基于动刚度特性的多轴数控加工过程稳定性分析与运动规划

在加工难加工材料复杂曲面的过程中，多轴数控机床的动态特性存在较强的非线性和各向异性，多轴动态耦合特性成为影响加工质量和效率的主要因素。必须针对具体零件的几何特点和材料特点深入研究多轴数控动态特性与运动规划之间的内在关系，建立新的运动规划理论和方法，以满足难加工复杂曲面类零件对高质高速多轴数控加工的迫切需求。.本项目提出了多轴数控加工过程稳定性分析与运动规划方法，采用李群李代数的现代数学方法快速建立多轴机床动力学模型，分析切削力激励作用下加工稳定性与机床动刚度特性之间的非线性映射关系，用于指导多轴加工运动轨迹规划。.采用李群李代数方法建立刚柔耦合多轴机床动力学模型，较传统的动力学建模方法而言，计算效率高，与有限元法计算精度相当，可直观地反映变位形多轴机床的动刚度特性分布规律。通过建立加工稳定性与机床动刚度之间的映射关系，可指导加工编程人员针对具体零件进行多轴数控加工运动轨迹规划。

在加工难加工材料复杂曲面的过程中，多轴数控机床的动态特性存在较强的非线性和各向异性，多轴动态耦合特性成为影响加工质量和效率的主要因素。针对具体零件的几何特点和材料特点，迫切需要研究多轴数控动态特性与运动规划之间的内在关系，建立新的运动规划理论和方法，实现复杂曲面类零件高质高速多轴数控加工。.本项目提出了多轴加工系统动刚度建模与分析、多轴加工稳定性建模与分析、以及基于工件几何特性和加工系统刚度特性的多轴加工运动优化等方法。在多轴加工系统动刚度建模与分析方面，采用实验和有限元相结合的子结构响应耦合方法建立多轴加工系统结构动力学模型，基于ADAMS仿真平台加工系统建立相对动刚度仿真模型，并提取了工作空间中表征整体加工系统综合动刚度性能的指标（界宽和过柔度），这两个指标可定量描述多轴加工系统动刚度较弱的频率区间和刚度软化的程度，直观地反映了变位形多轴机床的动刚度特性。在多轴加工稳定性建模与分析方面，推导多轴加工动态切削力计算公式，建立了切削力激励作用下考虑交叉耦合项的多轴加工稳定性模型，求解并绘制稳定性叶瓣图（实验结果表明：考虑交叉耦合项的多轴加工稳定性模型相对于不考虑交叉耦合项的稳定性模型，有更高的预测精度），分析了稳定加工条件下加工参数对加工效率的影响，用于指导多轴加工运动轨迹规划。在基于工件几何特性和加工系统刚度特性的多轴加工运动优化方面，考虑了刀具无干涉碰撞的可达空间、密切曲率、以及刀轴光顺等几何约束，同时考虑了每个刀位点不同刀具姿态下的多轴加工系统刚度特性，基于进给方向刚度性能最佳的原则对刀具姿态进行了优化，在保证加工稳定的条件下可提高加工效率。在考虑含机床结构误差的后置处理中，采用全微分方法求解含几何误差的任意结构数控机床通用运动学模型，由优化后的刀具运动轨迹计算得到了机床各运动轴随时间变化的运动量。通过开展以上研究，分析了多轴数控动刚度特性与运动规划之间的映射关系，建立了新的考虑多轴数控动刚度特性的刀具运动规划理论和方法，可以实现复杂曲面类零件的高质高速多轴数控加工。.本项目的研究成果已经通过多轴加工综合频响测试与评估软件、多轴数控加工刀具轨迹优化软件和多轴数控加工通用后置处理软件平台等软件工具的形式形成高效多轴数控加工平台，并结合实施策略形成了比较完整的大型叶片类零件高效多轴数控加工应用解决方案，在相关企业得到了应用和推广。