铝合金车轮CNC机械抛光工艺优化的基础研究

华中科技大学博士学位论文铝合金车轮CNC机械抛光工艺优化的基础研究姓名：丁和艳申请学位级别：博士专业：机械设计及理论指导教师：吴昌林2010-07-11华中科技大学博士学位论文I摘要铝合金车轮是汽车工业轻量化、高速化和现代化的产物。为了提高车轮的运行可靠性和耐久性，以及满足用户对车轮的外观质量的日益增加的个性化需求，需要对铝合金车轮进行电镀涂装。抛光是电镀涂装工艺中的重要环节。铝合金车轮的外观质量是“七分靠抛光，三分靠电镀”。为了摆脱目前铝合金车轮严重依赖于手工抛光的现状、提高车轮抛光的生产率以及缓解工人的供需矛盾等，铝合金车轮自动化抛光技术的研究十分必要。尽管已经开发了铝合金车轮CNC机械抛光样机，并做了大量的基础研究工作，但目前在定量地评价工艺参数和材料去除深度、工艺参数和表面粗糙度之间的关系、刀位数据的计算以及如何用专家系统确定工艺参数以满足材料去除深度为定值而表面粗糙度限定在特定数值范围内等方面存在着较多的问题。针对这些问题，本文进行了较为系统的研究。针对工艺参数和材料去除深度之间的定量关系问题，提出了以Preston方程为基础，在假设抛光工具与工件的接触压强满足赫兹分布的前提下，从比较宏观的角度对材料去除深度建模。该模型着重分析了法向抛光力、工件和抛光工具的几何物理属性（弹性模量、泊松比、相对主曲率）、运动参数（进给速度、抛光工具切向速度）和材料去除深度之间的量化关系。此外，综合运用概率统计学、弹性接触力学、塑性接触力学和磨粒切削力学的基础知识对材料去除深度与磨粒的关系进行了理论建模和试验验证。此算法把磨粒的粒度、组织号等作为刻画磨粒几何属性（平均直径、最大直径、磨粒的体积百分比等）的基础，从比较微观的角度的揭示磨粒和材料去除深度的关系。针对刀位数据计算的问题，提出了以多头螺旋线为抛光轨迹，系统地推证了圆柱坐标式抛光机床抛光回转对称车轮曲面的算法。在该算法中，约束各轴联动的条件是单位时间内被抛光的工件面积为定值。在刀位数据计算时，工件的母线需要二次插补。第一次插补把母线离散为直线段，第二次插补即圆台侧面的刀位数据插补计算。针对工艺参数和表面粗糙度之间的定量关系问题，提出了以PSO算法训练多层感知器的连接权值和Sigmoid型激活函数的参数为基础，对表面粗糙度预测建模。整合了PSO和MLP的优点，对表面粗糙度的大小和工艺参数（法向抛光力、等效曲率半径、进给速度、抛光工具切向速度等）之间的关系进行了建模分析。华中科技大学博士学位论文II针对如何确定工艺参数以满足材料去除深度为定值而表面粗糙度局限于特定范围内的问题，采用专家系统为解决该问题的技术手段，并以抛光工艺过程建模所取得的成果作为获取抛光技艺知识的理论基础，构建了铝合金车轮抛光工艺专家系统的体系结构，初步实现了用专家系统辅助决策工艺参数的具体数值。重点介绍了专家系统的各数据表格的设计，推理机的实现步骤，各功能模块的结构。并最终采用正向推理机并结合宽度优先搜索策略进行工艺参数的调整。关键词：铝合金车轮材料去除深度刀位数据表面粗糙度专家系统华中科技大学博士学位论文IIIAbstractAutomobileindustryisaimingatlightweight,high-speed,modernization.Asaresult,Aluminumalloywheelsarebeingusedwidelyallovertheworld.Inordertoimprovethereliabilityanddurabilityofthewheelstorunontheroadinall-weatherconditionsandmeettheincreasingaestheticneedsofcustomers,itisnecessarytoplatingorcoatingwheels.Andpolishingisoneofthemoststepsduringplatingorcoatingaluminumalloywheels.Wheels’appearancedependsonpolishingtechnology70percentandtheothers30percent.Togetridofthecurrentsituationthatmigrantworkerspolishwheelsbyhandyair-drivenorelectricsandingtools,improvetheproductivityofpolishingwheelsandeasetheshortageofworkers,etc.,automaticallypolishingaluminumalloywheelstechnologyisimperative.TheCNCmechanicalpolishingmachinetoolprototypeisdevelopedandagreatdealofbasicresearchworkhasbeendone,however,quantitativelyassessingtherelationbetweenprocessparametersandmaterialremovaldepth,andsurfaceroughnessisstilldifficult.Besides,determiningprocessparameterswhenmaterialremovaldepthisconstantandsurfaceroughislimitedisnoteasy.Tosolvetheseproblems,thispapercarriedoutamoresystematicstudy.Modelingthequantitativerelationbetweenprocessparametersandmaterialremovaldepth,thealgorithm,whichisbasedonPrestonequationandassumingthecontactpressurebetweenthepolishingtoolandthewheelsurfacemeetsHertziandistributionpremise,isproposed.Themodelformthealgorithmwasmacroscopicandfocusedontherelationbetweenmaterialremovaldepthandthenormalpolishingforce,thegeometricphysicalproperties(suchaselasticmodulus,Poisson'sratioandtherelativeprinciplecurvature),themotionproperty(suchasfeedrateandpolishingtooltangentialvelocity).Besides,anothermodelonabrasivegritsandmaterialremovaldepthisconstructed,whichisbasedonprobabilitystatistics,thecontactelasticmechanics,thecontactplasticmechanicsandtheabrasivecuttingtheory.Specially,theeffectofthegrainsizeonmaterialremovaldepthisconsidered.Thegeometrypropertyofabrasivegrain(suchasmaximumdiameter,averagediameter,grainratioandsoon)wascharacteredbythegritnumberandthestructurenumber,andtherelationbetweengritsandmaterialremovaldepthwasrevealed.华中科技大学博士学位论文IVAlgorithmaboutcutterlocationdataforcylindricalcoordinatemachinetoolpolishingaxissymmetricsurfaceofwheelisdiscussed.Toolpathismultiendspiral.Multi-axispolishingisconfinedtotheconstantpolishingareaofworkpiece.Thegeneratrixisinterpolatedtwotimes.Oneisfordiscretethegeneratrixwithlinesegment,andtheotherisforinterpolatingtheprofileofcirculartruncatedcone.Modelingtherelationbetweensurfaceroughnessandprocessparameters,aPSO-basedmultilayerperceptronalgorithmisused,whichisbasedonPSOtrainingtheconnectionweightsandtheparametersoftheSigmoidactivationfunction.TheadvantageofPSOandMLPiscombinedthentherelationbetweenprocessparameters(suchasnormalpolishingforce,equivalentradius,feedrate,polishingtool’stangentvelocity)ismodeled.Todetermineprocessparametersusingexpertsystemwhenmaterialremovaldepthisconstantandsurfaceroughnessislimitedbetweentwoknownnumbers,theexpertsystemarchitectureisbuilt,whichisbasedonmodelingpolishingprocess.Thesystemismadeofglobaldatabase,processdatabase,inferenceengine,knowledgedatabase,andsoon.Acquiringpolishingprocessknowledge,representingthem,principlesofinferenceengine,designingallkindsoftablesandfunctionmodulesarediscussed.Finally,width-firstalgorithmandforwardreasoningmethodisusedwhenprocessparametersareneededadjusting..Keywords:aluminumalloywheel;materialremovaldepth;cutterlocationdata;surfaceroughness;expertsystem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