基于闭链刚度场模型的多轴数控加工刀具轨迹规划

摘要

随着制造业尤其是国防、能源、航空航天等领域的发展，对一些关键功能零件如舰船用螺旋桨、风力叶片、水轮机叶轮等多轴数控加工精度和效率提出更高要求。传统仅基于机床和工件几何约束的刀具轨迹规划已无法满足高速高精要求，必须结合几何和物理混合约束进行刀具轨迹规划。本文通过深入研究加工工艺系统刚度特性的非线性和各向异性等特征，寻找刚度特性与刀具轨迹规划间的内在联系，基于闭链刚度场模型指导加工轨迹规划，提高加工性能。
　　 基于弹性小变形假设和虚位移原理，综合考虑影响整体刚度性能的各个子系统，包括机床关节、刀具-主轴、机床运动轴、加工工件对综合刚度性能的影响，建立面向整个加工工艺系统的综合闭链刚度场模型。对各子系统分别建立刚度模型，通过机床模态实验得到机床关节刚度矩阵；基于解析法计算刀具主轴刚度矩阵；基于点传递矩阵法推导机床运动轴刚度矩阵；基于有限元法仿真计算被加工工件刚度矩阵。最后通过雅克比矩阵法将各刚度矩阵变换到工件坐标系下得到综合刚度矩阵。
　　 借助经典解析几何理论中三维椭球的概念，对综合刚度矩阵作进一步变换，得到三维空间力椭球。结合力椭球各特征量，建立与系统加工性能有关的刚度性能评价指标。基于刚度性能指标指导刀具轨迹规划，探讨刀具进刀方向优化算法和刀具姿态优化算法，对每一个控制点求局部最优策略，并综合所有控制点得到全局最优策略。当机床包含冗余轴时，分析在不同冗余值下对应的刚度性能指标，选取刚度性能最大值对应的冗余值作为机床冗余轴的设置值。
　　 分析标准铣头配置下的七轴五联动车铣复合机床加工大型螺旋桨叶片刚度性能，建立闭链刚度场模型，通过多组刚度场仿真图谱，找到对综合刚度性能影响最大的环节，针对性地改进，最大程度提高加工系统综合刚度性能。
　　 分析特殊铣头配置下的七轴五联动车铣复合机床加工大型螺旋桨叶片刚度性能，建立包含柔性运动轴的闭链刚度场模型，以刚度性能指标为目标函数优化冗余轴设置值以改善刀具姿态，并通过一系列对比试验与理论对证。
　　 分析双转台五轴高速加工中心加工测试样件，建立闭链刚度场模型，以刚度性能指标为目标函数优化走刀方向，并通过一系列对比实验与理论对证。
　　 结果表明仿真结果和实验效果吻合，理论正确有效。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

2 多轴数控加工工艺系统闭链刚度场建模

3 基于闭链刚度场特性分析的刀具轨迹规划

4 七轴五联动车铣复合机床综合刚度场分析及刀具轨迹规划

5 五轴高速加工中心综合刚度场分析及刀具轨迹规划

6 总结与展望

致谢

参考文献

硕士期间发表文章、专利