多轴加工系统闭链刚度场建模与刚度性能分析

在复杂曲面多轴加工中,刀具可以在一定范围内以不同姿态加工复杂曲面,刀具姿态的改变直接影响整体加工系统的综合刚度特性,从而影响到加工性能。建立与刀具位姿相关的综合刚度场模型,可用于分析整体加工系统的综合刚性分布规律。提出多轴加工系统刚度场半解析计算方法,其中针对机床运动轴及其传动部位、刀具、工件等关键部件的力学特性分别采用了雅可比矩阵法、点传递矩阵法、有限元法等方法建立相应的刚度矩阵,并根据多体小变形理论建立了多轴加工工艺系统闭链刚度场模型。根据该模型解耦得到三维空间的力椭球,从力椭球提取整体加工系统的刚度性能指标,绘制刚度性能等值线图,分析工作空间中多轴加工系统的刚度特性分布规律,可用于指导刀具运动规划。     

基于广义加工空间概念的机床动态特性分析

针对研究机床在广义加工空间中动态特性的变化规律,提出机床广义模态和广义刚度场的概念.采用有限元法建立三轴龙门机床和四轴立式机床的动力学模型,通过动力学模型修正的方法在整个加工空间进行模态分析和动力响应分析,分别建立广义模态函数和广义刚度场函数.通过对3轴机床广义模态函数分析,得到了机床前5阶固有频率在整个加工空间中的变化规律,可以看出,固有频率在加工过程中变化最大可达25%,广义模态为机床性能的优化提供完整的模态信息.通过对4轴联动机床广义动刚度场函数的分析得出,机床在此频率下的刀具最优姿态,在另一频率下刚度可能就不是最佳,从而为优化机床的加工工艺,提高机床加工精度提供理论支持.     

五轴机床各轴刚度对S试件的轮廓误差影响的建模仿真

成都飞机工业集团提出的S试件是针对五轴数控加工中心的动态加工精度而设计标准试件,并且该试件在机床的验收工作中取得了良好效果,但S试件的各项误差与机床各单项性能指标对应的映射关系尚无法精确建立,为研究机床各轴刚度特性对S试件轮廓误差的影响,文中建立了机床各轴的动力学模型,并基于多体空间理论建立了五轴机床的运动学模型,结合仿真加工的G代码和机床原始误差得到了S试件的轮廓误差模型,通过实际加工验证了模型的正确性,并在此基础上研究了各轴刚度对S试件轮廓误差的影响,为优化机床刚度性能提供了理论基础。     

复杂曲面模具加工系统综合刚度场建模与分析*

在加工汽车覆盖件模具复杂曲面时,机床-刀具刚度、刀具位姿变化、模具型面变化都会影响加工系统综合刚度,进而影响模具加工精度。以四轴数控加工中心为例,针对模具曲面特征设置相应采样点,依据多体小变形理论,通过点传递矩阵、雅可比矩阵等完成该采样点的加工系统综合刚度建模,并引入了力椭球。在刀具不同的空间姿态下,通过力椭球分析了机床横梁、刀柄、刀具、模具曲面特征等对加工系统综合刚度性能的影响,揭示了曲面模具加工系统综合刚度的分布规律。最后通过试验证明,该理论模型可以有效地优化复杂型面模具加工工艺,减小模具的加工误差。     

基于多体理论的线切割机床钼丝姿态误差分析

锥度线切割机床钼丝(刀具)空间姿态误差对加工工件锥角精度影响很大,且其空间姿态状况主要由U和V轴运动来控制。为了减小空间姿态误差,针对某种大锥度线切割机床,首先以多体理论和空间向量理论为基础,分析控制钼丝(刀具)空间姿态各运动部件关联特征,构建钼丝(刀具)空间姿态精度数学模型。接着运用MATLAB软件分析U和V轴各项误差分量对钼丝姿态误差的影响规律,得出定位误差是影响姿态误差的主要因素。最后通过优化U/V轴结构来提高定位误差精度,进行优化前后对比切割工件试验。试验结果表明:减小定位误差能够有效减小钼丝空间姿态误差,验证了数学模型的正确性。     

基于Kriging预测模型的五轴机床动态特性场分析

为了准确预测机床的加工空间动态特性,首先,建立双转台五轴机床不同加工空间的动力学模型和Kriging预测模型;其次,根据试验模态分析结果,修正了机床滑动结合面的刚度,分析了81个工作位置的机床模态;最后,选取机床动态特性变异函数,基于三维Kriging预测模型分析了双转台五轴机床不同加工空间的系统固有频率。结果表明：随着摆台摆角的变化,双转台五轴机床加工空间中的系统固有频率变化范围为46.2~52.9 Hz;当摆台摆角为0°时,系统固有频率最小;当摆台摆角为45°时,振动幅值最大;机床的加工空间动态特性预测能够为加工路径规划和刀具姿态选择提供技术支持。     

数控螺旋锥齿轮磨齿机加工性能的实验研究

应用统计过程控制技术,对国产七轴五联动数控螺旋锥齿轮磨齿机YK2050的加工性能进行实验研究。根据实际磨齿加工采集的数据,运用平均值－全距控制图分析了机床的稳定性,并计算了机床的工序能力指数,研究结果表明,机床具有良好的加工稳定性以及充足的工序能力。最后对造成机床加工性能异常的原因进行了分析并给出了解决方法。

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三轴数控铣床切削力引起的误差综合运动学建模

使用齐次坐标变换的方法建立了三轴数控铣床的切削力误差综合数学模型。首先基于三轴数控铣床的结构分析对切削力误差元素进行识别,然后在机床各运动部件上建立一系列坐标系并推导出各相邻坐标系间的齐次坐标变换矩阵,最后根据切削加工中刀具切削点与工件正被切削点在基坐标系中的坐标值相同列出等式,推导出切削力误差综合模型。该模型包含30个对机床加工精度影响较大的切削力误差元素,适用于计算误差补偿时的补偿量。
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基于最小距离法的鞋楦加工无干涉刀具轨迹生成

在刀具及鞋楦三维模型离散数据的基础上,通过曲面的空间变换,将干涉检查转化为基于投影方向的最小距离判断,实现了鞋楦加工的无干涉刀具轨迹生成。对于计算刀位点时计算量大的问题,提出了一种针对鞋楦曲面特征的最小距离点的快速搜索方法。实际加工表明,提出的算法能够较好地提高鞋楦的加工质量和效率。
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五轴加工中刀具非线性误差的优化策略

五轴联动机床是实现复杂曲面高精度、高效率加工的有效工具,在增加两回转轴扩大刀具自由度的同时,也增加了回转轴造成的刀具姿态误差。针对回转轴的非线性运动造成的刀具姿态误差过大会导致低的表面加工精度,如叶轮、叶片等复杂曲面零件会在进出汽边发生过切、欠切现象,提出了一种姿态误差优化策略。首先对回转轴线性插补产生刀具姿态误差进行分析;其次通过投射线性插补刀轴矢量来优化刀具空间姿态;最后通过仿真及叶轮试件切削加工,论证了该方法的有效性。     

刀具旋转五轴数控机床后置处理算法研究

多轴机床主要是在三个直线轴的基础上增加旋转轴,刀具旋转五轴机床依靠多自由度能够加工复杂形状的零部件,多轴机床的优势在切削过程中能够通过变换刀具姿态适应待加工零件形状,实现满足精度要求的下的最大效率切削。五轴机床数控加工程序需要后置处理算法生成,本文主要针对刀具旋转五轴数控机床后置处理算法进行深入研究,分析刀具姿态变换过程中验算过程,便于更好的了解多轴机床的工作原理及编程原理。     

对置正交多回转轴机床刀具姿态优化算法的研究

叶轮叶片是航空发动机核心零部件,其加工精度对发动机的性能有重大影响,加工效率制约着加工成本。针对叶片特征前后缘螺旋加工方式刀轴曲率变化过大导致加工过程中机床轴负载不均衡的问题,提出了机床轴负载增量均衡的叶片缘面加工刀具姿态优化模型,采用粒子群算法对刀轴进行优化。以某航空叶片为对象进行了试验验证,分析该叶片特征前后缘处螺旋轨迹刀具姿态优化前后路径,对两种路径采用虚拟等步长分析方法在五轴联动对置正交回转轴机床上进行运动性能分析,获得机床各回转轴的速度和加速度绝对值曲线,结果显示优化后路径能使各回转轴绝对角加速度标准差明显降低。     

摇台磨齿机与Free-form型数控磨齿机加工调整参数转换的运动分析法

基于保持加工过程中刀具与工件之间的相对运动和相对位置不变的原则,论述用Free—form型数控磨齿机等效替代刀倾型摇台磨齿机展成螺旋锥齿轮的方法。通过分析加工参考点处刀具与轮坯相对运动的高阶加速度,推导了显式表达的两类机床加工参数的转换公式。通过对一个实例的计算及两类机床所展成齿面的接触分析结果的比较,证明所提出的计算公式精确高效,能满足数控机床实时控制的要求。
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刀具姿态误差的优化研究

针对五轴加工中回转轴的非线性运动造成的刀具姿态误差过大会导致低的表面加工精度,如叶轮、叶片等复杂曲面零件会在进出汽边发生过切、欠切现象,提出了一种姿态误差优化策略。首先对回转轴线性插补产生刀具姿态误差进行分析;其次通过投射线性插补刀轴矢量来优化刀具空间姿态;最后并通过仿真及叶轮试件切削加工,论证了该方法的有效性。     

基于PATRAN的机床结构快速动力学建模系统的开发

对机床固定结合面进行了研究,建立了机床固定结合部单元。在有限元软件PATRAN平台上,用PATRAN的二次开发工具PCL语言开发了机床结构快速动力学建模系统,利用DMIG数据卡片将实验数据输入到有限元软件PATRAN中,实现了有限元理论模型和实验模型的结合,提高了机床有限元建模的效率和精度。


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5-UPS/PRPU冗余驱动并联机床完整刚度模型及其刚度特性

基于全雅可比矩阵和虚功原理建立了5-UPS/PRPU冗余驱动并联机床的完整刚度模型。首先基于螺旋理论推导出约束分支中的约束雅可比矩阵;然后锁定分支中的主动副并利用互易积原理求得驱动雅可比矩阵,最后提出了冗余驱动雅可比矩阵。利用约束力、驱动力和冗余驱动力与外力的映射关系,结合虚功原理,得到系统整体刚度矩阵。考虑虎克铰、轴承等传动部件的轴向变形对分支轴向刚度的影响,构造了各个分支的轴向刚度模型。借助激光跟踪仪对所建立的刚度模型进行了实验测试。结果表明:该刚度模型的误差为2%~5%,验证了理论分析的可靠性。在此基础上,以机床的线刚度和角刚度的最小值为刚度性能指标,分析了其在工作空间内的分布情况。分析显示:机床线刚度的最小值主要分布在Y轴两侧,角刚度的最小值则主要分布在-0.05≤z≤0.05m和-0.11≤y≤-0.05m,因此,在进行并联机床工具规划时应该尽量避免该区域。文中内容可为并联机床刀具运动轨迹的优化提供参考依据。     

面向能耗的多刀具孔加工刀具直径及工艺参数集成优化模型

刀具直径和工艺参数对机床加工能耗影响显著。与单独优化刀具直径或单独优化工艺参数相比,开展刀具直径及工艺参数集成优化能进一步降低机床加工能耗。为实现面向低能耗的多刀具孔加工过程中刀具直径及工艺参数集成优化,首先,系统地分析了多刀具孔加工过程的加工时间和加工能耗;然后,建立以刀具直径和工艺参数为优化变量,以最小加工能耗和加工时间为优化目标的多刀具孔加工多目标集成优化模型,并采用粒子群算法对模型进行优化求解;最后,基于实际案例分析了刀具直径及工艺参数集成优化的必要性,并通过对比分析,验证了该模型的有效性和实用性。     

江苏省数字化电化学加工重点建设实验室

<正>江苏省数字化电化学加工重点建设实验室现有研发场所1 000多平方米,拥有五轴联动数控电解机械复合加工机床、五轴联动数控慢走丝线切割机床和五轴联动数控电火花成形加工机床等主要研发仪器、设备37台(套),原值超过1 000万元;拥有Pro/Engineer、MOLDFLOW和机床刀具分析软件Third Wave USA等主要设计、研发用软件54套;主要研究方向:数     

BKX-I型变轴机床的伸缩轴刚度实验数据回归分析

Stewart平台作为变轴数控机床的运动部件 ,其刚度是影响机床综合刚度的主要因素之一 ,因而也会最终影响机床的加工精度。本文以BKX -I型变轴机床的伸缩轴为研究对象 ,用实验的方法 ,从变形的角度分析了伸缩轴的刚度变化规律。通过对实验数据的线性回归分析 ,建立了伸缩轴的刚度计算模型 ,并利用该模型扼要地分析了整机的综合刚度在不同高度工作空间中的分布规律。     

BKX-Ⅰ型变轴机床的伸缩轴刚度实验数据回归分析

Stewart平台作为变轴数控机床的运动部件,其刚度是影响机床综合刚度的主要因素之一,因而也会最终影响机床的加工精度.本文以BKX-Ⅰ型变轴机床的伸缩轴为研究对象,用实验的方法,从变形的角度分析了伸缩轴的刚度变化规律.通过对实验数据的线性回归分析,建立了伸缩轴的刚度计算模型,并利用该模型扼要地分析了整机的综合刚度在不同高度工作空间中的分布规律.