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1、曲面高階切觸分析及其在自由曲面數(shù)控加工中的應(yīng)用王貴2015年1月中圖分類號(hào)：TH161UDC分類號(hào)：621曲面高階切觸分析及其在自由曲面數(shù)控加工中的應(yīng)用作者姓名王貴學(xué)院名稱機(jī)械與車輛學(xué)院指導(dǎo)教師王西彬教授答辯委員會(huì)主席劉佳教授申請(qǐng)學(xué)位工學(xué)碩士學(xué)科專業(yè)機(jī)械工程學(xué)位授予單位北京理工大學(xué)論文答辯日期2015年1月ContactAnalysisofHigher‐OrderCurvedSurfaceandRelevantApplicationinFree‐FormSurfaceMachiningCandidateName:WangGuiSchoolorDepa
2、rtment:SchoolofMechanicalEngineeringFacultyMentor:Prof.WangXibinChair,ThesisCommittee:Prof.LiuJiaDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor:MechanicalEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:January,2015研究成果聲明本人鄭重聲明：所提交的學(xué)位論文是我本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作獲得的研究成果。盡我所知，文
3、中除特別標(biāo)注和致謝的地方外，學(xué)位論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京理工大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書所使用過的材料。與我一同工作的合作者對(duì)此研究工作所做的任何貢獻(xiàn)均已在學(xué)位論文中作了明確的說明并表示了謝意。特此申明。簽名：日期：北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要自由曲面外觀精美、動(dòng)力學(xué)性能突出，在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用。目前復(fù)雜自由曲面造型技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但其復(fù)雜的造型和高精度的要求對(duì)加工提出了難題。五軸聯(lián)動(dòng)加工是工業(yè)中復(fù)雜高性能零件高效加工的重要手段，能夠加工連續(xù)、平滑、復(fù)雜的自由曲面。由于其自由度的增加，導(dǎo)致加工過程中刀具
4、姿態(tài)控制以及刀具路徑規(guī)劃復(fù)雜度提高，因此，在復(fù)雜自由曲面零件的五軸數(shù)控加工中，對(duì)刀具姿態(tài)調(diào)整以及刀具路徑規(guī)劃的研究具有重要的實(shí)際意義。本文分析了自由曲面加工中的幾何學(xué)原理，基于曲面高階切觸性質(zhì)提出二階切觸法，對(duì)曲面加工過程中的刀具姿態(tài)調(diào)整和刀具路徑規(guī)劃進(jìn)行研究，主要包括：（1）應(yīng)用微分幾何曲線論和曲面論，討論了曲面之間關(guān)系與曲面自身特性的聯(lián)系，針對(duì)曲面之間的相切接觸，引入切觸階的概念，研究了切觸階與曲面主曲率、法曲率的關(guān)系并將其應(yīng)用于刀具包絡(luò)曲面局部重建模型中。（2）基于曲面高階切觸性質(zhì)分析，從二次曲面與自由曲面的切觸特性出發(fā)，建立回轉(zhuǎn)刀具加工自由曲
5、面的局部幾何模型，計(jì)算出回轉(zhuǎn)刀具包絡(luò)面與自由曲面在某一法截面內(nèi)二階切觸時(shí)的刀軸矢量函數(shù)式，進(jìn)而推廣到切觸點(diǎn)鄰域內(nèi)任意法截面，得到刀具包絡(luò)面與自由曲面二階切觸時(shí)的刀軸傾角函數(shù)，并解析求解出該狀態(tài)下的刀具姿態(tài)方程。（3）針對(duì)刀軸矢量函數(shù)表達(dá)式，選擇開闊參數(shù)凹曲面作為研究對(duì)象，并對(duì)其進(jìn)行仿真分析，得到各離散刀觸點(diǎn)處刀具包絡(luò)面與待加工自由曲面二階切觸時(shí)的曲率函數(shù)曲線，驗(yàn)證了刀軸傾角函數(shù)曲線在同一離散刀位下有公共交點(diǎn)，并且在同一參數(shù)線上不同離散刀位處的刀軸傾角變化平穩(wěn)，加工過程穩(wěn)定。（4）以加工行距最大為目標(biāo)優(yōu)化加工方向，將尋求加工方向的過程轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)待加工自由
6、曲面最小主曲率方向的匹配過程。提出了等弓高誤差變步長算法，基于黃金分割法由區(qū)間逼近求取最大弓高誤差點(diǎn)參數(shù)，并根據(jù)初始刀觸點(diǎn)與臨時(shí)離散刀觸點(diǎn)之間的曲率半徑關(guān)系，對(duì)最大實(shí)際弓高誤差進(jìn)行校核。（5）通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，以仿真結(jié)果驗(yàn)證了本論文所提算法的可行性及其可靠性，其后又通過實(shí)驗(yàn)分析，表明文中所建立的模型不僅能滿足加工表面精度的要求，并且能在很大程度上提高加工效率，具有實(shí)際的借鑒意義。關(guān)鍵詞：高階切觸；切觸階；刀具姿態(tài)控制；等弓高誤差；刀具路徑規(guī)劃。I北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文AbstractFreeformsurfaceiswidelyusedinvar
7、iousindustriesduetoitsexquisiteappearanceandoutstandingdynamicperformance.Currently,themodelingtechnologyofcomplexfree-formsurfacehasbeenquitemature,butitscomplexshapeandhighprecisionrequirementraisethedifficultyinprocessing.Five-axismachiningisanimportantmeansofefficientproces
8、singofthecomplexandhighperformancepartsinindustry,andi
