàng)成的單點(diǎn)偏置、雙點(diǎn)偏置和三點(diǎn)偏置刀位計(jì)算方法。基于刀位補(bǔ)償單點(diǎn)偏置法，研究了側(cè)銑空間凸輪廓面的雙點(diǎn)偏置法，并在此基礎(chǔ)上提出了側(cè)銑空間凸輪廓面的多點(diǎn)自由偏置法--逼近偏置法，即以NLIRBS直紋面逼近空間凸輪廓面的理論刀軸跡面，并具體研究了插值曲面反算和最小二乘逼近兩種確定NURBS直紋面控制頂點(diǎn)的方法。以最小二乘逼近偏置法側(cè)銑弧面凸輪廓面為例，進(jìn)

6、行了刀具位姿的實(shí)例計(jì)算和廓面的創(chuàng)成加工仿真，驗(yàn)證了算法的正確性和實(shí)用性。 再次，研究了空間凸輪廓面的品質(zhì)評價(jià)方法，構(gòu)建了廓面品質(zhì)評價(jià)體系。把空間凸輪廓面看作自由曲面，基于三坐標(biāo)測量機(jī)，以等徑掃描方式實(shí)現(xiàn)凸輪廓面的測量。提出了實(shí)現(xiàn)凸輪坐標(biāo)系和測量坐標(biāo)系匹配的迭代算法，通過對空間凸輪廓面輪廓度誤差的評定來評價(jià)廓面自身品質(zhì)?；谧鴺?biāo)匹配結(jié)果，測量凸輪廓面上某一條等參數(shù)螺旋線，利用NURBS曲線重構(gòu)被測節(jié)點(diǎn)，然后根據(jù)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換和共軛曲

7、面原理，反求出實(shí)際輸出轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)了廓面?zhèn)鲃悠焚|(zhì)的評價(jià)。 最后，以圓柱凸輪工作廓面的創(chuàng)成加工為例，基于刀位補(bǔ)償和最小二乘逼近偏置刀位規(guī)劃方法，進(jìn)行了數(shù)控加工圓柱凸輪的仿真校驗(yàn)和創(chuàng)成實(shí)踐。實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分說明了逼近偏置法在生產(chǎn)實(shí)際中的可行性和實(shí)用性?；谌鴺?biāo)測量機(jī)，對加工后圓柱凸輪廓面進(jìn)行了測量，實(shí)現(xiàn)了廓面自身品質(zhì)和傳動品質(zhì)評價(jià)。評價(jià)結(jié)果表明逼近偏置法的加工誤差要小于刀位補(bǔ)償法。 綜上所述，本文基于NURBS方法研究了凸輪曲線