基于混合约束的大型复杂曲面类零件多轴数控加工轨迹优化技术

大型复杂曲面类零部件（如大型舰船螺旋桨、大型汽轮机叶片和风电叶片、汽车覆盖件精密模具等）关系国民经济、国防安全和国家制造业核心竞争力。本项目申请围绕混合约束下的大型复杂曲面类零件多轴数控加工轨迹优化的基础理论和关键技术开展研究。拟在多轴数控机床动力学约束建模、混合约束下的加工工艺优化、加工轨迹优化、加工参数优化和机床运动行为仿真等方面进行研究。研究机床有效空间分割的多轴数控机床动力学分析和大型复杂曲面类零件的动力学特性分析理论和方法，为数控加工优化提供动力学约束模型，实现大型复杂曲面多轴数控加工优化的新方法，建立面向大型复杂曲面类零件的高性能多轴数控加工轨迹优化系统平台。本项目研究成果必将丰富和发展我国大型复杂曲面类零件的高效多轴数控加工的基本理论和关键技术，提升我国运载、能源和国防等行业中大型复杂曲面类零部件的多轴数控加工和应用水平，提高现有数控机床的加工能力和加工质效。

大型复杂曲面薄壁类零件在运载、能源和国防等行业得到广泛应用，如大型船用螺旋桨、汽轮机叶片、航空发动机整体叶轮等。这些产品关系国民经济和国防安全，其制造关键技术代表着国家制造业核心竞争力，在《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中，将大型及特殊零部件成形及加工技术等列入制造业重点领域的优先主题。.课题围绕混合约束下的大型复杂曲面类零件多轴数控加工轨迹优化的基础理论和关键技术开展研究。实现了大型螺旋桨七轴五联动车铣复合数控加工机床和叶片六轴联动数控砂带磨床的动力学建模与分析，充分考虑刚性薄弱的运动轴的速度和加速度能力，建立刀具姿态优化、加工轨迹优化和加工参数优化物理约束。建立了自由态和装夹状态下大型螺旋桨叶片的动力学模型，为基于切削稳定性分析的加工参数优化方法和基于变形的大型零件支撑优化提供动力学分析基础。提出了两阶段的大型复杂曲面零件的寻位匹配技术，实现了工件的快速定位。利用行程编码，提出了毛坯等加工余量区域的提取和毛坯余量自适应划分方法，有效地减少了粗加工工序的刀具空行程。.根据大型螺旋桨叶片的模态分析和刚度分析结果，提出了基于遗传算法的大型螺旋桨叶片加工支撑力优化算法，减少螺旋桨叶片在加工过程中的受力变形。基于曲面几何约束和机床运动物理约束，利用刀具有效切削轮廓与曲面局部几何形状的匹配关系来规划刀具轨迹，实现了多轴加工中的刀具姿态优化，同时结合机床运动约束和曲面曲率约束，提出了基于近似展开曲面的大型核电叶片螺旋加工算法，减小了刀具轨迹在进出气边的位置和姿态剧烈变化。提出了基于机床运动学模型的多轴数控加工进给速度平滑方法，通过建立建立笛卡儿空间与关节空间的速度映射关系，实现多轴联动加工进给速度平滑。综合考虑刀具子系统和工件子系统的动态特性，建立了铣削加工动力学模型，并通过延时微分方程来描述系统，实现了利用极限切削深度和主轴转速预测铣削加工过程稳定性和切削参数优化。建立了机床误差模型，实现空间轮廓误差的仿真和预测，并在机床的后置处理中，实现了空间轮廓误差补偿。.基于课题研究成果，搭建了基于混合约束的大型螺旋桨加工自动编程软件平台，在大型螺旋桨和叶片加工中进行了实际应用验证。.课题研究成果丰富和发展了我国大型复杂曲面类零件的高效多轴数控加工的基本理论和关键技术，提升了我国运载、能源和国防等行业中大型复杂曲面类零部件的多轴数控加工和应用水平，提高了加工质效。