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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于加工误差的轮毂数字化抛光轨迹生成研究 姓名：何洋 申请学位级别：硕士 专业：机械设计及理论 指导教师：吴昌林 20070526 华中科技大学硕士学位论文 I 摘 要 铝合金汽车轮毂抛光由于曲面的复杂性和多样性，以及抛光轮毂表面存在的误差 和所用抛光工具的特殊性，普通机械加工方式难于加工，采用数控加工中刀具轨迹的 生成方法并不能满足轮毂抛光加工的要求。本文在已有研究成果的基础上，进一步探 讨了汽车轮毂抛光中磨头轨迹生成方法与误差的工艺补偿方式。 本文首先分析了常见复杂曲面抛光方法的局限性，分析了国内外汽车轮毂抛光方 法的不足，介绍了数控加工中刀具的轨迹生成方法，讨
2、论了轮毂复杂曲面机械抛光方 法和机床自由度的设计方案。通过大量的论证与实验工作，提出了轮毂表面型值点的 提取方法，并对型值点的误差和磨头的弹性变形进行了分析。根据实验，总结了型值 点误差与弹性变形的工艺补偿方法。 建立了具有弹性变形特征的磨头刀具模型，在分析常见走刀模式的基础上，规划 了适合于轮毂抛光加工的走刀模式，并基于等残留高度法规划了轮毂抛光中行距的控 制方法。根据提取到的型值点进行轨迹插值和细分，生成了优化后的轮毂抛光轨迹。 讨论了磨头走刀轨迹的逼近方法，对机床机构进行了正逆求解，给出了相关公式。 本文详细介绍了编程实现软件的功能原理和架构，阐述了利用 Visual C+ Open G
3、L 进行可视化实现的方法，建立了轮毂抛光轨迹数据库。最后介绍了硬件控制系统的 结构和主要电路。 实验证明，该方案可满足汽车轮毂抛光的各项指标和要求，所加工轮毂经厂方检 测符合技术要求，加工效率远远大于人工抛光。 关键词：汽车轮毂 抛光 轨迹生成 型值点 误差补偿 华中科技大学硕士学位论文 II Abstract It is so difficult to polish the aluminum- magnesium alloy automobile wheel surface with the traditional mechanically polish model, and plannin
4、g tool- path way which used in NC machining can t meet the automobile wheel s requirements, because of surface s complexity and diversity, and the wheel surface error and the special performance of polish tools. Tool- path generation way for automobile wheel polishing and processing error compensati
5、on are futher discussed in this paper, according to the exiting production. The limitation of the common complex surface polishing method, and the shortage of automobile wheel polishing way at home and abroad are analysed in this dissertation. The tool- path generation for NC is introudced too. This
6、 paper discusses the automobile wheel complex surface mechanical polishing method, and the machine freedom designing. Through a lot of work in demonstrating, the method which extraction the data points on the automobile wheel surface is given.The error of data points and the elastic deformation of g
7、rinding head are researched. According to the test, the processing compensation method to data points error and elastic deformation are summarized. The elastic deformation grinder model is established, and the wheel polish feed model is described in detail based on analysing the common feed model. T
8、he method which control the polish cutting line width is deduced based on constant scallop height tool path. Using the extraction data points establish the interpolation polynomial, then subdivision the data points, aiming to optimum the tool- path. This dissertation also introduces the approximate
9、way for grinding tool path. The machine machanism of equation the forward solution and inverse solution about position are established. This paper describes the software functional principles and frameworks, the use of Visual C+ Open GL for Visualization. Establishing the automobile wheel polishing
10、database for tool- path. At last, the structure of hardware system and the main circuit are introduced. The scheme meets the requirements for automobile wheel polishing is indicated in the experiment. This polishing method much more efficiently than manual polishing. Keywords: Automobile wheel, Poli
11、shing, Tool- path generation, Data point, Error compensation. 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子
12、版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华中科技大学硕士学位论文 1 1 绪 论 1 . 1 课题的来源、目的和意义 我国铝合金轮毂行业经过 1 0余年的快速发展，已形成了一批年产量在几百万只轮 毂的企业，其产品质量基本达到国外同类产品水平，且成本比发达国家低 1 5 左右， 具有较强的竞争力。铝合金轮毂是最具比较
13、优势的典型产品。所以，也是国际汽车巨 头跨国采购的重点零部件之一。由于汽车轮毂的生产耗能高、污染较大，同时，国内 劳动力又较为廉价，因此目前发达国家的轮毂生产业务正不断向国内转移，我国汽车 轮毂的生产企业正不断扩大生产量来满足国内外市场的需求，生产企业对于提高轮毂 抛光加工效率的要求也日益迫切。近几年我国铝合金轮毂出口量猛增，出口额从 1 9 9 8 年的 5 6 1万美元，到 2 0 0 3年已超过亿美元，增长 3 5倍以上，年均增长率超过 2 0 0 。2 0 0 4年我国单从美国市场拿到的需要抛光的汽车轮毂业务就有 2 0 0多万只；2 0 0 5 年我国需要抛光加工的汽车轮毂平均月产销
14、量约在 1 8万只。因此，传统的轮毂抛光方 式已经无法满足市场需求。 1.1.1 课题来源 铝及铝镁合金汽车轮毂生产加工过程中，对其表面进行抛光加工是一个重要的环 节，其所占时间约为轮毂生产总时间的 7 0 % 左右，汽车轮毂的表面抛光是一个目前尚未 解决的技术难题，其难点在于以下几个方面： 1 . 多数轮毂表面凸凹起伏，存在误差，形状复杂多样，抛光工具具有弹性，采用 机械化加工难于获取磨头抛光轨迹； 2 . 抛光光洁度和表面整体均匀性要求较高； 3 . 在保证加工质量的前提下要求较高的加工效率和节能环保。 轮毂的生产企业正不断寻求高效、环保、节能的轮毂抛光方式。浙江今飞机械集 团和浙江亚龙科
15、技创业公司与我们进行合作，研究解决这个问题。本课题在汽车轮毂 抛光机的已有研究基础上进行汽车轮毂抛光机数字化抛光磨头轨迹自动生成方法的研 究。 1.1.2 课题的目的 提高轮毂加工效率和加工质量，减少单位能耗，减轻粉尘对人体的伤害，改善工 作环境，减小环境污染是汽车轮毂抛光行业发展的目标。为此，寻求一种轮毂抛光的 机械加工工艺，通过采用微机控制机械设备与磨具配合来取代传统的手工抛光，在抛 华中科技大学硕士学位论文 2 光过程中基本实现全自动化。在汽车轮毂全自动机械化抛光加工的过程中，其难点在 于如何获取轮毂复杂曲面的数据信息。在轮毂表面具有误差和抛光工具弹性变形的前 提下对轮毂磨头轨迹进行规划
16、是机械抛光加工的关键环节，磨头路径规划的好坏，直 接影响到加工质量和加工效率。 1.1.3 课题的意义 目前我国在汽车轮毂抛光方面一般都是工人手持轮毂在电机带动的磨轮上进行粗 磨或手持电、气动工具进行孔的磨削或精磨，工人的劳动强度很大，同时对于工人的 熟练程度要求也比较高。人工加工效率低下，每个工人每天平均只能加工 23 个轮 毂，以浙江金华的轮毂生产企业为例，月产两万支轮毂的生产企业，在轮毂的抛光这 道工序上就雇佣了 300 个工人，占用了相当大面积的厂房进行加工；另一方面，由于 在磨削过程中产生大量的粉尘，由呼吸道以及皮肤渗入工人的身体会对工人的健康产 生很大伤害，对当地的环境也有很大的破坏。在我国的轮毂加工企业迅速发展的过程 中，人工抛光这种原始、落后的加工方式已经成为我国汽车轮毂生产行业提升、发展 的最大瓶颈，急需一种
