五軸數(shù)控銑削加工幾何—動力學(xué)建模與工藝參數(shù)優(yōu)化.pdf

1、五軸數(shù)控銑削過程幾何.動力學(xué)建模及工藝參數(shù)優(yōu)化是國家重大工程中迫切需求的典型零件實現(xiàn)自主制造的核心技術(shù)之一,同時也是解決制造企業(yè)五軸數(shù)控加工效率、加工質(zhì)量偏低的行之有效的方法。但是目前五軸數(shù)控銑削工藝研究及實際加工中存在如下問題:在刀具路徑規(guī)劃階段,現(xiàn)有的商用CAM系統(tǒng)僅支持刀位干涉檢驗、修正與加工誤差效驗,缺乏對刀具運動掃描體包絡(luò)面與設(shè)計曲面之間整體逼近的分析及相應(yīng)離散刀位的控制；在工藝參數(shù)選取和優(yōu)化階段,由于缺乏有效的五軸數(shù)控銑削過

2、程建模及仿真手段,同時又缺乏對加工過程不確定性的定量分析,工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果基于確定參數(shù)的五軸銑削動力學(xué)模型,因此實際加工往往不能取得預(yù)期的優(yōu)化效果。
　　 本文擬針對上述五軸數(shù)控銑削工藝研究和實際加工中存在的問題,圍繞五軸加工有理運動設(shè)計-五軸運動刀具掃描包絡(luò)面生成-刀具路徑整體優(yōu)化-工藝參數(shù)魯棒優(yōu)化層層推進(jìn)的研究思路,結(jié)合整體葉輪葉片的五軸加工提出基于幾何-動力學(xué)模型的工藝參數(shù)魯棒優(yōu)化方法,從幾何層面的刀具路徑優(yōu)化和動力學(xué)層面

3、的工藝參數(shù)優(yōu)化兩方面提升復(fù)雜曲面零件的加工精度和效率。在五軸數(shù)控銑削加工幾何.動力學(xué)建模與工藝參數(shù)優(yōu)化研究中,本論文取得如下創(chuàng)新性成果:
　　 1.從運動學(xué)的角度將刀具抽象為點-線剛體,將刀具掃描運動的研究轉(zhuǎn)化為對點-線剛體掃描運動的研究,建立了點-線剛體有理運動與對偶四元數(shù)空間超平面曲線之間的映射關(guān)系,提出了點-線剛體有理運動設(shè)計方法。在此理論框架下,將有理直紋面設(shè)計問題轉(zhuǎn)化為對偶四元數(shù)空間超平面曲線設(shè)計問題,將五軸加工刀具姿

4、態(tài)球面NURBS曲線設(shè)計和優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為四元數(shù)空間曲線設(shè)計及優(yōu)化問題。整體式葉輪葉片五軸加工實驗表明,應(yīng)用優(yōu)化后的刀具姿態(tài),明顯改善葉片的過切現(xiàn)象,提高了五軸銑削的加工精度。
　　 2.將初始離散刀位視為空間離散點-線剛體,利用點-線剛體有理運動方法生成連續(xù)的刀具路徑,再由雙參數(shù)球族包絡(luò)理論求出典型刀具五軸運動包絡(luò)面解析表達(dá)式,以設(shè)計曲面上的離散點-刀具運動包絡(luò)面距離極大值極小化為準(zhǔn)則,通過微調(diào)初始的離散刀位,將刀具路徑整體優(yōu)化

5、問題轉(zhuǎn)化為設(shè)計曲面和刀具運動包絡(luò)面之間的曲面比較問題,建立了五軸銑削加工刀具路徑整體優(yōu)化模型,通過序列規(guī)劃方法優(yōu)化求解。直紋面?zhèn)茹姷姆抡嫠憷砻?利用本文提出的整體刀位優(yōu)化方法,曲面的幾何精度與國際上目前最好的數(shù)值結(jié)果(LBM方法)相比,提高20％以上。
　　 3.建立了葉片的殼單元模型,將切削中材料去除過程視為殼單元厚度減小的過程,利用矩陣攝動理論預(yù)報高速銑削加工中材料去除對工件的模態(tài)的影響,得到時變的工件動力學(xué)模型,降低了實

6、驗強度。模態(tài)測試實驗表明銑削加工中不同階段葉片的模態(tài)與理論預(yù)測模態(tài)非常吻合?？紤]工件.刀具中實際存在的不確定參數(shù),利用區(qū)間代數(shù),推導(dǎo)帶不確定參數(shù)的工件-刀具的區(qū)間有限元特征矩陣和刀具動態(tài)響應(yīng)的上下界。
　　 4.考慮加工過程中的不確定因素,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態(tài)響應(yīng)的上下界,將帶有不確定參數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為確定參數(shù)的單目標(biāo)優(yōu)化問題,建立工藝參數(shù)魯棒優(yōu)化模型并優(yōu)化求解。在整體式葉輪