[发明专利]一种五轴联动铣削过程的动力学集成建模和加工精度预测方法

说明书

本发明公开了一种五轴联动铣削过程的动力学集成建模和加工精度预测方法，基于机械传动系统的等效多阶动力学模型建立五轴机床进给系统多轴联动的运动控制模型，考虑刀具和工件加工过程中运动位移干扰，在离散时间域进行迭代计算建立刀具和工件的进给运动位移响应模型，同时考虑刀具和工件在铣削力动态激励的作用下，建立振动位移响应模型，然后根据获取的运动位移响应模型和振动位移响应模型建立五轴机床联动铣削的动力学集成模型，实现了五轴数控机床多轴联动过程机械末端实际运动位移的计算，在进给运动机械末端非理想位移输出条件下进行柔性刀具和工件系统的动态啮合过程与位移响应计算，实现零件已加工表面轮廓重构与加工精度的精准预测。

技术领域

本发明属于数控机床仿真测试领域，具体涉及一种五轴联动铣削过程的动力学集成建模和加工精度预测方法。

背景技术

数控机床和加工过程是实现零件加工的两个重要组成部分，要实现高精度数控铣削加工，离不开机床本体的精确进给运动(单轴运动/多轴联动)性能和切削过程良好的动态啮合过程。其中，进给系统多轴联动产生的运动误差和铣削过程中铣削力动态激励引起的轮廓误差是产生零件加工误差的两个主要因素。长期以来，为了揭示数控机床运行过程的物理本质，国内外学者已围绕机床本体进给联动运动过程物理表征、铣削过程动态力学行为分析等方面开展了广泛而深入研究。

在机床本体(数控-伺服-机械)进给运动过程物理表征方面，由于机械传动系统、伺服驱动系统和数控系统是实现机床本体进给运动的三个核心部分，从运动控制角度看，数控和伺服驱动组成运动控制器，机械传动系统则是被控对象。首先，机械传动系统的动态特性直接关系到机床进给系统的运动性能，众多学者从机械传动系统的结构设计、制造装配和使用等环节，提出了多种有效的动力学建模方法，特别是考虑到了结构布局形式、装配工艺、零部件加工精度等因素，针对几类典型动结合部(丝杠-螺母副、导轨-滑块副、轴承副、蜗轮-蜗杆副)，提出了可行的结合部接触刚度和阻尼的计算方法，实现了对机械传动系统整体刚度、阻尼、固有频率和振型的定量描述。此外，伺服控制系统为机械传动提供动力来源，其驱动能力同样会影响机械运动的输出精度。由于伺服驱动电路非线性和电机结构非线性等非理想因素的存在，伺服控制系统的性能并非完全理想，其输出的驱动力并不等于名义受控力矩，而是存在显著的力矩误差，最终，在这种波动力矩的驱动下，机床运行过程就会产生运动瞬态误差。

在铣削过程动态力学行为分析方面，由于切削力始终伴随着铣削过程产生，其激励于刀具和工件系统形成的动态力学行为，包括自激振动和强迫振动，是制约加工精度和效率提高的主要不利因素之一。在铣削过程中，刀具-工件啮合本质上是动态力与瞬态位移相互耦合的过程，而表征刀具-工件物理啮合过程是反映其动态力学行为的关键。其中，针对柔性刀具-工件铣削动力学系统的颤振问题，研究学者们陆续提出了用于铣削稳定性判定的零阶分、暂态有限元分析、半离散和全离散方法，并在提高算法预测精度和计算效率方面不断取得进步。近来，考虑铣削过程多时滞特性被相继提出和研究，使得铣削稳定性的预测精度得以进一步提高。在稳定切削范畴内的强迫振动前提下，研究零件已加工表面的加工质量及其与铣削过程间的物理映射关系就显得十分重要。由于铣削力的动态激励，刀具-工件啮合过程会产生微幅振动，导致零件已加工表面偏离其理想设计面，形成加工误差。众多学者围绕这一问题，在考虑刀具-工件多种姿态，刀具-工件系统柔性、切削参数和工件材料等因素方面开展了很多研究。