专利名称：刀具模态参数不确定的曲面五轴数控工艺参数优化方法
技术领域：
本发明涉及一种曲面五轴数控加工工艺参数优化方法，尤其涉及一种计算 机数字控制的考虑刀具系统模态参数不确定的空间曲面五轴数控加工工艺参数 优化方法。本发明属于计算机数控加工技术领域。
背景技术：
在航空发动机叶轮、叶片类空间曲面和模具类难加工材料五轴加工过程中， 零件加工精度、零件表面质量以及刀具磨损等都依赖于加工工艺参数的合理选 取。为解决零件的高效和精密加工的需求，需要首先确保加工过程的稳定性(无 颤振)，其次选取优化的工艺参数以达到铣削加工的高效和高精度。
现有的五轴铣削加工工艺参数优化都是基于确定参数的五轴铣削加工动力 学模型(Budak, E., Tekeli, A. 2005. Maximizing chatter free material removal rate in milling through optimal selection of axial and radial depth of cut pairs, CIRP Annals -Manufacturing Technology 54 (1): 353-356)，利用确定的刀具系统模态参数和切削 力系数获取颤振稳定曲线，以此曲线为约束条件优化求解最终得到优化后的工 艺参数，但是这种方法没有将刀具系统模态参数的不确定性引入到工艺参数规 划中，不能反映真实的加工状况，因此获得的工艺参数不是真实的最优解，可 能导致颤振发生，无法实现零件的精密、高效加工。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的缺陷，提供一种刀具模态参数 不确定的曲面五轴数控工艺参数优化方法，能获取安全可靠的工艺参数，实现 空间曲面的精密、高效加工。
为实现这一目的，本发明首先获取刀具系统模态参数不确定区间；建立 五轴铣削加工动力学模型，模型中的输入参数包括刀具系统模态参数区间、 切削力系数、刀具几何和刀具路径；求解五轴铣削加工颤振稳定曲线；以此曲
3线为约束建立工艺参数优化模型；通过序列非线性规划方法求解该模型得到优 化后的工艺参数。
本发明所提供的刀具模态参数不确定的曲面五轴数控工艺参数优化方法， 具体步骤包括
1) 获取刀具系统模态参数以锤击力或激振器敲击力作为激励输入信号，以刀 具系统上刀尖点的加速度为输出信号，通过传递函数计算获取刀具系统的模态 参数。所述刀具系统的模态参数包括模态质量、模态阻尼和模态刚度。
2) 确定刀具系统模态参数的不确定区间上下界根据多次刀具系统模态实验获 取的刀具系统的模态参数，确定刀具系统各模态参数的不确定区间上下界。
3) 获取铣削加工颤振稳定图下界曲线建立刀具的几何参数、刀具系统模态参 数、切削力系数、机床主轴转速及切削深度与铣削加工过程中的瞬态切削厚度 之间的函数关系；利用这些函数关系，基于颤振预报的时间域有限元方法和区 间代数，求解得到铣削加工颤振稳定图上下界曲线。
4) 优化机床主轴转速和刀具振动以机床主轴转速最大化和刀具振动最小化为 优化目标，以铣削加工颤振稳定图下界曲线为约束条件，建立空间曲面五轴加 工工艺参数优化模型，通过序列非线性规划方法优化求解该模型获得优化后的 机床主轴转速。
由于本发明中考虑了刀具系统模态参数的不确定，更加接近真实的加工状 况，从而提高了加工中颤振预报的准确性；本发明将颤振稳定图下界曲线引入 工艺参数优化中，建立了刀具模态参数区间和刀具振动位移区间之间的关联， 从而达到对空间曲面五轴加工工艺参数优化目标。
图l为本发明实施例的刀具系统模态实验装置示意图。 图2为x方向刀具系统频响函数。
图3为y方向刀具系统频响函数。
图4为铣削加工颤振稳定图上下界曲线。 图5为本发明实施例的工艺参数优化结果。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例对本发明的接受方案作进一步的详细描述，但本 实施例并不用于限制本发明。
本发明实施例采用的刀具系统模态实验装置如图1所示，选取碳钢四齿 球头刀为加工刀具，该刀具装夹在Mikron600U五轴机床上基础该刀具的几何参
数为直径10毫米；螺旋角30度；总长度100毫米；悬臂长度70毫米。按照
本发明的方法进行刀具模态参数不确定的曲面五轴数控工艺参数优化，其步骤 为
1、 以力锤敲击刀具刀尖点，如图1所示，将该敲击力作为激励输入信号， 从刀具刀尖点上的加速度传感器可以获取输出信号，通过电荷放大器记录输入
信号和输出信号。根据输入信号和输出信号得到刀具刀尖点处的传递函数，然
后由有理分式多项式法拟合传递函数，得到图2、图3所示的x方向刀具系统频
响函数和少方向刀具系统频响函数，进一步得到辨识出刀尖点处模态参数
jc方向模态质量附，=0.7769￡ - 2 kg ; y方向模态质量 =0.7709￡ - 2 kg ; x方向模态阻尼c( =1480.5169 kg/s;少方向模态阻尼cy = 1502.1889 kg/s ; x方 向模态刚度^ = 0.6723五6 N/m ; y方向模态刚度、=0.6868五6 N/mm 。
图2 、图3中，横坐标为频率，纵坐标为频响函数的实部和虚部。
2、 重复步骤1的刀具系统模态实验，在本实施例中重复10次，根据这10 次刀具系统模态实验结果，确定刀具系统模态参数的不确定区间上下界，得到
x方向模态质量上下界为[wx] =
;
^方向模态质量[ ]=
; x方向模态阻尼[q〗=[1331.3420 kg/s, 1628.5865 kg/s]; y方向模态阻尼= [1351.67卯kg/s, 1653.7632 kg/s]; x方向模态刚度[yy =
;_y方向模态刚度[、]=
。
3、建立五轴铣削加工动力学方程，即刀具的几何参数g、刀具系统模态参 数附，c,/K机床主轴转速Q、切削深度6和切削力系数乂和/ 等参数与铣削加工 过程中的瞬态切削厚度x之间的函数关系
附x o 0
柳+
0 c..
柳+
t 0 0
在上式中模型的变量x为铣削过程中的瞬态切削厚度，i为瞬态切削厚度的 一阶导数；ii为瞬态切削厚度的二阶导数；/是时间；r-60/(4xQ)是单个刀齿
切削周期；K(06(x(O - x(Z - r))是瞬态的切削力，
，s = sin & (y)， c = cos & (0
^是刀齿-工件接触角，切削力系数/和厶可以通过切削力实验标定的标准方法
得到。基于颤振预报的时间域有限元方法和区间代数，在五轴铣削加工动力学
方程基础上，求得铣削加工颤振稳定图上界曲线产0,ca，/,g，Q,6)^l和下界曲
线^0,c,A，/，g,Q,6)Sl，如图4所示。
所述时间域有限元方法指的是文献[Mann， B.P., Young, K.A., Schmitz, T丄.， Dilley, D.N., 2005， Simultaneous stability and surface location error predictions in milling, Journal of Manufacturing Science and Engineering, Transactions of the ASME 127 (3), pp. 446-453]中提出的用于铣削过程颤振预报的方法；区间代数是 指文献[Alefeld， G. and Herzberber, J. (1983), Introductions to Interval Computations. Academic Press, New York.]中提出的区间运算方法。
4、在五轴铣削加工动力学方程中，瞬态切削厚度x(0-Xp(,) + "0， WO是 刀具颤振引起的位移摄动项，x。(0是刀具振动量，满足<formula>formula see original document page 7</formula>
由上式求出xp(0 ，建立空间曲面五轴加工工艺参数多目标优化模型，
min {xp,—Q}
s.t. /丄(附，c,A:,/,g，Q，6)Sl 在上述优化模型中，优化目标为机床主轴转速Q最大化和刀具振动Xp最小
化，以铣削加工颤振稳定图下界曲线,(m,c，A:,/,g，Q,6):^l为约束条件，该条件
给出了机床主轴转速和切削深度之间的约束关系。将空间曲面五轴加工工艺参 数多目标优化模型转化为序列优化问题
<formula>formula see original document page 7</formula>
通过非线性规划方法求解得到优化后的主轴转速Q和瞬态切削深度6。
优化模型求解得到的结果如图5所示主轴转速和瞬态切削深度(圆圈点)，
选取本发明得到的工艺参数进行加工，无颤振现象发生，工件表面质量良好。
作为对比，图5中的星号点为采用常规的工艺优化模型(即不考虑刀具系统模 态参数的不确定性)，优化求解得到的工艺参数，选取该工艺参数加工，则有颤 振现象发生，工件表面质量差，导致残次品发生。
权利要求
1、一种刀具模态参数不确定的曲面五轴数控工艺参数优化方法，其特征在于包括如下步骤1)以锤击力或激振器敲击力作为激励输入信号，以刀具系统上刀尖点的加速度为输出信号，通过传递函数计算获取刀具系统的模态参数；所述刀具系统的模态参数包括模态质量、模态阻尼和模态刚度；2)根据多次刀具系统模态实验获取的刀具系统的模态参数，确定刀具系统各模态参数的不确定区间上下界；3)建立刀具的几何参数、刀具系统模态参数、切削力系数、机床主轴转速及切削深度与铣削加工过程中的瞬态切削厚度之间的函数关系；利用这些函数关系，基于颤振预报的时间域有限元方法和区间代数，求解得到铣削加工颤振稳定图上下界曲线；4)以机床主轴转速最大化和刀具振动最小化为优化目标，以铣削加工颤振稳定图下界曲线为约束条件，建立空间曲面五轴加工工艺参数优化模型，通过序列非线性规划方法优化求解该模型，获得优化后的机床主轴转速。
全文摘要
本发明涉及一种刀具模态参数不确定的曲面五轴数控工艺参数优化方法，属于计算机数控加工技术领域。该加工工艺参数优化方法步骤包括首先获取刀具系统模态参数不确定区间；建立五轴铣削加工动力学模型，模型中的输入参数包括刀具系统模态参数区间、切削力系数、刀具几何和刀具路径；求解五轴铣削加工颤振稳定曲线；以此曲线为约束建立工艺参数优化模型；通过序列非线性规划方法求解该模型得到优化后的工艺参数。由于本发明中考虑了刀具系统模态参数的不确定，更加接近真实的加工状况，从而提高了加工中颤振预报的准确性。
文档编号G05B19/4097GK101493686SQ20091004672
公开日2009年7月29日 申请日期2009年2月26日 优先权日2009年2月26日
发明者汉 丁, 张小明, 朱利民, 朱向阳 申请人:上海交通大学