复杂曲面五轴数控加工刀矢的动力学控制方法
【专利摘要】本发明复杂曲面五轴数控加工刀矢的动力学控制方法属于五轴数控机床精密高效加工领域，特别涉及复杂曲面五轴数控加工过程中基于机床动力学的加工参数调整方法。该方法在采用双转台的五轴数控机床上进行，先确定曲面加工轨迹曲线参数化方程，综合应用机床运动学、理论力学相关知识，计算加工中旋转进给轴负载力矩；其次，确定旋转进给轴伺服电机的转矩约束条件，建立五轴数控机床曲面加工中旋转进给轴的动力学平衡方程；最后，基于动力学平衡方程对刀轴矢量光顺并调整给定进给速度，保证复杂曲面五轴数控加工刀矢规划满足机床动力学要求。本发明有效避免五轴数控机床加工复杂曲面时旋转进给轴冲击、颤振，提高复杂曲面加工质量，应用范围广。
【专利说明】复杂曲面五轴数控加工刀矢的动力学控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于复杂曲面五轴数控机床精密高效加工领域，特别涉及复杂曲面五轴数控加工过程中基于机床动力学的加工参数调整方法。
【背景技术】
[0002]复杂曲面类零件在航空航天、能源动力等领域中有广泛的应用，普遍采用五轴数控加工设备进行加工。五轴数控机床进给系统由三个直线轴和两个旋转轴组成，各进给轴由伺服电机提供驱动力矩，克服刀具与工件之间的切削力矩、进给系统机械部件间的摩擦力矩及传动部件的惯性力矩等，实现机床进给运动并完成曲面零件加工。刀具与被加工曲面良好的切触状态是保证零件加工质量的关键因素之一，五轴数控机床通过控制两个旋转轴的运动，从几何上满足刀具与被加工曲面之间具有良好的切触状态。复杂曲面数控加工过程中，刀具相对工件具有恒定的进给速度，然而分配到各个轴上的进给速度时刻发生变化，因此各个轴的伺服电机驱动力矩也随之变化。五轴数控机床动态特性在可达空间存在较强的非线性和各向异性，且五轴数控机床旋转进给轴较直线进给轴相比具有弱的动力学性能，随着零件曲面面形愈发复杂，传统根据复杂曲面局部几何信息规划出的刀轴矢量易使负载力矩超出旋转进给轴电机输出力矩，导致旋转进给轴驱动力不足，进而诱发冲击、颤振，直接影响曲面加工质量。此外，采用保守的切削方案满足旋转进给轴电机输出力矩要求极大的限制了机床性能的发挥，降低曲面加工效率。因此，对五轴曲面加工中机床旋转进给轴的动力学进行分析，为刀轴矢量优化调整提供依据，对于提高曲面加工质量，充分发挥五轴数控机床性能具有重要意义。
[0003]文献“机床沿曲线高速加工时的运动学与动力学特性分析”，陈金成等，机械工程学报，2002，38 (I)，31-34，分析了刀具沿曲线加工时，刀具路径几何特性与机床的运动学特性及动力学特性之间的关系，计算了在各轴加速度和伺服电机驱动力约束下，机床沿曲线加工时的最大安全进给速度。文献“基于机床混合模型的参数曲线高速插补速度极值分析”，孙海洋等，机械工程学报，2008，44 (12)，93-99，通过建立机床进给系统的机电混合模型，给出了参数曲线高速插补进给速度的机床动力学约束条件，利用机床动力学约束下的速度极值曲线最大实时插补弦高误差估计，简化了插补进给速度规划约束条件。文献“基于传动系统动力学的NURBS曲线插补算法”，刘宇等，机械工程学报，2009，45 (12)，187-197，对机床传动系统、伺服驱动系统和数控插补模块进行了动力学建模和求解，提出一种新的NURBS插补算法，首先进行基于曲率的最大速度限定，通过求解动力学模型，获得按照速度进行插补时系统需要的最大驱动力。上述研究针对的均为三轴数控机床，其直线进给轴的动力学分析方法不适于五轴旋转进给轴的动力学分析，无法实现对复杂曲面五轴数控加工刀轴矢量的动力学控制。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术难题是针对现有的技术缺陷，传统的方法是根据复杂曲面局部几何信息规划出的刀轴矢量，这种方法易使负载力矩超出旋转进给轴电机输出力矩，导致旋转进给轴驱动力不足、直接影响曲面加工质量。本发明综合应用机床运动学、理论力学等相关知识，建立五轴数控机床曲面加工过程中旋转进给轴负载力矩和伺服电动机输出转矩约束条件的计算方法，进而建立加工过程中机床旋转进给轴动力学平衡方程的计算方法，为刀轴矢量的光顺调整提供依据，最终通过刀轴矢量光顺并调整给定刀具进给速度，保证复杂曲面五轴数控加工刀轴矢量规划满足机床动力学要求，避免五轴数控机床加工复杂曲面时旋转进给轴冲击、颤振，实现刀轴矢量的动力学控制。
[0005]本发明采用的技术方案是复杂曲面五轴数控加工刀矢的动力学控制方法，该方法在采用双转台的五轴数控机床上进行，首先确定曲面加工轨迹曲线参数化方程，综合应用机床运动学、理论力学相关知识，计算加工中旋转进给轴负载力矩；其次，确定旋转进给轴伺服电机的转矩约束条件，建立五轴数控机床曲面加工中旋转进给轴的动力学平衡方程；最后，基于动力学平衡方程对刀轴矢量光顺并调整给定进给速度，保证复杂曲面五轴数控加工刀矢规划满足机床动力学要求，方法具体步骤如下:
[0006]第一步:计算旋转进给轴负载力矩；
[0007]旋转进给轴负载力矩包括:刀具与工件之间的切削力矩，进给系统机械部件间的摩擦力矩，传动部件的惯性力矩；
[0008]I)计算切削力负载矩；
[0009]曲面加工中的一条加工轨迹曲线Ηξ)，刀具加工到曲线Ηξ)上参数ξ对应点处的切削力F大小为，
[0010]F = coef.area ( ξ ).vf (I)
[0011]式(I)中，coef为切削力系数；area为刀具上参与切削的微元面积，可表示为加工轨迹曲线参数ξ的函数；vf为给定刀具进给速度；
[0012]Fx、Fy、Fz为切削力F在机床坐标系X、y、z轴上的分量，则加工过程中的切削力矢量Fm为:
[0013]Fcut = (Fx, Fy, Fz) (2)
[0014]加工过程中，将工件装夹在转台C上，O为切削力在转台C上的作用点，axisc为转台C的转轴，P为O在转台C的转轴axis。上的投影，以O为原点，以OP为X1轴正向，以转台C的转轴axis。指向刀具的方向为Z1轴正向，建立局部坐标系，将切削力矢量Feut向该局
部坐标系的三个坐标轴方向分解，切削力矢量Frat在yi轴方向分力FrM>会对转台C产生一
个力矩阻止或推动转台转动，则切削力负载矩大小为:
[0015]
【权利要求】
1.一种复杂曲面五轴数控加工刀矢的动力学控制方法，其特征是，该方法在采用双转台的五轴数控机床上进行，先确定曲面加工轨迹曲线参数化方程，综合应用机床运动学、理论力学相关知识，计算加工中旋转进给轴负载力矩；其次，确定旋转进给轴伺服电机的转矩约束条件，建立五轴数控机床曲面加工中旋转进给轴的动力学平衡方程；最后，基于动力学平衡方程对刀轴矢量光顺并调整给定进给速度，保证复杂曲面五轴数控加工刀矢规划满足机床动力学要求，方法具体步骤如下: 第一步:计算旋转进给轴负载力矩； 旋转进给轴负载力矩包括:刀具与工件之间的切削力矩，进给系统机械部件间的摩擦力矩，传动部件的惯性力矩； 1)计算切削力负载矩； 曲面加工中的一条加工轨迹曲线Ηξ)，刀具加工到曲线Ηξ)上参数ξ对应点处的切削力F大小为，
F = coef.area ( ξ ).vf (I) 式(1)中，coef为切削力系数；area为刀具上参与切削的微元面积，可表示为加工轨迹曲线参数1的函数；vf为给定刀具进给速度； Fx> Fy、Fz为切削力在机床坐标系X、y、z轴上的分量，则加工过程中的切削力矢量Frat为:
Fcut = (Fx, Fy, Fz) (2) 加工过程中工件装夹在转台C上，O为切削力在转台C上的作用点，axis。为转台C的转轴，P为O在axis。上的投影，以O为原点，以OP为X1轴正向，以转台C的转轴axis。指向刀具的方向为21轴正向建立局部坐标系，将Feut向该局部坐标系的三个坐标轴方向分解，分力会对转台C产生一个力矩阻止或推动转台转动，则切削力负载矩大小为:
【文档编号】G05B19/41GK103869757SQ201410114510
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月26日 优先权日:2014年3月26日
【发明者】马建伟, 王福吉, 秦纪云, 贾振元, 杨彦宇 申请人:大连理工大学