外文翻譯--五軸數(shù)控加工的刀具路徑規(guī)劃與動力學仿真 中文版

1、<p><b>　　河北建筑工程學院</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）外文資料翻譯</p><p>　　系別： 機 械 系 </p><p>　　專業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 </p><p>　　班級：

2、 </p><p>　　姓名： </p><p>　　學號： </p><p>　　外文出處： Cutting tool applications </p><p>　　附 件：1、外文原文；2、外文資料翻譯譯文。</p><

3、p>　　注：請將該封面與附件裝訂成冊。</p><p>　　2、外文資料翻譯譯文</p><p>　　五軸數(shù)控加工的刀具路徑規(guī)劃與動力學仿真</p><p><b>　　關(guān)鍵詞</b></p><p>　　五軸數(shù)控 刀具路徑 幾何-力學集成仿真 動力學仿真</p>&l

4、t;p>　　傳統(tǒng)的三軸數(shù)控加工通過控制刀具平動來完成零件的加工, 五軸數(shù)控機床是由三軸機床增加兩個旋轉(zhuǎn)自由度構(gòu)成, 利用這兩個旋轉(zhuǎn)軸, 五軸數(shù)控機床可以使刀具處于工作空間內(nèi)的任意方向. 五軸數(shù)控加工的優(yōu)勢主要通過控制刀軸方向?qū)崿F(xiàn), 具體體現(xiàn)在: (1)改變刀軸方向可以避免刀具和零件干涉, 實現(xiàn)整體葉輪和螺旋槳等復(fù)雜曲面零件的加工; (2) 通過調(diào)整刀軸方向能夠更好地匹配刀具幾何與工件曲面, 增加有效切寬, 實現(xiàn)大型敞口類曲面零件的

5、高效加工;(3) 控制刀軸方向可以改善加工條件, 如在加工葉輪根部等曲率較大的區(qū)域時, 只能用剛度較低的小半徑刀具, 選擇合理的刀軸方向, 可以縮短刀具懸伸量,控制刀軸方向還可以控制刀具參與切削的區(qū)域, 降低切削力和減少刀具磨損, 提高加工表面質(zhì)量.五軸數(shù)控加工具有上述優(yōu)勢的同時也帶來了新的挑戰(zhàn), 由于旋轉(zhuǎn)運動的引入, 刀軸姿態(tài)更加靈活,在機床坐標系下難以直觀想象出刀具相對于工件的運動, 增加了刀具路徑規(guī)劃的難度, 而且刀具上各點的進給

6、速度并不相同, 加工條件瞬時變化, 使切削力預(yù)測和動力學問題更加復(fù)雜. 目前的研究工作主要體現(xiàn)在3 個方面: 刀具路徑規(guī)劃、加工過程的幾何</p><p>　　評 述國內(nèi)外對五軸數(shù)控加工進行了大量的理論和應(yīng)用研究, 目前已有通用CAM 軟件(如UG 和Catia)、專用CAM 軟件(如加工葉輪的Max 和加工葉片的TurboSoft)和動力學仿真軟件(如CutterPro). 歐盟在2001 年開展了“Flami

7、ngo (flank milling optimization)”項目, 聯(lián)合了SNECMA, Rolls Royce, Dassault Systèmes等著名公司和高校研究了高效側(cè)銑加工方法. 美國聯(lián)合技術(shù)公司、普惠(Pratt & Whitney) 公司和Concepts NREC 公司一直在研究五軸高效精密加工技術(shù). 國內(nèi)也開發(fā)了如開目、5BDM 和DynaCut 等軟件, 但在理論研究和應(yīng)用方面尚處于起步階段

8、.目前的商業(yè)軟件在刀具路徑規(guī)劃和仿真方面提供了豐富的策略, 但在智能性、工藝性和計算效率等方面還不完善, 如刀軸方向控制策略主要依靠編程人員的輸入, 難以做到自動優(yōu)化刀軸方向來同時滿足干涉避免、寬行加工、刀具路徑整體光順和縮短刀具長度等需求; 在動力學仿真方面主要針對三軸數(shù)控加工, 亟需針對五軸高速加工的切削力和切削過程</p><p><b>　　1 刀具路徑規(guī)劃</b></p>

9、;<p>　　刀具路徑規(guī)劃是數(shù)控編程的核心技術(shù), 在復(fù)雜曲面五軸高效加工的刀具路徑規(guī)劃中, 最大的難點是除滿足幾何約束外, 還需要考慮加工過程中的動態(tài)特性和物理因素, 尤其對于難加工材料的工件, 動態(tài)特性和物理因素很大程度上決定了加工效率和加工質(zhì)量, 是在刀具路徑規(guī)劃階段必須考慮的. 規(guī)劃刀具路徑時, 需要在保證無干涉前提下, 通過調(diào)整刀軸方向來擴大刀具有效切削面積、改善工藝條件.</p><p>

10、<b>　　1.1 干涉避免</b></p><p>　　干涉避免是加工復(fù)雜曲面零件時需要首先考慮的幾何約束, 目前的無干涉刀位規(guī)劃方法可以分為先生成后檢測的規(guī)劃方法和基于可達性的規(guī)劃方法.先生成后檢測是指先生成刀具路徑然后檢測干涉,通過調(diào)整刀軸方向來避免干涉, 如圖2 所示; 而基于可達性的刀具路徑規(guī)劃方法是直接在可達空間中生成無干涉刀具路徑, 如圖3 所示.先生成后檢測方法的工作集中在干

11、涉檢查和刀軸方向調(diào)整兩方面. 數(shù)控程序中刀位點一般有幾萬行甚至十幾萬行, 干涉檢查往往花費大量的計算時間和資源, 因此研究重點在提高全局干涉檢查的效圖2 先生成后調(diào)整的干涉避免方法[2](a) 干涉發(fā)生; (b) 調(diào)整刀軸方向圖3 基于可達性的干涉避免方法(a) 可達方向錐; (b) 無干涉刀具路徑率方面[2,3]. 在加工復(fù)雜零件時, 先產(chǎn)生后檢測方法往往需要反復(fù)的檢查干涉和調(diào)整刀軸方向, 在這個過程中主要考慮幾何約束, 難以根據(jù)工藝

12、需求優(yōu)化刀軸方向.基于可達性的規(guī)劃方法首先在離散的刀觸點處計算出刀具的可達方向錐, 然后在可達方向中規(guī)劃刀具路徑, 這種方法的優(yōu)點是可以直接判斷零件的可加工性, 減少甚至可以避免對刀具路徑進行反復(fù)的調(diào)整和檢測, 因此能夠在刀</p><p><b>　　1.2 加工效率</b></p><p>　　五軸數(shù)控加工至今仍廣泛采用球頭刀, 球頭刀加工刀位規(guī)劃簡單, 但效率比

13、較低, 而非球頭刀通過調(diào)整其位置和姿態(tài), 可以使刀觸點軌跡線附近帶狀區(qū)域內(nèi)的刀具包絡(luò)曲面充分逼近理論設(shè)計曲面, 從而顯著提高給定精度下的加工帶寬, 在加工平坦、敞口類曲面時能充分發(fā)揮五軸聯(lián)動機床的潛力, 成為近些年來研究的熱點. 研究工作主要集中在平底刀和圓環(huán)刀的端銑加工, 以及圓柱刀和圓錐刀的側(cè)銑加工. 端銑加工中依靠點接觸成形, 通過增大刀具的有效切削面積可以獲得高材料去除率, 提高加工效率,而側(cè)銑加工中使用線接觸成形, 直接實現(xiàn)寬

14、行加工.五軸數(shù)控加工的成形原理為單參數(shù)面族包絡(luò)原理, 真實的加工誤差為刀具包絡(luò)面相對于工件曲面的法向誤差. 由于只有在所有刀位都確定之后才能計算刀具包絡(luò)面[13,14], 因此如何在單個刀位規(guī)劃的時候考慮刀具包絡(luò)面與工件曲面之間的偏差是個非常關(guān)鍵的問題, 它直接關(guān)系到刀位計算的精度. 由于操作上的難度及復(fù)雜性, 多數(shù)文獻都采用了近似的簡化處理[15], 將刀位規(guī)劃轉(zhuǎn)化為單個刀位下, 刀具曲面與工件曲面間的優(yōu)化逼近問題, 給出的各種刀位優(yōu)

15、化模型并不能真實地反映實際加工過程, 并且現(xiàn)有的方</p><p>　　評 述論上可以實現(xiàn)兩者的三階切觸, 因此二階模型未能充分發(fā)揮五軸聯(lián)動加工的潛力. 這些方法的理論模型也互不兼容, 并且均是將切觸條件轉(zhuǎn)化為等式方程, 然后嚴格計算出滿足切觸條件的刀位. 但在實際應(yīng)用中, 由于刀具和設(shè)計曲面的復(fù)雜性, 以及無干涉約束、機床工作空間約束以及刀具路徑光順性約束的存在, 往往無法實現(xiàn)精確的高階切觸加工. 本文作者[1

16、8,19]研究了兩線接觸曲面間的幾何學特性, 刀具包絡(luò)面的基本條件是沿特征線和刀觸點軌跡線分別與刀具曲面和設(shè)計曲面線接觸, 提出了回轉(zhuǎn)刀具掃掠包絡(luò)面的局部重建原理. 建立了由單個刀位重建刀具包絡(luò)面局部三階近似曲面的數(shù)學模型, 刻畫了刀具曲面、刀具包絡(luò)面與設(shè)計曲面在刀觸點鄰域內(nèi)的三階微分關(guān)系, 在此基礎(chǔ)上提出了非球頭刀寬行五軸數(shù)控加工自由曲面的刀位規(guī)劃新方法——三階切觸法. 該方法通過優(yōu)化刀具的前傾角和側(cè)傾角使得在刀觸點處刀具包絡(luò)曲面與設(shè)

17、計曲面達到三階切觸,適用于任意回轉(zhuǎn)面刀具、任意設(shè)計曲面及各種加工方式, 并且可以自然地處理各種幾何學和運動學約束.采用環(huán)心圓半徑為10 mm, 母圓半徑為2.5 mm 的圓環(huán)刀加工某螺旋面, 在某一刀觸點處限定加工誤</p><p>　　徑整體優(yōu)化問題歸結(jié)為刀具包絡(luò)面向設(shè)計曲面的最佳一致逼近問題, 定義了點-軸跡面法向誤差函數(shù),并推導出其關(guān)于軸跡面形狀控制參數(shù)的一階梯度和二階海色矩陣表達式, 在此基礎(chǔ)上構(gòu)造了高效

18、的離散點云軸跡面逼近算法, 應(yīng)用于非可展直紋面的側(cè)銑加工, 幾何精度比國際上現(xiàn)有的方法提高了30%以上, 并且可以自然地處理無過切約束, 對比結(jié)果如表3 所示. 這一方法利用了柱刀包絡(luò)面與其軸跡面互為等距面這一幾何性質(zhì), 因此無法推廣應(yīng)用于錐刀的情形. 在某些應(yīng)用場合下, 錐刀可在保證剛性的前提下實現(xiàn)端部的小半徑切削, 從而避免刀具端部與工件的干涉以及小半徑柱刀剛性不足的困難, 因此關(guān)于錐刀側(cè)銑加工的刀位優(yōu)化方法近年來引起重視.本文作者

19、[24,25]基于刀具包絡(luò)面的雙參數(shù)球族包絡(luò)表示, 提出了無須構(gòu)造包絡(luò)面而直接計算其與設(shè)計曲面間法向誤差的方法, 并推導出法向誤差關(guān)于刀軸軌跡面形狀控制參數(shù)的一階梯度表達式, 揭示了刀位微小調(diào)整對設(shè)計曲面和刀具包絡(luò)面間整體逼近誤差的影響規(guī)律, 在此基礎(chǔ)上構(gòu)造了基于導數(shù)信息的刀具包絡(luò)面向設(shè)計曲面的離散點云的最佳一致逼近算法, 實現(xiàn)了圓錐刀五軸側(cè)銑加工刀具路徑的整體優(yōu)化. 有關(guān)理論和</p><p>　　1.3 工藝

20、條件改善</p><p>　　高速加工對刀具軌跡的光順性和加工系統(tǒng)的整體剛度提出了更高的要求. 刀軸方向光順性和刀具長度影響五軸數(shù)控加工過程的動態(tài)特性; 不同刀軸方向也會改變有效切削速度等切削參數(shù), 影響切削力等物理因素. 在刀具路徑規(guī)劃中需要綜合這些因素, 改善工藝條件.</p><p>　　(ⅰ) 刀軸方向光順. 刀軸方向的光順性對運動學非線性誤差、加工效率、進給運動平穩(wěn)性和切削條件[

21、29,30]都有直接的影響, 因此刀軸方向的光順性是評價刀具路徑的一個重要指標. 刀軸方向光順性的度量可以在機床坐標系中、工件坐標系中或者進給坐標系中定義, 分別對應(yīng)機床旋轉(zhuǎn)軸的運動、刀軸方向相對于工件的變化和切削條件的變化.現(xiàn)有研究中大多考慮機床坐標系下的度量,Kersting等人[31]研究了在自由C-空間中根據(jù)機床坐標系下的度量光順刀軸方向的方法. Castagnetti 等人[29]以旋轉(zhuǎn)軸進給運動的平穩(wěn)性和加工效率為目標定義了

22、機床坐標系下的度量, 證明優(yōu)化刀軸方向后可以明顯縮短加工時間. 本文作者[11,12]研究了在刀軸可行空間中整體光順刀軸方向的算法, 該算法考慮了相鄰刀位之間的角速度約束, 把刀軸方向整體光順問題定義為離散域的約束最優(yōu)化問題, 用有向圖的最短路徑算法求解該優(yōu)化問題獲得了整體光順的刀具路徑.根據(jù)工件坐標系下的度量光順刀軸方向的方法主要集中在NURBS 刀具路徑規(guī)劃方面, Dassault 公司[32]研究了用雙樣條曲線描述五軸加工刀具路徑

23、的方式, 通過插值獲得光</p><p>　　(ⅱ) 縮短刀具長度. 可以用更短的刀具加工復(fù)雜零件是五軸數(shù)控加工的一個重要優(yōu)勢, 縮短刀具懸伸長度可以提高整個加工系統(tǒng)的剛度. 刀具最短安全長度一般在數(shù)控程序仿真階段計算, 如數(shù)控仿真軟件Vericut 在6.2 版本中提供了計算安全最短刀具長度的功能. 在仿真過程中計算安全最短刀具長度需要首先規(guī)劃出刀具路徑, 只能針對已有刀具路徑計算安全的刀具懸伸量, 然而在加工

24、復(fù)雜零件時,安全最短的刀具長度往往由刀軸方向決定, 因此應(yīng)該在刀具路徑規(guī)劃階段考慮刀具的安全最短長度.如何在規(guī)劃五軸數(shù)控加工刀具路徑時考慮安全</p><p>　　最短刀具長度, 在現(xiàn)有研究中考慮較少. Morimoto 等人[10]針對球頭銑刀的固定角度加工提出了調(diào)整刀軸方向來縮短刀具長度的算法, 該方法需要首先求被加工曲面和干涉檢查曲面的等距偏置面, 而且在計算安全刀具長度時過于保守. 本文作者[36]在基于

25、GPU 檢測刀具可達性的基礎(chǔ)上, 提出了計算可達方向上安全最短刀具長度的方法, 為3+2 數(shù)控加工提供了高效的刀具安全長度規(guī)劃方法. 在此基礎(chǔ)上, 進一步探索了以刀具長度最短為目標的五軸聯(lián)動數(shù)控加工刀具路徑規(guī)劃算法[37,38], 以刀具路徑的無干涉和相鄰刀位之間刀軸方向的光順性作為約束, 把刀具長度優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為約束組合優(yōu)化問題, 并給出了有效的求解方法.</p><p>　　2 幾何-力學集成仿真</p

26、><p>　　動態(tài)切削力仿真是物理仿真的基礎(chǔ), 在進給速度、主軸轉(zhuǎn)速等切削參數(shù)優(yōu)化, 切削顫振預(yù)報, 加工過程自適應(yīng)控制, 刀具磨損和破損監(jiān)測, 加工表面形貌預(yù)測, 加工誤差分析與補償中有著廣泛的應(yīng)用. 幾何-力學集成仿真是根據(jù)材料去除過程中的瞬時切削條件來預(yù)測動態(tài)切削力, 包含切削力系數(shù)和瞬時切削幾何兩方面的工作, 其中切削力系數(shù)一般采用實驗標定的方法求得[39,40], 因此主要工作為刀具掃描體和刀具-工件切削幾

27、何建模.</p><p>　　2.1 幾何仿真與切削力預(yù)測的集成</p><p>　　刀具掃掠體建模的關(guān)鍵是求解其包絡(luò)面. 對于五軸運動下的刀具掃掠體包絡(luò)面的建模, 目前常用的方法是數(shù)值法[41], 包括Jacobian 秩虧損方法、掃掠微分方程方法、隱式建模方法及Minkowski 和方法,這些方法需要數(shù)值求解高階常微分方程或超越方程,計算量很大. Chiou 等人[42]推導了環(huán)刀和由

28、上、下錐面和中間環(huán)面組成的APT 刀具在五軸線性插補運動下的瞬時特征線的求解公式. Du 和Ye 等人[43,44]通過引入瞬時標架和剛體速度表示簡化了Chiou 的結(jié)果.之后, Chiou 等[45]通過引入刀觸點處的瞬時標架得到了APT 刀具在一般空間剛體運動下的瞬時特征線的求解公式. 上述方法需要逐點計算包絡(luò)面上的點, 解的判別過程比較復(fù)雜. 本文作者[13,14]提出了兩種回轉(zhuǎn)刀具切削刃掃描面的解析表達方法: (1) 將錐刀、鼓

29、刀和環(huán)刀的切削刃回轉(zhuǎn)面表示為單參數(shù)可變半徑球族的包絡(luò)面, 利用雙參數(shù)球族包絡(luò)理論推導出了這3 種刀具在一般空間運動下的掃掠體包絡(luò)面及其單位外法矢的解析表達式; (2) 應(yīng)用包絡(luò)條件和剛體運動的速度表示方法推導出任意回轉(zhuǎn)刀具在一般空間運動下掃掠包絡(luò)面特征線</p><p>　　2.2 切削力約束下的進給率規(guī)劃</p><p>　　在五軸銑削過程幾何-力學集成仿真的基礎(chǔ)上,可以根據(jù)切削力優(yōu)化進

30、給率. 目前商用CAM 軟件的進給率優(yōu)化算法均基于體積分析(也稱為材料去除率). 在這種傳統(tǒng)的方法中, 通常把進給率設(shè)置為反比于瞬時材料去除率或者與材料去除率成指數(shù)函數(shù)關(guān)系. 該方法的兩個主要缺點是: (1) 瞬時材料去除率雖然從一定程度上可以反映切削力的大小, 但不能反映切削力的方向, 故基于材料去除率的進給率優(yōu)化不能反映切削力的本質(zhì); (2) 由這種方法規(guī)劃出的進給率所產(chǎn)生的切削力的大小難以保持恒定. 針對基于材料去除率規(guī)劃進給率的

31、缺點, Bailey 等人[47,48]提出了基于切削力模型的五軸加工進給率規(guī)劃方法.Erdim 等人[49]對基于切削力模型的與基于材料去除率模型的兩種進給率優(yōu)化策略做了詳細比較研究本文作者[50]提出了切削力約束的五軸數(shù)控側(cè)銑加工進給率離線規(guī)劃方法: 基于機床各軸立方樣條多項式插補格式, 建立以各軸相鄰位置點之間的時間序列為設(shè)計變量, 以各軸相鄰位置點之間的運行時間序列之和極小為目標函數(shù), 以各軸的速度、加速度、躍度極限為約束, 同

32、時以刀具切削過程中的最大切削力小于閥域值為約束的優(yōu)化模型,</p><p>　　3 加工過程動力學仿真</p><p>　　五軸銑削過程動力學仿真是為加工過程工藝優(yōu)化提供過程狀態(tài)變量的時間歷程數(shù)據(jù), 核心工作包括動力學建模、加工過程穩(wěn)定性分析和工藝參數(shù)優(yōu)化.</p><p><b>　　3.1 動力學建模</b></p><

33、p>　　刀具-工件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動力學模型分為: (1) 刀具-工件耦合振動模型, 對于薄板類零件加工, Ratchev 的研究小組提出了基于FEM的薄板-刀具耦合振動模型; Kovecses 等人[52]提出了基于解析法建模的薄板類零件銑削振動模型. 然而, 對于薄殼類零件銑削加工,工件振動模型、刀具-工件耦合振動模型極少見諸國際期刊. (2) 工件-夾具接觸動力學建模, Hu 等人[53]在柔性多體動力學框架下, 使用集總參數(shù)模型分

34、析了夾具的動態(tài)穩(wěn)定性; Kapoor 等人研究了夾具-工件動態(tài)摩擦接觸模型, 并分析了該動態(tài)效應(yīng)對加工性能的影響; Rong 等人在FEM 的框架下, 建立了夾具工另一方面, Melkote 等人[56]分析了加工過程工件-刀具動態(tài)效應(yīng)(工件慣量、剛度、頻率等特性在銑刀去除材料過程中的時變特性)對夾持動態(tài)穩(wěn)定性的影響.</p><p>　　3.2 加工過程穩(wěn)定性分析</p><p>　　在

35、刀具-工件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動力學模型基礎(chǔ)上, 目前銑削過程動力學分析的工作主要集中在顫振分析上.切削過程顫振分為再生型顫振、模態(tài)耦合性顫振等,一般認為再生型顫振先于模態(tài)耦合性顫振發(fā)生. 常用顫振穩(wěn)定性分析方法的對比如表4 所示, Altintas等人利用切削力系數(shù)Fourier 展開給出了銑削加工顫振預(yù)測模型(ZOA 法), 其精度取決于切削力變化趨勢和Fourier 項數(shù), 對于多齒刀具和徑向切深較大的加工方式非常有效, 而對于少齒刀具及徑向

36、切深小的加工方式則缺乏足夠的精度. Altintas 的小組在近年又提出了多頻率法, 可以用于小徑向切深的銑削穩(wěn)定性預(yù)報. Bayly 等人結(jié)合刀具自由振動解析解和刀具-工件接觸過程振動近似解, 發(fā)展出時域有限元方法(TFEA)用以預(yù)測銑削系統(tǒng)顫振, 但該方法主要適用于預(yù)報小徑向切深銑削的穩(wěn)定性, 而對于大徑向切深情形有較大誤差. Insperger 等人通過離散時滯項并對周期系數(shù)項做零階平均處理將加工動力學時滯方程轉(zhuǎn)化成一系列自治常微

37、分方程, 即所謂的半離散方法, 可用于預(yù)測顫振發(fā)生, 其精度取決于離散步長, 計算量與多頻率法接近, 都遠大于ZOA </p><p>　　3.3 工藝參數(shù)優(yōu)化</p><p>　　關(guān)于無顫振工藝參數(shù)優(yōu)化的工作主要集中于三軸加工, Budak 等人[63]提出了無顫振最大材料去除率目標下的最優(yōu)軸向與徑向切深對的計算方法, Altintas等人[64]提出了基于銑削過程仿真和顫振穩(wěn)定性預(yù)報的

38、NC 主軸轉(zhuǎn)速和進給率優(yōu)化方法. 現(xiàn)有的穩(wěn)定性預(yù)測模型和五軸銑削加工工藝參數(shù)優(yōu)化都是基于確定參數(shù)的動力學模型, 這種方法沒有將切削系統(tǒng)參數(shù)的不確定性引入到工藝參數(shù)規(guī)劃中, 不能反映真實的加工狀況, 因此獲得的工藝參數(shù)不是真實的最優(yōu)解, 仍然可能導致顫振發(fā)生. 刀具-工件結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)和幾何參數(shù)包含很多不確定性, 物理參數(shù)如彈性模量和泊松比, 幾何參數(shù)如工件的厚度及其他幾何尺寸. 對銑削中的不確定問題, 以前多是從控制角度來研究[65],

39、 設(shè)計控制器補償切削過程中的切削力模型和切削力-進給非線性因素中存在的誤差. 目前, 國際上針對不確定參數(shù)的數(shù)控銑削過程動力學建模工作很少, 本文作者[66~68]提出了考慮加工過程不確定參數(shù)的五軸銑削工藝參數(shù)魯棒優(yōu)化方法, 考慮加工過程中的不確定因素, 利用區(qū)間代數(shù), 基于靈敏度分析, 求解銑削顫振穩(wěn)定圖的上下界和刀具動態(tài)響應(yīng)的上下界, 建立工藝</p><p><b>　　4 展望</b>

40、;</p><p>　　五軸數(shù)控加工是航空、航天、能源和國防等領(lǐng)域中高效加工復(fù)雜零件的有效手段, 是提升我國制造水平的技術(shù)突破口. 國家自然科學基金、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃和科技重大專項中都把五軸數(shù)控加工的基礎(chǔ)理論和共性技術(shù)列為重點研究方向, 結(jié)合國家重大需求和制造科學前沿, 五軸高效精密數(shù)控加工將來的研究方向如下:</p><p>　　(1) 完整的數(shù)控加工過程動力學仿真模型. 動力學

41、仿真是實現(xiàn)高效精密加工的理論基礎(chǔ), 當前的研究多集中在“機床-刀具-工件-夾具”系統(tǒng)的一些子系統(tǒng), 迄今未見報道一個相對完整的“刀具-工件-夾具”動力學模型, 以及其在工藝參數(shù)微擾動下的動態(tài)響應(yīng)對最終零件質(zhì)量的詳細分析. 再如, 現(xiàn)有加工過程振動分析的思路都是“結(jié)構(gòu)動力學”的, 即忽略了銑刀做大范圍剛體運動與刀具振動的耦合效應(yīng)對曲面加工精度的影響, 而實際情況是, 由于旋轉(zhuǎn)運動的引入, 五軸加工中刀具相對于工件做變進給運動, 按照“柔性

42、多體動力學”理論, 刀具大范圍剛體運動影響刀具彈性小變形, 要更準確地預(yù)報已加工工件表面形貌, 必須首先界定這種耦合效應(yīng)對曲面加工精度的影響.</p><p>　　(2) 設(shè)計-加工-測量一體化制造方法. 考慮到五軸加工中時變的切削條件和諸多不確定性因素, 單次加工往往難以滿足產(chǎn)品在幾何精度和物理性能方面的高要求, 集設(shè)計-加工-測量于一體的閉環(huán)加工模式是解決這一難題的重要手段, 是數(shù)字化制造的前沿方向, 它包含

43、工藝規(guī)劃和加工仿真、曲面信息獲取和數(shù)據(jù)分析、質(zhì)量評價和面形再設(shè)計等環(huán)節(jié), 其中物理性能和幾何形貌的快速原位測量技術(shù)、基于數(shù)學物理方程反演的多源約束面形再設(shè)計理論、補償加工時材料去處量的精確估計方法、考慮工藝系統(tǒng)動態(tài)特性與加工過程物理約束的五軸加工工藝規(guī)劃方法是挑戰(zhàn)性的課題.</p><p>　　(3) 五軸銑削成形過程多物理場仿真方法. 高性能復(fù)雜零件對表面質(zhì)量提出了更高的要求, 在五軸銑削加工切削力仿真基礎(chǔ)上的

44、成形過程多物理場仿真成為新的研究熱點, 它通過對零件宏/微性能的定量預(yù)測, 為加工過程控制和工藝參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù). 目前的多物理場仿真主要針對車銑或者三軸數(shù)控加工, 如何在切削條件時變的五軸數(shù)控加工中實現(xiàn)高效的物理仿真是挑戰(zhàn)性的難題. 具體內(nèi)容包括: 制造過程中復(fù)合能場的數(shù)字化描述與定量表征;工藝系統(tǒng)和工藝過程參數(shù)對零件宏/微觀性能的影響規(guī)律; 制造過程中復(fù)雜物理行為的定量預(yù)測和調(diào)控;加工工藝優(yōu)化與加工過程控制的新方法.</p