基于机床运动学约束分析的复杂曲面加工进给速度规划及软件实现

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叶轮叶片等复杂曲面五轴加工过程中准确获得实际进给速度对切削效率、切削力和变形分析等具有重要意义。对于五轴加工而言,由于刀轴方向时变以及各运动轴物理约束等原因,工艺规划阶段给定的期望进给速度通过机床各轴运动映射到刀位点进给速度时发生较大偏差,往往导致基于切削负载的进给率优化等工艺研究无法达到理想效果。为此,本文首先基于Remotools组件开发海德汉进给速度实时采集分析系统,识别了数控系统的速度分配方式及运动轴速度极限,建立基于约束轴分析的运动轴实际速度计算方法。其次,分析了多段非连续进给速度的加减速过程,建立了加减速模型和复杂路径中速度转折模型,基于以上分析实现了实现了五轴加工时间估计。接着,建立了五轴数控机床的运动学模型,获得了运动轴到刀位点的运动学正反解,实现了加工过程中的实际刀位点进给速度计算,建立以刀位点进给速度等于期望进给速度为目标的数控代码进给速度规划方法。开发了进给速度规划软件,最大限度满足规划进给速度与实际进给速度相等,并实现了加工时间估计,为复杂曲面加工进给速度规划以及生产排程提供依据。最后在配备海德汉ITNC530M数控系统的米克朗UCP800 Duro五轴机床上进行了整体叶轮流道加工实验验证,实验结果表明,基于本文速度计算方法离线预测速度与各轴实测速度基本一致,计算所得刀位点进给速度与期望进给速度最大偏差超90%,说明实际加工过程中刀具相对于工件的速度受到数控系统进给速度处理方式影响,传统按照期望进给速度定义数控代码进给速度的方法存在明显不足。本文所提出方法进行数控代码进给速度规划,获得的刀位点进给速度与期望进给速度一致,估计的流道加工时间与实际加工时间偏差仅为6.3%。
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