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

1、空間分度凸輪機構(gòu)作為實現(xiàn)“連續(xù)輸入-間歇輸出”功能的關(guān)鍵組件，廣泛應(yīng)用于各種自動機械、生產(chǎn)線和加工中心中，而空間凸輪作為機構(gòu)的核心零件，決定了整個機構(gòu)的運動學(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)計與制造技術(shù)的研究至關(guān)重要。本文從工程實際出發(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)工程實踐中對凸輪機構(gòu)的各種性能要求，本文提出了NURBS柔性凸輪曲線的概念，并研究了它的實現(xiàn)和多目標優(yōu)化問

2、題。將凸輪轉(zhuǎn)角無因次化作為節(jié)點變量，以NURBS形式描述了凸輪機構(gòu)的無因次位移、速度、加速度和躍度等運動曲線?；谕馆啓C構(gòu)單自由度動力學(xué)模型，分析了輸出運動的殘余振動，并以NURBS凸輪曲線的控制頂點和對應(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)化目標函數(shù)，建立了NURBS柔性凸輪曲線的多目標優(yōu)化模型。 將多目標遺傳算法與傳統(tǒng)的多目標優(yōu)化方法相結(jié)合，提出了一種適合NURBS柔性凸輪曲線個性化設(shè)計的改進多目標遺傳算法--I

3、NSGA算法，用于求解凸輪曲線的多目標優(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達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)控加工空間凸輪時的成形運動，指出數(shù)控加工時刀具與工件的創(chuàng)成運動必須與凸輪與滾子的共軛運動拓撲同構(gòu)。對于不同類型的空間凸輪，根據(jù)凸輪機構(gòu)運動形式，研究了用于加工凸輪的數(shù)控機床的拓撲結(jié)構(gòu)，計算了機床運動坐標，并歸納構(gòu)建了實現(xiàn)空間凸輪加工的數(shù)控機床的

4、運動學(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行分析，指出非等價加工不能實現(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)的刀位補償加工法，給出了計算廓面法向誤差的新方法，并研究了最大法向誤差與補償點位置和補償量的關(guān)系，得出了滾子和刀具的半徑差是最佳補償量，而最佳補償點位置并不固定的結(jié)論。為此，提出了自適應(yīng)的柔性刀位補償方法，以實際廓面的最大法向誤差為目標函數(shù)，通過優(yōu)化任意時刻的補償點位置參數(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，分析了五坐標側(cè)銑創(chuàng)成的單點偏置、雙點偏置和三點偏置刀位計算方法?；诘段谎a償單點偏置法，研究了側(cè)銑空間凸輪廓面的雙點偏置法，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

6、行了刀具位姿的實例計算和廓面的創(chuàng)成加工仿真，驗證了算法的正確性和實用性。 再次，研究了空間凸輪廓面的品質(zhì)評價方法，構(gòu)建了廓面品質(zhì)評價體系。把空間凸輪廓面看作自由曲面，基于三坐標測量機，以等徑掃描方式實現(xiàn)凸輪廓面的測量。提出了實現(xiàn)凸輪坐標系和測量坐標系匹配的迭代算法，通過對空間凸輪廓面輪廓度誤差的評定來評價廓面自身品質(zhì)。基于坐標匹配結(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，然后根據(jù)坐標旋轉(zhuǎn)變換和共軛曲

7、面原理，反求出實際輸出轉(zhuǎn)角，實現(xiàn)了廓面?zhèn)鲃悠焚|(zhì)的評價。 最后，以圓柱凸輪工作廓面的創(chuàng)成加工為例，基于刀位補償和最小二乘逼近偏置刀位規(guī)劃方法，進行了數(shù)控加工圓柱凸輪的仿真校驗和創(chuàng)成實踐。實驗結(jié)果充分說明了逼近偏置法在生產(chǎn)實際中的可行性和實用性。基于三坐標測量機，對加工后圓柱凸輪廓面進行了測量，實現(xiàn)了廓面自身品質(zhì)和傳動品質(zhì)評價。評價結(jié)果表明逼近偏置法的加工誤差要小于刀位補償法。 綜上所述，本文基于NURBS方法研究了凸輪曲線