外文翻譯--五軸數(shù)控加工的刀具路徑規(guī)劃與動(dòng)力學(xué)仿真 中文版

1、<p><b>　　河北建筑工程學(xué)院</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文資料翻譯</p><p>　　系別： 機(jī) 械 系 </p><p>　　專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 </p><p>　　班級(jí)：

2、 </p><p>　　姓名： </p><p>　　學(xué)號(hào)： </p><p>　　外文出處： Cutting tool applications </p><p>　　附 件：1、外文原文；2、外文資料翻譯譯文。</p><

3、p>　　注：請(qǐng)將該封面與附件裝訂成冊(cè)。</p><p>　　2、外文資料翻譯譯文</p><p>　　五軸數(shù)控加工的刀具路徑規(guī)劃與動(dòng)力學(xué)仿真</p><p><b>　　關(guān)鍵詞</b></p><p>　　五軸數(shù)控 刀具路徑 幾何-力學(xué)集成仿真 動(dòng)力學(xué)仿真</p>&l

4、t;p>　　傳統(tǒng)的三軸數(shù)控加工通過(guò)控制刀具平動(dòng)來(lái)完成零件的加工, 五軸數(shù)控機(jī)床是由三軸機(jī)床增加兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度構(gòu)成, 利用這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸, 五軸數(shù)控機(jī)床可以使刀具處于工作空間內(nèi)的任意方向. 五軸數(shù)控加工的優(yōu)勢(shì)主要通過(guò)控制刀軸方向?qū)崿F(xiàn), 具體體現(xiàn)在: (1)改變刀軸方向可以避免刀具和零件干涉, 實(shí)現(xiàn)整體葉輪和螺旋槳等復(fù)雜曲面零件的加工; (2) 通過(guò)調(diào)整刀軸方向能夠更好地匹配刀具幾何與工件曲面, 增加有效切寬, 實(shí)現(xiàn)大型敞口類曲面零件的

5、高效加工;(3) 控制刀軸方向可以改善加工條件, 如在加工葉輪根部等曲率較大的區(qū)域時(shí), 只能用剛度較低的小半徑刀具, 選擇合理的刀軸方向, 可以縮短刀具懸伸量,控制刀軸方向還可以控制刀具參與切削的區(qū)域, 降低切削力和減少刀具磨損, 提高加工表面質(zhì)量.五軸數(shù)控加工具有上述優(yōu)勢(shì)的同時(shí)也帶來(lái)了新的挑戰(zhàn), 由于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的引入, 刀軸姿態(tài)更加靈活,在機(jī)床坐標(biāo)系下難以直觀想象出刀具相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng), 增加了刀具路徑規(guī)劃的難度, 而且刀具上各點(diǎn)的進(jìn)給

6、速度并不相同, 加工條件瞬時(shí)變化, 使切削力預(yù)測(cè)和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題更加復(fù)雜. 目前的研究工作主要體現(xiàn)在3 個(gè)方面: 刀具路徑規(guī)劃、加工過(guò)程的幾何</p><p>　　評(píng) 述國(guó)內(nèi)外對(duì)五軸數(shù)控加工進(jìn)行了大量的理論和應(yīng)用研究, 目前已有通用CAM 軟件(如UG 和Catia)、專用CAM 軟件(如加工葉輪的Max 和加工葉片的TurboSoft)和動(dòng)力學(xué)仿真軟件(如CutterPro). 歐盟在2001 年開(kāi)展了“Flami

7、ngo (flank milling optimization)”項(xiàng)目, 聯(lián)合了SNECMA, Rolls Royce, Dassault Systèmes等著名公司和高校研究了高效側(cè)銑加工方法. 美國(guó)聯(lián)合技術(shù)公司、普惠(Pratt & Whitney) 公司和Concepts NREC 公司一直在研究五軸高效精密加工技術(shù). 國(guó)內(nèi)也開(kāi)發(fā)了如開(kāi)目、5BDM 和DynaCut 等軟件, 但在理論研究和應(yīng)用方面尚處于起步階段

8、.目前的商業(yè)軟件在刀具路徑規(guī)劃和仿真方面提供了豐富的策略, 但在智能性、工藝性和計(jì)算效率等方面還不完善, 如刀軸方向控制策略主要依靠編程人員的輸入, 難以做到自動(dòng)優(yōu)化刀軸方向來(lái)同時(shí)滿足干涉避免、寬行加工、刀具路徑整體光順和縮短刀具長(zhǎng)度等需求; 在動(dòng)力學(xué)仿真方面主要針對(duì)三軸數(shù)控加工, 亟需針對(duì)五軸高速加工的切削力和切削過(guò)程</p><p><b>　　1 刀具路徑規(guī)劃</b></p>

9、;<p>　　刀具路徑規(guī)劃是數(shù)控編程的核心技術(shù), 在復(fù)雜曲面五軸高效加工的刀具路徑規(guī)劃中, 最大的難點(diǎn)是除滿足幾何約束外, 還需要考慮加工過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性和物理因素, 尤其對(duì)于難加工材料的工件, 動(dòng)態(tài)特性和物理因素很大程度上決定了加工效率和加工質(zhì)量, 是在刀具路徑規(guī)劃階段必須考慮的. 規(guī)劃刀具路徑時(shí), 需要在保證無(wú)干涉前提下, 通過(guò)調(diào)整刀軸方向來(lái)擴(kuò)大刀具有效切削面積、改善工藝條件.</p><p>

10、<b>　　1.1 干涉避免</b></p><p>　　干涉避免是加工復(fù)雜曲面零件時(shí)需要首先考慮的幾何約束, 目前的無(wú)干涉刀位規(guī)劃方法可以分為先生成后檢測(cè)的規(guī)劃方法和基于可達(dá)性的規(guī)劃方法.先生成后檢測(cè)是指先生成刀具路徑然后檢測(cè)干涉,通過(guò)調(diào)整刀軸方向來(lái)避免干涉, 如圖2 所示; 而基于可達(dá)性的刀具路徑規(guī)劃方法是直接在可達(dá)空間中生成無(wú)干涉刀具路徑, 如圖3 所示.先生成后檢測(cè)方法的工作集中在干

11、涉檢查和刀軸方向調(diào)整兩方面. 數(shù)控程序中刀位點(diǎn)一般有幾萬(wàn)行甚至十幾萬(wàn)行, 干涉檢查往往花費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間和資源, 因此研究重點(diǎn)在提高全局干涉檢查的效圖2 先生成后調(diào)整的干涉避免方法[2](a) 干涉發(fā)生; (b) 調(diào)整刀軸方向圖3 基于可達(dá)性的干涉避免方法(a) 可達(dá)方向錐; (b) 無(wú)干涉刀具路徑率方面[2,3]. 在加工復(fù)雜零件時(shí), 先產(chǎn)生后檢測(cè)方法往往需要反復(fù)的檢查干涉和調(diào)整刀軸方向, 在這個(gè)過(guò)程中主要考慮幾何約束, 難以根據(jù)工藝

12、需求優(yōu)化刀軸方向.基于可達(dá)性的規(guī)劃方法首先在離散的刀觸點(diǎn)處計(jì)算出刀具的可達(dá)方向錐, 然后在可達(dá)方向中規(guī)劃刀具路徑, 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以直接判斷零件的可加工性, 減少甚至可以避免對(duì)刀具路徑進(jìn)行反復(fù)的調(diào)整和檢測(cè), 因此能夠在刀</p><p><b>　　1.2 加工效率</b></p><p>　　五軸數(shù)控加工至今仍廣泛采用球頭刀, 球頭刀加工刀位規(guī)劃簡(jiǎn)單, 但效率比

13、較低, 而非球頭刀通過(guò)調(diào)整其位置和姿態(tài), 可以使刀觸點(diǎn)軌跡線附近帶狀區(qū)域內(nèi)的刀具包絡(luò)曲面充分逼近理論設(shè)計(jì)曲面, 從而顯著提高給定精度下的加工帶寬, 在加工平坦、敞口類曲面時(shí)能充分發(fā)揮五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的潛力, 成為近些年來(lái)研究的熱點(diǎn). 研究工作主要集中在平底刀和圓環(huán)刀的端銑加工, 以及圓柱刀和圓錐刀的側(cè)銑加工. 端銑加工中依靠點(diǎn)接觸成形, 通過(guò)增大刀具的有效切削面積可以獲得高材料去除率, 提高加工效率,而側(cè)銑加工中使用線接觸成形, 直接實(shí)現(xiàn)寬

14、行加工.五軸數(shù)控加工的成形原理為單參數(shù)面族包絡(luò)原理, 真實(shí)的加工誤差為刀具包絡(luò)面相對(duì)于工件曲面的法向誤差. 由于只有在所有刀位都確定之后才能計(jì)算刀具包絡(luò)面[13,14], 因此如何在單個(gè)刀位規(guī)劃的時(shí)候考慮刀具包絡(luò)面與工件曲面之間的偏差是個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題, 它直接關(guān)系到刀位計(jì)算的精度. 由于操作上的難度及復(fù)雜性, 多數(shù)文獻(xiàn)都采用了近似的簡(jiǎn)化處理[15], 將刀位規(guī)劃轉(zhuǎn)化為單個(gè)刀位下, 刀具曲面與工件曲面間的優(yōu)化逼近問(wèn)題, 給出的各種刀位優(yōu)

15、化模型并不能真實(shí)地反映實(shí)際加工過(guò)程, 并且現(xiàn)有的方</p><p>　　評(píng) 述論上可以實(shí)現(xiàn)兩者的三階切觸, 因此二階模型未能充分發(fā)揮五軸聯(lián)動(dòng)加工的潛力. 這些方法的理論模型也互不兼容, 并且均是將切觸條件轉(zhuǎn)化為等式方程, 然后嚴(yán)格計(jì)算出滿足切觸條件的刀位. 但在實(shí)際應(yīng)用中, 由于刀具和設(shè)計(jì)曲面的復(fù)雜性, 以及無(wú)干涉約束、機(jī)床工作空間約束以及刀具路徑光順性約束的存在, 往往無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確的高階切觸加工. 本文作者[1

16、8,19]研究了兩線接觸曲面間的幾何學(xué)特性, 刀具包絡(luò)面的基本條件是沿特征線和刀觸點(diǎn)軌跡線分別與刀具曲面和設(shè)計(jì)曲面線接觸, 提出了回轉(zhuǎn)刀具掃掠包絡(luò)面的局部重建原理. 建立了由單個(gè)刀位重建刀具包絡(luò)面局部三階近似曲面的數(shù)學(xué)模型, 刻畫了刀具曲面、刀具包絡(luò)面與設(shè)計(jì)曲面在刀觸點(diǎn)鄰域內(nèi)的三階微分關(guān)系, 在此基礎(chǔ)上提出了非球頭刀寬行五軸數(shù)控加工自由曲面的刀位規(guī)劃新方法——三階切觸法. 該方法通過(guò)優(yōu)化刀具的前傾角和側(cè)傾角使得在刀觸點(diǎn)處刀具包絡(luò)曲面與設(shè)

17、計(jì)曲面達(dá)到三階切觸,適用于任意回轉(zhuǎn)面刀具、任意設(shè)計(jì)曲面及各種加工方式, 并且可以自然地處理各種幾何學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)約束.采用環(huán)心圓半徑為10 mm, 母圓半徑為2.5 mm 的圓環(huán)刀加工某螺旋面, 在某一刀觸點(diǎn)處限定加工誤</p><p>　　徑整體優(yōu)化問(wèn)題歸結(jié)為刀具包絡(luò)面向設(shè)計(jì)曲面的最佳一致逼近問(wèn)題, 定義了點(diǎn)-軸跡面法向誤差函數(shù),并推導(dǎo)出其關(guān)于軸跡面形狀控制參數(shù)的一階梯度和二階海色矩陣表達(dá)式, 在此基礎(chǔ)上構(gòu)造了高效

18、的離散點(diǎn)云軸跡面逼近算法, 應(yīng)用于非可展直紋面的側(cè)銑加工, 幾何精度比國(guó)際上現(xiàn)有的方法提高了30%以上, 并且可以自然地處理無(wú)過(guò)切約束, 對(duì)比結(jié)果如表3 所示. 這一方法利用了柱刀包絡(luò)面與其軸跡面互為等距面這一幾何性質(zhì), 因此無(wú)法推廣應(yīng)用于錐刀的情形. 在某些應(yīng)用場(chǎng)合下, 錐刀可在保證剛性的前提下實(shí)現(xiàn)端部的小半徑切削, 從而避免刀具端部與工件的干涉以及小半徑柱刀剛性不足的困難, 因此關(guān)于錐刀側(cè)銑加工的刀位優(yōu)化方法近年來(lái)引起重視.本文作者

19、[24,25]基于刀具包絡(luò)面的雙參數(shù)球族包絡(luò)表示, 提出了無(wú)須構(gòu)造包絡(luò)面而直接計(jì)算其與設(shè)計(jì)曲面間法向誤差的方法, 并推導(dǎo)出法向誤差關(guān)于刀軸軌跡面形狀控制參數(shù)的一階梯度表達(dá)式, 揭示了刀位微小調(diào)整對(duì)設(shè)計(jì)曲面和刀具包絡(luò)面間整體逼近誤差的影響規(guī)律, 在此基礎(chǔ)上構(gòu)造了基于導(dǎo)數(shù)信息的刀具包絡(luò)面向設(shè)計(jì)曲面的離散點(diǎn)云的最佳一致逼近算法, 實(shí)現(xiàn)了圓錐刀五軸側(cè)銑加工刀具路徑的整體優(yōu)化. 有關(guān)理論和</p><p>　　1.3 工藝

20、條件改善</p><p>　　高速加工對(duì)刀具軌跡的光順性和加工系統(tǒng)的整體剛度提出了更高的要求. 刀軸方向光順性和刀具長(zhǎng)度影響五軸數(shù)控加工過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性; 不同刀軸方向也會(huì)改變有效切削速度等切削參數(shù), 影響切削力等物理因素. 在刀具路徑規(guī)劃中需要綜合這些因素, 改善工藝條件.</p><p>　　(ⅰ) 刀軸方向光順. 刀軸方向的光順性對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)非線性誤差、加工效率、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和切削條件[

21、29,30]都有直接的影響, 因此刀軸方向的光順性是評(píng)價(jià)刀具路徑的一個(gè)重要指標(biāo). 刀軸方向光順性的度量可以在機(jī)床坐標(biāo)系中、工件坐標(biāo)系中或者進(jìn)給坐標(biāo)系中定義, 分別對(duì)應(yīng)機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)、刀軸方向相對(duì)于工件的變化和切削條件的變化.現(xiàn)有研究中大多考慮機(jī)床坐標(biāo)系下的度量,Kersting等人[31]研究了在自由C-空間中根據(jù)機(jī)床坐標(biāo)系下的度量光順刀軸方向的方法. Castagnetti 等人[29]以旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和加工效率為目標(biāo)定義了

22、機(jī)床坐標(biāo)系下的度量, 證明優(yōu)化刀軸方向后可以明顯縮短加工時(shí)間. 本文作者[11,12]研究了在刀軸可行空間中整體光順刀軸方向的算法, 該算法考慮了相鄰刀位之間的角速度約束, 把刀軸方向整體光順問(wèn)題定義為離散域的約束最優(yōu)化問(wèn)題, 用有向圖的最短路徑算法求解該優(yōu)化問(wèn)題獲得了整體光順的刀具路徑.根據(jù)工件坐標(biāo)系下的度量光順刀軸方向的方法主要集中在NURBS 刀具路徑規(guī)劃方面, Dassault 公司[32]研究了用雙樣條曲線描述五軸加工刀具路徑

23、的方式, 通過(guò)插值獲得光</p><p>　　(ⅱ) 縮短刀具長(zhǎng)度. 可以用更短的刀具加工復(fù)雜零件是五軸數(shù)控加工的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì), 縮短刀具懸伸長(zhǎng)度可以提高整個(gè)加工系統(tǒng)的剛度. 刀具最短安全長(zhǎng)度一般在數(shù)控程序仿真階段計(jì)算, 如數(shù)控仿真軟件Vericut 在6.2 版本中提供了計(jì)算安全最短刀具長(zhǎng)度的功能. 在仿真過(guò)程中計(jì)算安全最短刀具長(zhǎng)度需要首先規(guī)劃出刀具路徑, 只能針對(duì)已有刀具路徑計(jì)算安全的刀具懸伸量, 然而在加工

24、復(fù)雜零件時(shí),安全最短的刀具長(zhǎng)度往往由刀軸方向決定, 因此應(yīng)該在刀具路徑規(guī)劃階段考慮刀具的安全最短長(zhǎng)度.如何在規(guī)劃五軸數(shù)控加工刀具路徑時(shí)考慮安全</p><p>　　最短刀具長(zhǎng)度, 在現(xiàn)有研究中考慮較少. Morimoto 等人[10]針對(duì)球頭銑刀的固定角度加工提出了調(diào)整刀軸方向來(lái)縮短刀具長(zhǎng)度的算法, 該方法需要首先求被加工曲面和干涉檢查曲面的等距偏置面, 而且在計(jì)算安全刀具長(zhǎng)度時(shí)過(guò)于保守. 本文作者[36]在基于

25、GPU 檢測(cè)刀具可達(dá)性的基礎(chǔ)上, 提出了計(jì)算可達(dá)方向上安全最短刀具長(zhǎng)度的方法, 為3+2 數(shù)控加工提供了高效的刀具安全長(zhǎng)度規(guī)劃方法. 在此基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步探索了以刀具長(zhǎng)度最短為目標(biāo)的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工刀具路徑規(guī)劃算法[37,38], 以刀具路徑的無(wú)干涉和相鄰刀位之間刀軸方向的光順性作為約束, 把刀具長(zhǎng)度優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為約束組合優(yōu)化問(wèn)題, 并給出了有效的求解方法.</p><p>　　2 幾何-力學(xué)集成仿真</p

26、><p>　　動(dòng)態(tài)切削力仿真是物理仿真的基礎(chǔ), 在進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速等切削參數(shù)優(yōu)化, 切削顫振預(yù)報(bào), 加工過(guò)程自適應(yīng)控制, 刀具磨損和破損監(jiān)測(cè), 加工表面形貌預(yù)測(cè), 加工誤差分析與補(bǔ)償中有著廣泛的應(yīng)用. 幾何-力學(xué)集成仿真是根據(jù)材料去除過(guò)程中的瞬時(shí)切削條件來(lái)預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)切削力, 包含切削力系數(shù)和瞬時(shí)切削幾何兩方面的工作, 其中切削力系數(shù)一般采用實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的方法求得[39,40], 因此主要工作為刀具掃描體和刀具-工件切削幾

27、何建模.</p><p>　　2.1 幾何仿真與切削力預(yù)測(cè)的集成</p><p>　　刀具掃掠體建模的關(guān)鍵是求解其包絡(luò)面. 對(duì)于五軸運(yùn)動(dòng)下的刀具掃掠體包絡(luò)面的建模, 目前常用的方法是數(shù)值法[41], 包括Jacobian 秩虧損方法、掃掠微分方程方法、隱式建模方法及Minkowski 和方法,這些方法需要數(shù)值求解高階常微分方程或超越方程,計(jì)算量很大. Chiou 等人[42]推導(dǎo)了環(huán)刀和由

28、上、下錐面和中間環(huán)面組成的APT 刀具在五軸線性插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)下的瞬時(shí)特征線的求解公式. Du 和Ye 等人[43,44]通過(guò)引入瞬時(shí)標(biāo)架和剛體速度表示簡(jiǎn)化了Chiou 的結(jié)果.之后, Chiou 等[45]通過(guò)引入刀觸點(diǎn)處的瞬時(shí)標(biāo)架得到了APT 刀具在一般空間剛體運(yùn)動(dòng)下的瞬時(shí)特征線的求解公式. 上述方法需要逐點(diǎn)計(jì)算包絡(luò)面上的點(diǎn), 解的判別過(guò)程比較復(fù)雜. 本文作者[13,14]提出了兩種回轉(zhuǎn)刀具切削刃掃描面的解析表達(dá)方法: (1) 將錐刀、鼓

29、刀和環(huán)刀的切削刃回轉(zhuǎn)面表示為單參數(shù)可變半徑球族的包絡(luò)面, 利用雙參數(shù)球族包絡(luò)理論推導(dǎo)出了這3 種刀具在一般空間運(yùn)動(dòng)下的掃掠體包絡(luò)面及其單位外法矢的解析表達(dá)式; (2) 應(yīng)用包絡(luò)條件和剛體運(yùn)動(dòng)的速度表示方法推導(dǎo)出任意回轉(zhuǎn)刀具在一般空間運(yùn)動(dòng)下掃掠包絡(luò)面特征線</p><p>　　2.2 切削力約束下的進(jìn)給率規(guī)劃</p><p>　　在五軸銑削過(guò)程幾何-力學(xué)集成仿真的基礎(chǔ)上,可以根據(jù)切削力優(yōu)化進(jìn)

30、給率. 目前商用CAM 軟件的進(jìn)給率優(yōu)化算法均基于體積分析(也稱為材料去除率). 在這種傳統(tǒng)的方法中, 通常把進(jìn)給率設(shè)置為反比于瞬時(shí)材料去除率或者與材料去除率成指數(shù)函數(shù)關(guān)系. 該方法的兩個(gè)主要缺點(diǎn)是: (1) 瞬時(shí)材料去除率雖然從一定程度上可以反映切削力的大小, 但不能反映切削力的方向, 故基于材料去除率的進(jìn)給率優(yōu)化不能反映切削力的本質(zhì); (2) 由這種方法規(guī)劃出的進(jìn)給率所產(chǎn)生的切削力的大小難以保持恒定. 針對(duì)基于材料去除率規(guī)劃進(jìn)給率的

31、缺點(diǎn), Bailey 等人[47,48]提出了基于切削力模型的五軸加工進(jìn)給率規(guī)劃方法.Erdim 等人[49]對(duì)基于切削力模型的與基于材料去除率模型的兩種進(jìn)給率優(yōu)化策略做了詳細(xì)比較研究本文作者[50]提出了切削力約束的五軸數(shù)控側(cè)銑加工進(jìn)給率離線規(guī)劃方法: 基于機(jī)床各軸立方樣條多項(xiàng)式插補(bǔ)格式, 建立以各軸相鄰位置點(diǎn)之間的時(shí)間序列為設(shè)計(jì)變量, 以各軸相鄰位置點(diǎn)之間的運(yùn)行時(shí)間序列之和極小為目標(biāo)函數(shù), 以各軸的速度、加速度、躍度極限為約束, 同

32、時(shí)以刀具切削過(guò)程中的最大切削力小于閥域值為約束的優(yōu)化模型,</p><p>　　3 加工過(guò)程動(dòng)力學(xué)仿真</p><p>　　五軸銑削過(guò)程動(dòng)力學(xué)仿真是為加工過(guò)程工藝優(yōu)化提供過(guò)程狀態(tài)變量的時(shí)間歷程數(shù)據(jù), 核心工作包括動(dòng)力學(xué)建模、加工過(guò)程穩(wěn)定性分析和工藝參數(shù)優(yōu)化.</p><p><b>　　3.1 動(dòng)力學(xué)建模</b></p><

33、p>　　刀具-工件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型分為: (1) 刀具-工件耦合振動(dòng)模型, 對(duì)于薄板類零件加工, Ratchev 的研究小組提出了基于FEM的薄板-刀具耦合振動(dòng)模型; Kovecses 等人[52]提出了基于解析法建模的薄板類零件銑削振動(dòng)模型. 然而, 對(duì)于薄殼類零件銑削加工,工件振動(dòng)模型、刀具-工件耦合振動(dòng)模型極少見(jiàn)諸國(guó)際期刊. (2) 工件-夾具接觸動(dòng)力學(xué)建模, Hu 等人[53]在柔性多體動(dòng)力學(xué)框架下, 使用集總參數(shù)模型分

34、析了夾具的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性; Kapoor 等人研究了夾具-工件動(dòng)態(tài)摩擦接觸模型, 并分析了該動(dòng)態(tài)效應(yīng)對(duì)加工性能的影響; Rong 等人在FEM 的框架下, 建立了夾具工另一方面, Melkote 等人[56]分析了加工過(guò)程工件-刀具動(dòng)態(tài)效應(yīng)(工件慣量、剛度、頻率等特性在銑刀去除材料過(guò)程中的時(shí)變特性)對(duì)夾持動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的影響.</p><p>　　3.2 加工過(guò)程穩(wěn)定性分析</p><p>　　在

35、刀具-工件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上, 目前銑削過(guò)程動(dòng)力學(xué)分析的工作主要集中在顫振分析上.切削過(guò)程顫振分為再生型顫振、模態(tài)耦合性顫振等,一般認(rèn)為再生型顫振先于模態(tài)耦合性顫振發(fā)生. 常用顫振穩(wěn)定性分析方法的對(duì)比如表4 所示, Altintas等人利用切削力系數(shù)Fourier 展開(kāi)給出了銑削加工顫振預(yù)測(cè)模型(ZOA 法), 其精度取決于切削力變化趨勢(shì)和Fourier 項(xiàng)數(shù), 對(duì)于多齒刀具和徑向切深較大的加工方式非常有效, 而對(duì)于少齒刀具及徑向

36、切深小的加工方式則缺乏足夠的精度. Altintas 的小組在近年又提出了多頻率法, 可以用于小徑向切深的銑削穩(wěn)定性預(yù)報(bào). Bayly 等人結(jié)合刀具自由振動(dòng)解析解和刀具-工件接觸過(guò)程振動(dòng)近似解, 發(fā)展出時(shí)域有限元方法(TFEA)用以預(yù)測(cè)銑削系統(tǒng)顫振, 但該方法主要適用于預(yù)報(bào)小徑向切深銑削的穩(wěn)定性, 而對(duì)于大徑向切深情形有較大誤差. Insperger 等人通過(guò)離散時(shí)滯項(xiàng)并對(duì)周期系數(shù)項(xiàng)做零階平均處理將加工動(dòng)力學(xué)時(shí)滯方程轉(zhuǎn)化成一系列自治常微

37、分方程, 即所謂的半離散方法, 可用于預(yù)測(cè)顫振發(fā)生, 其精度取決于離散步長(zhǎng), 計(jì)算量與多頻率法接近, 都遠(yuǎn)大于ZOA </p><p>　　3.3 工藝參數(shù)優(yōu)化</p><p>　　關(guān)于無(wú)顫振工藝參數(shù)優(yōu)化的工作主要集中于三軸加工, Budak 等人[63]提出了無(wú)顫振最大材料去除率目標(biāo)下的最優(yōu)軸向與徑向切深對(duì)的計(jì)算方法, Altintas等人[64]提出了基于銑削過(guò)程仿真和顫振穩(wěn)定性預(yù)報(bào)的

38、NC 主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給率優(yōu)化方法. 現(xiàn)有的穩(wěn)定性預(yù)測(cè)模型和五軸銑削加工工藝參數(shù)優(yōu)化都是基于確定參數(shù)的動(dòng)力學(xué)模型, 這種方法沒(méi)有將切削系統(tǒng)參數(shù)的不確定性引入到工藝參數(shù)規(guī)劃中, 不能反映真實(shí)的加工狀況, 因此獲得的工藝參數(shù)不是真實(shí)的最優(yōu)解, 仍然可能導(dǎo)致顫振發(fā)生. 刀具-工件結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)和幾何參數(shù)包含很多不確定性, 物理參數(shù)如彈性模量和泊松比, 幾何參數(shù)如工件的厚度及其他幾何尺寸. 對(duì)銑削中的不確定問(wèn)題, 以前多是從控制角度來(lái)研究[65],

39、 設(shè)計(jì)控制器補(bǔ)償切削過(guò)程中的切削力模型和切削力-進(jìn)給非線性因素中存在的誤差. 目前, 國(guó)際上針對(duì)不確定參數(shù)的數(shù)控銑削過(guò)程動(dòng)力學(xué)建模工作很少, 本文作者[66~68]提出了考慮加工過(guò)程不確定參數(shù)的五軸銑削工藝參數(shù)魯棒優(yōu)化方法, 考慮加工過(guò)程中的不確定因素, 利用區(qū)間代數(shù), 基于靈敏度分析, 求解銑削顫振穩(wěn)定圖的上下界和刀具動(dòng)態(tài)響應(yīng)的上下界, 建立工藝</p><p><b>　　4 展望</b>

40、;</p><p>　　五軸數(shù)控加工是航空、航天、能源和國(guó)防等領(lǐng)域中高效加工復(fù)雜零件的有效手段, 是提升我國(guó)制造水平的技術(shù)突破口. 國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃和科技重大專項(xiàng)中都把五軸數(shù)控加工的基礎(chǔ)理論和共性技術(shù)列為重點(diǎn)研究方向, 結(jié)合國(guó)家重大需求和制造科學(xué)前沿, 五軸高效精密數(shù)控加工將來(lái)的研究方向如下:</p><p>　　(1) 完整的數(shù)控加工過(guò)程動(dòng)力學(xué)仿真模型. 動(dòng)力學(xué)

41、仿真是實(shí)現(xiàn)高效精密加工的理論基礎(chǔ), 當(dāng)前的研究多集中在“機(jī)床-刀具-工件-夾具”系統(tǒng)的一些子系統(tǒng), 迄今未見(jiàn)報(bào)道一個(gè)相對(duì)完整的“刀具-工件-夾具”動(dòng)力學(xué)模型, 以及其在工藝參數(shù)微擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)最終零件質(zhì)量的詳細(xì)分析. 再如, 現(xiàn)有加工過(guò)程振動(dòng)分析的思路都是“結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”的, 即忽略了銑刀做大范圍剛體運(yùn)動(dòng)與刀具振動(dòng)的耦合效應(yīng)對(duì)曲面加工精度的影響, 而實(shí)際情況是, 由于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的引入, 五軸加工中刀具相對(duì)于工件做變進(jìn)給運(yùn)動(dòng), 按照“柔性

42、多體動(dòng)力學(xué)”理論, 刀具大范圍剛體運(yùn)動(dòng)影響刀具彈性小變形, 要更準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)已加工工件表面形貌, 必須首先界定這種耦合效應(yīng)對(duì)曲面加工精度的影響.</p><p>　　(2) 設(shè)計(jì)-加工-測(cè)量一體化制造方法. 考慮到五軸加工中時(shí)變的切削條件和諸多不確定性因素, 單次加工往往難以滿足產(chǎn)品在幾何精度和物理性能方面的高要求, 集設(shè)計(jì)-加工-測(cè)量于一體的閉環(huán)加工模式是解決這一難題的重要手段, 是數(shù)字化制造的前沿方向, 它包含

43、工藝規(guī)劃和加工仿真、曲面信息獲取和數(shù)據(jù)分析、質(zhì)量評(píng)價(jià)和面形再設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié), 其中物理性能和幾何形貌的快速原位測(cè)量技術(shù)、基于數(shù)學(xué)物理方程反演的多源約束面形再設(shè)計(jì)理論、補(bǔ)償加工時(shí)材料去處量的精確估計(jì)方法、考慮工藝系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與加工過(guò)程物理約束的五軸加工工藝規(guī)劃方法是挑戰(zhàn)性的課題.</p><p>　　(3) 五軸銑削成形過(guò)程多物理場(chǎng)仿真方法. 高性能復(fù)雜零件對(duì)表面質(zhì)量提出了更高的要求, 在五軸銑削加工切削力仿真基礎(chǔ)上的

44、成形過(guò)程多物理場(chǎng)仿真成為新的研究熱點(diǎn), 它通過(guò)對(duì)零件宏/微性能的定量預(yù)測(cè), 為加工過(guò)程控制和工藝參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù). 目前的多物理場(chǎng)仿真主要針對(duì)車銑或者三軸數(shù)控加工, 如何在切削條件時(shí)變的五軸數(shù)控加工中實(shí)現(xiàn)高效的物理仿真是挑戰(zhàn)性的難題. 具體內(nèi)容包括: 制造過(guò)程中復(fù)合能場(chǎng)的數(shù)字化描述與定量表征;工藝系統(tǒng)和工藝過(guò)程參數(shù)對(duì)零件宏/微觀性能的影響規(guī)律; 制造過(guò)程中復(fù)雜物理行為的定量預(yù)測(cè)和調(diào)控;加工工藝優(yōu)化與加工過(guò)程控制的新方法.</p