【摘 要】
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随着航空航天航海等工业领域的迅速发展,复杂曲面零件的市场需求日益增加,如何高质高效地加工该类零件,已成为制造业的重难点问题。五轴联动数控机床可以调整刀具姿态,实现复杂型面工件的高效加工,但是加工过程中相邻刀触点之间较大的刀具姿态变化会造成旋转轴的运动突变,严重时会损坏机床,影响工件加工和机床使用。合理规划刀轴矢量可以改善机床旋转轴的运动状态,保证工件的加工要求,进而提高工件表面质量。本文以减小机床
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随着航空航天航海等工业领域的迅速发展,复杂曲面零件的市场需求日益增加,如何高质高效地加工该类零件,已成为制造业的重难点问题。五轴联动数控机床可以调整刀具姿态,实现复杂型面工件的高效加工,但是加工过程中相邻刀触点之间较大的刀具姿态变化会造成旋转轴的运动突变,严重时会损坏机床,影响工件加工和机床使用。合理规划刀轴矢量可以改善机床旋转轴的运动状态,保证工件的加工要求,进而提高工件表面质量。本文以减小机床旋转轴的运动突变为研究目标,根据电机运动限制和旋转轴角速度突变选择优化区间,针对优化区间进行刀轴矢量优化,保证旋转轴的平滑运动,从而促使机床高质高效地完成零件加工。主要内容如下:（1）五轴联动数控机床正逆运动学变换及参数计算。根据数控加工中不同坐标系的定义以及运动控制链关系,推导工件坐标系和机床坐标系之间的运动学变换公式,建立刀具轨迹数据与机床各旋转轴运动参数之间的转换关系;在此基础上计算机床各旋转轴的角速度和角加速度。（2）工艺规划及铣削力建模。使用NX（Unigraphics NX）软件绘制叶片模型,作为本文的研究对象。对叶片进行工序规划,生成相应工序的加工轨迹,并通过走刀分析和机床代码仿真,获得合适的轨迹数据和加工程序。将与工件接触的刀刃离散成一个个的微元,根据剪切力和犁切力的定义和原理,针对球头铣刀的铣削过程,构建铣削力模型。（3）局部刀轴矢量优化。叶片的加工轨迹具有规律性,因此选取轨迹数据中的一段特征数据作为分析对象。将该数据进行运动学变换,得到旋转轴的角速度和角加速度变化曲线。之后根据电机参数及机床结构,计算旋转轴的运动极限,综合考虑运动极限和角速度波动,选取优化区间。以减小机床旋转轴角速度突变为目标,采用四元数球面插值法（SLerp）对刀轴矢量进行优化,得到机床旋转轴运动变化情况:角速度突变减小了24.85%;角加速度突变减小了26.13%。（4）仿真分析及实验验证。根据优化前后刀轴前倾角和侧偏角的大小,计算相应的铣削力。使用ADAMS进行仿真,得到结果与理论误差在4%以内。此外,VERICUT仿真表明叶片前后缘处最小进给速度分别提高70 mm/min和50 mm/min;实际加工过程中的进给速度分别提高61.43 mm/min和38.09 mm/min,粗糙度由Ra=1.74μm优化至Ra=1.48μm,验证了该方法的有效性。
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