曲率急变曲面五轴加工刀矢运动规划关键技术研究

发布时间：2020-05-15 19:03

【摘要】：曲率急变曲面零件在运载、能源和国防等行业有着广泛应用,该类零件的型面构成复杂、且局部存在曲率急变的几何特征,五轴数控加工可实现对刀矢的柔性控制,是对该类零件实施高质高效加工的重要手段。由于型面特征复杂且对加工条件要求苛刻,在曲率急变曲面上规划光顺的刀矢难度大,相邻刀位间大角度改变的刀矢在高速加工中极易导致机床轴的运动速度突变、破坏数控加工的稳定性。五轴数控加工中,刀矢在不同刀位之间的转换由机床旋转轴的运动控制,受该轴运动能力的限制,零件局部位置的刀具合成进给在实际加工中常会发生突降,影响零件加工的最终表面质量。规划的刀矢坐标要通过后置处理算法转换为机床轴的运动坐标,由于无法正确处理机床运动学方程的象限变换问题,常用CAM软件附带的后置处理器不能对某些刀矢坐标实施正确的运动转换,造成五轴加工失败。以上是曲率急变曲面零件五轴数控加工中经常遇到的与刀矢运动规划相关的问题,实际加工中,通常选择保守的加工参数或采用保守的加工策略避免上述问题的发生,无法真正实现对零件的高质高效加工。鉴于此,本文对曲率急变曲面零件五轴端铣精加工中的刀矢运动规划关键技术进行了研究,主要研究内容包括:(1)对复杂曲面零件五轴数控加工中的机床旋转轴运动特性进行了分析。建立了计算机床旋转轴速度、加速度、加加速度的数学模型,给出了模型的有限差分求解方法和解析函数求解方法,计算结果用于评估刀矢轨迹在数控加工中的运动性能,为刀矢轨迹的局部运动优化和刀具进给优化提供依据。在SINUMERIK 840D系统控制的A-C双转台型五轴机床上实施了空切试验,证明了所提方法的有效性。(2)曲率急变曲面零件精加工刀轨包含的刀位数据数量大,对刀矢轨迹实施局部运动优化可以显著降低优化的计算量、且能一定程度提高优化计算的可靠性。在对机床运动特性进行分析的基础上,提出了在五轴加工刀轨上选择待优化刀矢轨迹段的算法。给出了面向线性刀轨的机床旋转轴运动特性计算方法,重点以螺旋五轴加工刀轨为研究对象,给出了刀轨的分割方法、子刀轨的运动性能评价方法、以及待优化刀矢轨迹段选择算法,给出了 Zigzag刀轨上的待优化刀矢轨迹段选择方法。提出的刀矢轨迹段选择算法解决了曲率急变曲面零件五轴精加工刀轨、特别是螺旋刀轨优化计算量大并且算法可靠性低的难题。通过算例演示和验证了相关算法,算例结果初步证明了所提算法在节省刀矢优化计算量方面的效果。(3)提出了机床坐标系下的刀矢运动优化算法和零件精加工阶段的刀具进给优化算法。定义了机床运动光顺度评价函数,在此基础上建立了机床旋转轴角位移优化模型,给出了机床旋转轴可行优化空间的求解方法,以机床旋转轴可行优化空间为约束,为机床旋转轴角位移优化模型开发了求解算法,给出了优化后的刀位数据校核计算方法。以机床旋转轴的运动能力为约束,建立了刀具进给速度优化模型并给出了求解方法。提出的刀矢运动优化算法,解决了工件坐标系下的刀矢光顺难以有效平滑机床运动这一难题,提出的刀具进给优化算法在零件精加工阶段可以获得稳定的刀具进给,有利于提高零件的加工表面质量。通过算例对提出的刀矢运动优化算法进行了验证,算例结果初步证明了算法的有效性。(4)对后置处理过程中的机床旋转轴运动轨迹光顺算法进行了研究。以A-C双转台型五轴机床为研究对象,分析了常用后置处理导致机床旋转轴运动不连贯的原因,基于机床运动学方程的最小周期提出了光顺机床C轴运动轨迹的算法,开发了用于螺旋五轴加工刀轨的后置处理算法。提出的算法可以正确转换曲率急变曲面零件五轴加工中的刀矢坐标,为实现零件的高效加工奠定了基础。结合算例阐述并初步验证了相关算法的有效性。最后,通过加工试验对所提算法做了进一步验证。叶片缩比模型加工试验结果表明:提出的算法能够消除叶缘过渡处刀轴突变引起的过切,此外,算法将零件的精加工时间减少了 19.7%。二次参数曲面模型加工试验结果表明:提出的算法能够极大降低零件加工的表面粗糙度、显著提高零件的加工表面质量,此外,算法将零件的精加工时间减少了 26.4%。两组加工试验结果表明:本文提出的刀矢运动规划关键技术可以有效提高曲率急变曲面零件五轴加工的表面质量和加工效率。论文的研究成果对于发挥五轴数控机床在曲率急变曲面零件加工中的性能优势、实现零件的高质高效加工具有重要意义。
【图文】：

曲面零件,急变,曲率

１．１研究背景逡逑在运载、能源等行业有一类典型的复杂形状曲面零件，如潜艇螺旋桨、航空发动机逡逑涡轮叶片、汽轮机叶片等，如图１．１所示。该类零件的待加工面一般由前缘、后缘、叶逡逑盆、及叶背构成，零件的型面构成复杂，此外，，该类零件的截面曲线在其前后缘处一般逡逑以圆弧或椭圆过渡［１］（如图１．２［１］），该部位处的截面曲线的曲率变化剧烈，因此，该类零逡逑件在本文中被称为曲率急变曲面零件。如图１．３［２］所示为叶片截面拟合曲线的曲率梳状逡逑图，从该图可以看到，叶片的叶盆表面和叶背表面的曲率变化相对平缓，而进气边和排逡逑气边的边缘，其曲率变化很剧烈。曲率急变曲面零件作为工业装备中的核心零部件，其逡逑加工的最终精度以及表面质量直接影响装备的使用性能，此外，提高零件的加工效率也逡逑是节约制造成本、进而提高装备竞争力的重要保证。然而，由于几何特征复杂且性能指逡逑标要求苛刻，曲率急变曲面零件的高质高效加工一直是业界的一个难题，该类零件成形逡逑和加工中的关键技术代表着国家制造业的核心竞争力

拟合曲线,前缘形状

逦叶背逡逑图１．２不同前缘形状的叶片截面逦图１．３叶片截面拟合曲线的曲率梳逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｂｌａｄｅ邋ｐｒｏｆｉｌｅｓ邋ｗｉｔｈ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ逦Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｐｏｐｃｕｐｉｎｅ邋ｆｏｒ邋ｔｈｅ邋ｆｉｔｔｅｄ邋ｓｅｃｔｉｏｎ邋ｃｕｒｖｅ邋ｏｆ逡逑ｌｅａｄｉｎｇ邋ｅｄｇｅ邋ｓｈａｐｅ逦ｔｈｅ邋ｂｌａｄｅ逡逑为了避免上述问题对零件加工的影响，曲率急变曲面零件五轴加工通常选择保守的逡逑加工参数或采用保守的加工策略。以汽轮机和航空涡轮发动机上的叶片零件为例，为了逡逑避免在叶缘过渡处产生过切、保证零件最终的型面精度和表面质量，工艺上在用多轴数逡逑控铣床对零件进行半精或精加工后，还要通过磨削对零件进行再加工［Ｍ］，或者采用分逡逑－２－逡逑
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG659

【参考文献】