基于驅(qū)動(dòng)約束的五軸數(shù)控加工刀軸優(yōu)化方法.pdf

1、復(fù)雜曲面類零件，如燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、螺旋槳、模具等，在航空航天、能源、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域起著關(guān)鍵性作用。其曲面一般根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，形狀較為復(fù)雜，需要采用多軸數(shù)控加工技術(shù)進(jìn)行加工。刀具軌跡規(guī)劃是多軸加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不合理的刀具軌跡將導(dǎo)致刀軸突變、干涉碰撞等問(wèn)題，使曲面的加工精度和加工效率降低。針對(duì)上述問(wèn)題，許多學(xué)者從幾何特性、運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和動(dòng)力學(xué)特性等方面進(jìn)行了研究，幾何特性主要考慮提高加工精度、避免干涉碰撞、增大切削帶寬等

2、；運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性主要考慮光順刀具路徑、減小切削力和扭矩突變等。其中，大多數(shù)刀軸矢量?jī)?yōu)化方法都是基于工件坐標(biāo)系，沒(méi)有考慮機(jī)床驅(qū)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)的光順性。
　　本文以復(fù)雜曲面零件五軸數(shù)控銑削為應(yīng)用背景，綜合考慮了幾何特性中的避免干涉碰撞，和機(jī)床驅(qū)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力特性，提出了一種無(wú)碰撞，且可提高機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)光順性的刀軸優(yōu)化方法。該方法包括基于驅(qū)動(dòng)約束的角加速度最小化方法和基于樣條應(yīng)變能的曲線光順?lè)椒?。角加速度最小化是根?jù)已確定的特殊刀觸點(diǎn)處刀軸

3、矢量，求出一般位置處刀軸矢量的一種刀軸光順?lè)椒?。首先?duì)于工件坐標(biāo)系下的初始刀軸矢量，根據(jù)逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)變換求出機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角，再根據(jù)幾何特性和旋轉(zhuǎn)軸角速度突變情況，確定出代表性刀軸矢量及其可行空間，之后以旋轉(zhuǎn)角的角加速度平方和最小為目標(biāo)，求出一般刀觸點(diǎn)處的旋轉(zhuǎn)角；然后采用基于樣條應(yīng)變能的光順?lè)椒?，將代表性刀軸矢量在其可行域內(nèi)調(diào)整，以旋轉(zhuǎn)角曲線的應(yīng)變能最小為目標(biāo)，對(duì)旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行二次優(yōu)化。最終將優(yōu)化后的旋轉(zhuǎn)角變換為刀軸矢量，獲得無(wú)碰撞且光順的刀具

4、路徑。
　　為驗(yàn)證本優(yōu)化方法的有效性，本文根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片這一典型復(fù)雜曲面類零件，構(gòu)建了一個(gè)雙葉片模型，對(duì)其初始刀具路徑進(jìn)行優(yōu)化。仿真結(jié)果顯示葉片前后緣處刀軸突變情況得到明顯改善，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角的角速度、角加速度最大值大幅降低，使旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能和動(dòng)力學(xué)性能得到提高。然后利用 DMU50五軸數(shù)控加工中心進(jìn)行實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示本方法可以提高葉片前后緣處的實(shí)際進(jìn)給率，從而使加工時(shí)間縮短了13.5%。而且由于刀具路徑的光順性得到改善，使