1緒論(1)

1.1薄壁件的分類(1)

1.1.1框體類零件(1)

1.1.2整體類壁板(2)

1.1.3梁類零件(2)

1.1.4復雜曲面類零件(2)

1.2五軸數控機床簡介(3)

1.2.1雙轉臺結構五軸機床(3)

1.2.2單轉臺單擺頭結構五軸機床(3)

1.2.3雙擺頭結構五軸機床(4)

1.3五軸數控加工中心控制原理(5)

1.3.1數控機床坐標繫(5)

1.3.2數控機床坐標繫確定方法(5)

1.3.3機床原點與機床坐標繫(6)

1.3.4工件原點與工件坐標繫(6)

1.4數控加工技術(6)

1.4.1刀具路徑光順(7)

1.4.2速度規劃(8)

1.5本書主要內容(9)

本章參考文獻(9)

2基於光順過渡的前瞻速度規劃理論(11)

2.1前瞻控制的基本原理(11)

2.1.1轉接速度的確定(12)

2.1.2進給速度的處理(12)

2.2S曲線加減速規劃(13)

2.2.1S曲線加減速速度規劃(13)

2.2.2S曲線加減速進行前瞻速度平滑處理的流程(15)

2.3連續短線段高速加工圓弧轉接前瞻控制算法(16)

2.3.1拐角圓弧過渡模型(16)

2.3.2圓弧過渡前瞻控制(18)

2.4算例與分析(23)

本章參考文獻(26)

3局部拐角光順算法與光順刀路速度規劃(28)

3.1五軸路徑局部拐角光順算法(28)

3.1.1五軸路徑拐角雙NURBS曲線的表示(28)

3.1.2刀具中心點線性路徑的拐角光順(29)

3.1.3G2連續的五軸路徑拐角雙NURBS曲線過渡模型(32)

3.2G2連續的五軸路徑的參數同步(33)

3.2.1拐角雙NURBS曲線的參數同步(34)

3.2.2線性路徑段的同步(34)

3.2.3算例仿真(35)

3.3雙NURBS光順刀路的速度規劃(40)

3.3.1五軸機床各軸伺服能力約束下的速度(40)

3.3.2五軸機床各軸伺服能力約束下的加速度(42)

3.3.3五軸等距雙NURBS刀具路徑同步插補(43)

3.3.4仿真實驗(45)

本章參考文獻(47)

4基於曲率光順的拐角插補算法(48)

4.1跳度限制加速度曲線(48)

4.2中斷加速度的拐角平滑算法(51)

4.3連續加速度的拐角平滑算法(56)

4.4仿真實驗(61)

4.4.1仿真分析(61)

4.4.2實驗分析(66)

本章參考文獻(70)

5獨立拐角輪廓間短線段插補算法和重疊拐角輪廓插補算法(72)

5.1自適應進給速度(73)

5.2插補算法的實時性實現(81)

5.3獨立拐角輪廓間插補算法的仿真實驗(83)

5.3.1仿真分析(83)

5.3.2實驗分析(85)

5.4重疊拐角輪廓插補算法(90)

5.4.12段平滑插補算法(90)

5.4.24段平滑插補算法(93)

5.4.3仿真實驗(96)

本章參考文獻(101)

6薄壁零件加工變形規分析(103)

6.1零件建模及仿真(103)

6.1.1零件特性介紹(103)

6.1.2模型網格劃分及約束力施加(104)

6.1.3結果與分析(105)

6.2薄壁零件加工變形控制(106)

6.2.1進給速度優化(107)

6.2.2加工順序優化選擇(112)

6.2.3施加局部預變形力以控制變形(112)

6.3局部優化變形誤差補償(114)

6.3.1變形誤差補償基本原理(115)

6.3.2基於公差的局部優化補償(116)

6.3.3確定優化補償的變形耦合繫數(117)

6.4薄壁零件加工精度控制及補償方法(118)

6.4.1薄壁零件變形控制實驗(118)

6.4.2實驗結果分析(125)

本章參考文獻(125)

7RTX開放式數控繫統研究與開發(127)

7.1實時操作繫統(127)

7.1.1Windows繫統實時擴展平臺RTX(127)

7.1.2RTX實時性能分析(128)

7.1.3數控繫統中RTX實時組件技術應用(129)

7.2數控軟件開發編程技術應用(130)

7.2.1開發工具簡介(130)

7.2.2人機界面設計技術(131)

7.2.3Windows繫統多進程技術(131)

7.3基於RTX數控繫統總體設計(131)

7.3.1PC的硬件結構(132)

7.3.2高速並口CNC接口板(132)

7.3.3光電隔離驅動板(133)

7.4繫統軟件結構平臺(134)

7.4.1數控軟件功能模塊分析(134)

7.4.2數控軟件結構設計與實現(135)

7.5繫統各功能模塊算法實現(136)

7.5.1譯碼模塊(138)

7.5.2插補模塊(139)

7.5.3離散S曲線加減速控制算法(141)

7.5.4位置控制模塊(146)

7.6數控繫統實驗與研究(148)

7.6.1繫統實驗方案(148)

7.6.2加工實例(149)

7.6.3繫統分析(151)

本章參考文獻(152)

隨著航空航天、運載工具、能源動力等行業的飛速發展，大型復雜薄壁零件被廣泛采用，如螺旋槳、整體葉輪、飛機蒙皮結構件以及火箭網格壁板等。這些零件在生產加工過程中對加工精度的要求非常高，同時還要求具有較短的加工時間和非常優異的加工質量。本書以薄壁件五軸加工技術為基礎，針對曲率光順影響刀具路徑問題，從運動學角度出發，提出相關算法來控制薄壁件輪廓誤差，使得整個加工路徑曲率光順，從加工工藝參數優化和變形誤差補償兩個方面實現對加工變形和精度的控制，基於RTX數控繫統進行二次開發，實現插補、加減速規劃、位置控制等功能，形成了薄壁件高速高精加工過程中路徑與速度規劃到加工變形控制與補償的理論與方法。全書共分為7章，第1章介紹了薄壁件和五軸加工的特點，分析了刀具軌跡規劃和數控插補對零件加工質量的影響。第2章針對連續線段的加工采用參數曲線實現光順過渡並解決前瞻加減速規劃問題，提出了NURBS曲線、S曲線加減速算法及前瞻控制算法的理論。第3章針對五軸線性刀路，利用繫列雙三次NURBS曲線算法，對刀具中心點平移軌跡和刀軸點平移軌跡進行拐角光順，獲得滿足誤差約束且達到G2連續的五軸雙NURBS曲線拐角刀路，實現刀具平移和旋轉的平滑變化。第4章提出了中斷加速度的拐角平滑算法和連續加速度的拐角平滑算法，基於跳度限制加速度曲線及其速度和加速度邊界條件，結合進給運動的速度、加速度、跳度極限和指定的輪廓誤差，生成曲率光順的拐角轉接輪廓，實現拐角平滑轉接且使加工路徑達到G3連續。第5章基於拐角輪廓間短線段的進給運動規劃，在整個加工路徑實現不間斷進給運動的目標，獲得滿足G1連續的加速度輪廓，開發了在指定範圍內調整*大轉接速度的插補算法，使得拐角處的轉接運動和拐角輪廓間短線段的進給運動的加工時間之和達到*優。第6章利分析軟件對薄壁零件加工過程中的整體變形規律進行了分析和預測，分別從工藝控制變形和誤差補償控制變形方面對零件的加工精度控制及補償方法進行了研究，提出了相應的工藝控制措施和補償策略。第7章基於RTX數控繫統，研究了小線段插補的數據采樣算法、S曲線加減速規劃、位置控制算法，利用連續小線段間高速銜接的離散速度平滑處理，使數控機床在較高速度下獲得較高的精度和柔韌性，完善了薄壁件數控加工理論與精度控制方法。本書可供從事先進制造、航空薄壁件加工、數控繫統開發等領域的研究人員和專業技術人員參考，也可以作為高等院校機械類專業研究生的教材或參考書。本書的出版獲得了國家科技重大專項（2018ZX04013001、2019ZX04020001）、國家自然科學基金項目（51305254、51775328）、上海市科委項目（22XD1433700）以及上海工程技術大學著作出版專項的支持與幫助！同時，感謝上海工程技術大學航空航天智能制造及先進工藝研究所全體老師的參與，感謝研究生張君、杜金鋒、王寧、葉百勝、趙子文、劉方吉對書稿的整理。受作者知識體繫所限，本書難免存在疏漏，敬請各位讀者批評、指正。今後團隊會更加努力地去完善本書內容，豐富和發展薄壁件五軸高效精密加工的原理和方法，推動我國復雜薄壁零件的高效精密制造技術的發展。劉鋼章易鐮張立強茅健2022年5月於上海

隨著航空航天、運載工具、能源動力等行業的飛速發展，大型復雜薄壁零件被廣泛采用，如螺旋槳、整體葉輪、飛機蒙皮結構件以及火箭網格壁板等。這些零件在生產加工過程中對加工精度的要求非常高，同時還要求具有較短的加工時間和非常優異的加工質量。本書以薄壁件五軸加工技術為基礎，針對曲率光順影響刀具路徑問題，從運動學角度出發，提出相關算法來控制薄壁件輪廓誤差，使得整個加工路徑曲率光順，從加工工藝參數優化和變形誤差補償兩個方面實現對加工變形和精度的控制，基於RTX數控繫統進行二次開發，實現插補、加減速規劃、位置控制等功能，形成了薄壁件高速高精加工過程中路徑與速度規劃到加工變形控制與補償的理論與方法。

全書共分為7章，第1章介紹了薄壁件和五軸加工的特點，分析了刀具軌跡規劃和數控插補對零件加工質量的影響。第2章針對連續線段的加工采用參數曲線實現光順過渡並解決前瞻加減速規劃問題，提出了NURBS曲線、S曲線加減速算法及前瞻控制算法的理論。第3章針對五軸線性刀路，利用繫列雙三次NURBS曲線算法，對刀具中心點平移軌跡和刀軸點平移軌跡進行拐角光順，獲得滿足誤差約束且達到G2連續的五軸雙NURBS曲線拐角刀路，實現刀具平移和旋轉的平滑變化。第4章提出了中斷加速度的拐角平滑算法和連續加速度的拐角平滑算法，基於跳度限制加速度曲線及其速度和加速度邊界條件，結合進給運動的速度、加速度、跳度極限和指定的輪廓誤差，生成曲率光順的拐角轉接輪廓，實現拐角平滑轉接且使加工路徑達到G3連續。第5章基於拐角輪廓間短線段的進給運動規劃，在整個加工路徑實現不間斷進給運動的目標，獲得滿足G1連續的加速度輪廓，開發了在指定範圍內調整轉接速度的插補算法，使得拐角處的轉接運動和拐角輪廓間短線段的進給運動的加工時間之和達到。第6章利分析軟件對薄壁零件加工過程中的整體變形規律進行了分析和預測，分別從工藝控制變形和誤差補償控制變形方面對零件的加工精度控制及補償方法進行了研究，提出了相應的工藝控制措施和補償策略。第7章基於RTX數控繫統，研究了小線段插補的數據采樣算法、S曲線加減速規劃、位置控制算法，利用連續小線段間高速銜接的離散速度平滑處理，使數控機床在較高速度下獲得較高的精度和柔韌性，完善了薄壁件數控加工理論與精度控制方法。

本書可供從事先進制造、航空薄壁件加工、數控繫統開發等領域的研究人員和專業技術人員參考，也可以作為高等院校機械類專業研究生的教材或參考書。

本書的出版獲得了國家科技重大專項（2018ZX04013001、2019ZX04020001）、國家自然科學基金項目（51305254、51775328）、上海市科委項目（22XD1433700）以及上海工程技術大學著作出版專項的支持與幫助！同時，感謝上海工程技術大學航空航天智能制造及先進工藝研究所全體老師的參與，感謝研究生張君、杜金鋒、王寧、葉百勝、趙子文、劉方吉對書稿的整理。

受作者知識體繫所限，本書難免存在疏漏，敬請各位讀者批評、指正。今後團隊會更加努力地去完善本書內容，豐富和發展薄壁件五軸高效精密加工的原理和方法，推動我國復雜薄壁零件的高效精密制造技術的發展。