运动学约束的五轴加工刀轴矢量优化研究

发布时间：2020-04-05 09:50

【摘要】：五轴数控机床被广泛应用在航空发动机整体叶盘等复杂曲面零件加工制造中,五轴机床的两个旋转轴使得制造技术更加灵活,但也对加工中刀具姿态的控制提出了挑战。目前刀轴矢量的生成主要基于刀具和工件的几何信息,由于忽略了机床的运动学特性,基于几何信息的刀轴矢量生成可能造成相邻刀具方向的剧烈变化,从而引起驱动轴的运动学超差,并进一步导致加工效率和质量的降低,甚至对工件表面造成破坏。因此,几何约束下的刀轴矢量光顺性调整对实现高速高精的五轴数控加工技术具有重大意义。本文针对五轴数控加工中的刀轴矢量运动学光顺调整问题,提出了一种综合考虑五轴加工刀具碰撞约束与旋转轴运动约束的五轴加工刀轴矢量整体线性优化方法,其主要研究内容如下:(1)将初始刀轴矢量变换为机床旋转轴的坐标形式并基于工件曲面约束求解刀具碰撞约束下的旋转轴变化空间。首先,基于工件坐标系下初始离散刀具路径,使用五轴机床运动学逆变换公式,求解得到初始刀轴矢量在机床坐标系下旋转轴坐标形式的表达。然后,本文通过对旋转轴的行程范围进行离散,建立无碰撞刀轴矢量空间的搜索模型,利用曲面到刀具轴线的距离关系,确定采样刀轴矢量的可行性,直接确定无碰撞约束下的旋转轴角度可行变化空间。(2)基于初始刀具路径及旋转轴变化空间,建立了运动学约束下的刀轴矢量整体线性优化方法。首先,以旋转轴优化值与初始值偏差最小为目标函数,综合考虑旋转轴角度可行变化空间约束及每一刀位点处旋转轴角速度、角加速度和角加加速度运动学约束,建立刀轴矢量优化模型。然后,对优化模型中优化变量进行变量替换,将刀轴优化模型变换为线性规划模型,并求解得到旋转轴优化坐标。(3)开展整体叶盘工件的加工仿真和实验,验证了所提方法的有效性。首先,对整体叶盘工件进行工艺规划,并基于UG软件生成了其粗、半精及精加工初始刀具路径。然后,使用刀轴优化模型对叶片精加工初始刀具路径的刀轴矢量进行调整。最后,通过加工仿真和整体叶盘加工实验,验证所提方法可有效改善机床运动学特性,提高效率并改善加工表面质量。
【图文】：

旋转轴,刀位点,刀具,空间计算模型

图 3.5 旋转轴可行空间搜索求解Fig. 3.4 The solution of accessible rotary axes space由 3.2 节的刀具可行空间计算模型可计算得到离散形式的各刀位点处旋转轴的变化间，该旋转轴可行空间仅可保证在各刀位点出刀具和工件之间不发生干涉碰撞，，未考

加工流程图,整体叶盘,五轴数控加工,加工流程

五轴数控加工整体叶盘加工流程
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V263;TG659

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