基于五轴机床运动学、动力学及工作空间的工件装夹及优化技术的研究

发布时间：2020-05-21 22:45

【摘要】：五轴数控机床由于高效率、高精度、刀轴方向可变等一系列优势,对加工航空发动机叶片等具有高精度要求的复杂零件具有先天优势;然而与三轴机床相比,五轴联动的数控机床也存在非线性误差、奇异点现象等特性。奇异现象不仅会降低工件的加工质量,而且由于加速度无穷大还会对机床造成一定的损害。针对奇异点现象,目前的解决方法主要在路径规划阶段就考虑奇异问题,并在加工路径生成后,对加工路径删除产生奇异点并插入合适的刀位点。本文提出一种通过调整工件装夹的姿态的方法,以解决奇异点问题;在解决奇异问题的基础上,分析五轴加工的动力学性能,对机床的进给速度进行优化,旨在让整个加工过程中旋转轴的最大加速度取得最小值,以尽可能的提高机床进给率,缩短整个加工所需要的时间。在解决前两个问题的同时,考虑工件装夹的位置,使得加工所需的工作空间(工件在整个加工刀位点状态下的最小包围盒)最小。工件装夹优化算法主要包含以下流程:假设工件在加工中不动,刀具做五轴加工的运动。从工件的五轴加工的刀轨文件中提取刀位点、刀轴方向;将刀轴矢量起点移动到某个单位球原点(该单位球称之为高斯球),则终点落在球面,就得到了高斯球上的离散点;求出离散点的边界并拟合为样条曲线;对样条曲线在球面上求偏置,并对偏置曲线去除自相交;以解决奇异问题和优化动力学性能为目标定义目标函数,并用遗传算法找到工件装夹的最佳姿态;定义以五轴加工所需的工作空间最小为目的的目标函数,并用遗传算法找到工件装夹的最佳位置。最后,对本文提出的算法进行仿真试验,对比工件在不同加工姿态下是否出现奇异问题,同时对比工件在不同姿态下的动力学性能、在不同位置下所需的最小工作空间,验证了基于本文研究提出的通过优化工件装夹的算法确实在解决奇异问题的同时并优化加工的动力学性能,且使得所需的工作空间最小。
【图文】：

三维模型,叶轮,三轴,高档数控

重大（04）专项航天复杂精密结构件X04011014-005）。重大（04）专项核工业专用零部005）。重大（04）专项高档数控系统关键共005007）。一台三轴数控铣床诞生[1]。由于数控机床一系列的优势[2~4]，，国际生产工程学会（一[5]。在数控机床诞生的初期，三轴数控技的发展，三轴加工的不足逐渐显现出来）的加工，很容易出现刀具和工件相干涉

奇异现象

航空航天、精密器械等行业有着重大的影响力，对国内外未来的发展具有。由于其重要地位及欧美等发达国家在五轴数控机床方面的垄断优势，再制造业对于多轴高速加工技术的掌握还在起步阶段，严重制约了我国高端发展[6]。所以研究五轴加工的相关问题，具有重要意义。五轴机床在带来一系列优势的同时，又存在一些弊端：由于刀具方向可以，就使得路径规划阶段变得十分复杂，如果考虑不周，在加工阶段有可能和工件相碰撞的结果，甚至会对机床造成破坏；由于两个旋转轴的影响，的合成运动是一系列的弧形线段，这样刀具的实际运动轨迹就偏离了理论（还有部分原因是五轴机床因速度、加速度变化过大引起的动力学影响[8]成非线性误差。非线性误差是五轴机床特有的，只能减小不能消除。然而上问题，五轴加工在某些时候还会出现其它问题：当刀具运动到某个刀轴时（对于 AC 双转台五轴机床，该方向为 0 0 1 ，某个旋转轴（对于五轴机床，该轴为 C 轴）可能会出现瞬时的大角度转动，并造成平动轴的
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG659

【参考文献】