復(fù)雜曲面零件五軸加工刀軸整體優(yōu)化方法

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1、航空學(xué)報(bào)ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJun．252013Vol34No．61452．1462ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．CR復(fù)雜曲面零件五軸加工刀軸整體優(yōu)化方法王晶，張定華*，羅明，吳寶海西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710072摘要：針對(duì)復(fù)雜曲面零件五軸加工中刀軸矢量變化劇烈、嚴(yán)重影響工件表面加工質(zhì)量的問(wèn)題，提出一種基于臨界約束的五軸刀軸矢量整體優(yōu)化方法。首先，構(gòu)造了給定切觸點(diǎn)處所有可行擺刀平面，并在擺刀平面內(nèi)根據(jù)臨界

2、約束計(jì)算出臨界刀軸矢量，在獲得臨界刀軸矢量的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行平面映射，建立了刀軸擺動(dòng)的初始可行域；其次，通過(guò)對(duì)初始可行域進(jìn)行均勻離散，根據(jù)離散點(diǎn)之間相對(duì)位置關(guān)系構(gòu)造鄰接矩陣，并結(jié)合最短路徑搜索算法獲得了初始參考刀軸，從而構(gòu)造了新的刀軸擺動(dòng)可行域；最后，建立當(dāng)前切削行內(nèi)無(wú)干涉且相鄰刀軸變化最小的刀軸矢量?jī)?yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)自由曲面五軸加工無(wú)干涉刀軸矢量的光滑控制。兩種自由曲面葉輪的加工算例分析表明，采用本文方法獲得的刀軸矢量可以明顯改善機(jī)床的運(yùn)動(dòng)性能，避免了刀具干涉的產(chǎn)生，可提高復(fù)雜曲面零件的加工質(zhì)量與效率。關(guān)鍵詞：復(fù)雜曲面；臨界約束；刀軸矢量?jī)?yōu)化；五軸加工；機(jī)床中圖分類(lèi)號(hào)：V261；TP3

3、91．7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000—6893(2013)06—1452—11由于五軸數(shù)控加工中機(jī)床自由度的增加使刀具具有更高的可達(dá)性，因此常被用于復(fù)雜曲面類(lèi)零件的加工中。然而，自由度的增加導(dǎo)致刀具姿態(tài)控制復(fù)雜度提高，在一定程度上限制了它在實(shí)際加工中的應(yīng)用。同時(shí)，加工過(guò)程中刀軸矢量的劇烈變化，還會(huì)在零件表面產(chǎn)生切痕，甚至破壞零件表面口。2]，嚴(yán)重影響加工質(zhì)量。此外，大的角度變化還可能超出機(jī)床轉(zhuǎn)動(dòng)角速度與角加速度的限制，降低加工效率與表面加工質(zhì)量[2]。因此，研究復(fù)雜曲面零件五軸加工中的刀軸整體優(yōu)化方法具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作，

4、主要有兩種方法，一種是先生成刀軸矢量再進(jìn)行調(diào)整[3]，另一種是在刀軸可行空間中規(guī)劃刀軸矢量[4]。基于第1種思路，Ho等[11提出了刀軸光順?lè)椒?TOS方法)，為獲得變化均勻的刀軸矢量，首先通過(guò)典型位置上符合機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)特性的刀軸矢量，結(jié)合四元數(shù)插值算法進(jìn)行中間刀軸矢量的計(jì)算，最終進(jìn)行碰撞干涉檢查。Luo等‘51將該方法進(jìn)行了改進(jìn)，并在葉片多軸加工刀軸光順控制中進(jìn)行了應(yīng)用。但該方法的實(shí)現(xiàn)需要對(duì)得到的切削行上每個(gè)刀位點(diǎn)處刀軸進(jìn)行干涉判斷與修正，大大增加了計(jì)算量。第2種思路是首先在離散的刀位點(diǎn)處計(jì)算刀具的無(wú)干涉方向(即可達(dá)方向錐)，然后在可達(dá)方向錐中選擇出可行方向錐，再?gòu)闹幸?guī)劃刀軸矢量[6

5、]。這種方法的難點(diǎn)在于刀具可行空間的計(jì)算，目前主要采用C空間法E2,4,71和可視錐法口。11]實(shí)現(xiàn)。在可行空間中沿刀具進(jìn)給方向?qū)崿F(xiàn)刀軸光順控制方面，也有不少學(xué)者提出相應(yīng)方法。Wang和Tang[2]通過(guò)計(jì)算每一切觸點(diǎn)處在角速度限制條件下刀軸可以達(dá)到的范圍和該點(diǎn)的無(wú)干涉范圍之間的交集來(lái)確定五軸收稿日期：2012—07-12；退修日期：2012—10．11；錄用日期：2012-10-29；網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2012—11—2912：00網(wǎng)絡(luò)出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／111929V20121129．1200004．html基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(5100

6、5183)；國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX04016-031)*通訊作者Tel：029-88493009E-mail：dhzhang@nwpu．eduOR引用榕武iWangJ。ZhangDH．LuoM．etal。Aglobaltoolorientationoptimizationmethodforfive-axisCNCmachiningofsculpturedsur—facesjActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2013．34(6)：1452-1462÷I晶．張定華，羅明，等，復(fù)雜鹽面零件五軸加I刀軸整體優(yōu)化方法．航空學(xué)報(bào)，2013．34(6)

7、：1452-1462．王晶等：復(fù)雜曲面零件五軸加工刀軸整體優(yōu)化方法1453加工中的刀軸矢量。Jun等m3通過(guò)定義一條光滑曲線來(lái)確定刀具的姿態(tài)并防止相鄰刀軸之間角度變化過(guò)大。Castagnetti等[1朝提出了方向可行域的概念，在規(guī)劃刀軌時(shí)同時(shí)考慮幾何約束和機(jī)床的運(yùn)動(dòng)行為約束。上述刀軸矢量?jī)?yōu)化方法中，未對(duì)初始刀軸可行方向進(jìn)行劃分處理，造成刀軸方向計(jì)算復(fù)雜且耗時(shí)，必須進(jìn)行進(jìn)一步研究。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種復(fù)雜曲面零件五軸加工刀軸整體優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)加工中干涉