一種柔性結(jié)構(gòu)件銑削加工的工藝參數(shù)優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)數(shù)控加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及數(shù)控銑削加工工藝參數(shù)優(yōu)化領(lǐng) 域，具體為一種柔性結(jié)構(gòu)件銑削加工的工藝參數(shù)優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在航空、航天以及能源等領(lǐng)域，柔性薄壁結(jié)構(gòu)零件的應(yīng)用非常廣泛，零件的加工精 度和加工效率很大程度上依賴于加工參數(shù)的合理選擇。為了達(dá)到柔性結(jié)構(gòu)零件高效精密的 加工要求，不僅需要確保加工過(guò)程穩(wěn)定性，即不發(fā)生顫振，還需要保證零件的加工精度和低 成本。
[0003] 現(xiàn)有的柔性結(jié)構(gòu)件加工工藝參數(shù)優(yōu)化方法主要基于常數(shù)邊界的加工動(dòng)力學(xué)模型 (Altintas Y, Budak E. Analytical Prediction of Stability Lobes in Milling. CIRP Annals-Manufacturing Technology. 1995;44(1) :357-62.)，在動(dòng)力學(xué)建模過(guò)程中將統(tǒng)刀 刀刃切入切出角當(dāng)做恒定的常數(shù)，即不考慮切削振動(dòng)對(duì)其影響，利用基于攝動(dòng)假設(shè)將切厚 動(dòng)態(tài)變化量導(dǎo)致的切削力瞬態(tài)分量看做是額定激勵(lì)的高階小量，從而在穩(wěn)定性分析中忽略 額定激勵(lì)導(dǎo)致的切削力穩(wěn)態(tài)量，以切削力瞬態(tài)分量的穩(wěn)定性來(lái)判斷切削過(guò)程是否穩(wěn)定。以 該建模方法獲取的穩(wěn)定性以及基于此穩(wěn)定性進(jìn)行的參數(shù)優(yōu)化在剛性大的工件切削過(guò)程有 較好的預(yù)報(bào)結(jié)果，但是在柔性結(jié)構(gòu)加工過(guò)程中往往誤差較大，究其原因是由于柔性結(jié)構(gòu)零 件由于其結(jié)構(gòu)剛度較低，在切削過(guò)程中振動(dòng)較大，振動(dòng)位移大大改變實(shí)際刀刃的切入切出 角，從而無(wú)法對(duì)真實(shí)的工況進(jìn)行準(zhǔn)確地建模，因此獲得的穩(wěn)定性以及工藝參數(shù)不是真實(shí)的 優(yōu)化值，可能導(dǎo)致高幅值振動(dòng)乃至顫振，難以實(shí)現(xiàn)柔性結(jié)構(gòu)零件的高效、精密加工。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種柔性結(jié)構(gòu)件銑削加工的工藝參數(shù)優(yōu)化方法，其 能在保證柔性結(jié)構(gòu)件加工穩(wěn)定性的同時(shí)保證加工精度，從而實(shí)現(xiàn)柔性結(jié)構(gòu)件的精密、高效 加工。
[0005] -種柔性結(jié)構(gòu)件銑削加工的工藝參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于：首先搭建一套柔性 工件加工實(shí)驗(yàn)裝置，將工件安裝于所述柔性工件加工實(shí)驗(yàn)裝置從而形成一個(gè)柔性工件系 統(tǒng)，然后按以下步驟進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化： (1) 獲取所述柔性工件系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，所述模態(tài)參數(shù)包括模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)阻尼和模態(tài) 頻率； (2) 根據(jù)所述柔性工件系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，進(jìn)行切削動(dòng)力學(xué)建模，建立刀具幾何參數(shù)、所 述柔性工件系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)、機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、工件的振動(dòng)位移對(duì)瞬時(shí)切厚、切入切出角以及 切削力的函數(shù)關(guān)系； (3) 利用時(shí)域數(shù)值方法獲取銑刀所述切削柔性工件系統(tǒng)的穩(wěn)定域邊界：根據(jù)所述步驟 (2)確定的函數(shù)關(guān)系，基于時(shí)域數(shù)值仿真和數(shù)值積分法來(lái)綜合求解，并以穩(wěn)態(tài)振動(dòng)位移與設(shè) 定值比較為判穩(wěn)條件，求解銑削穩(wěn)定域的邊界； (4) 采用所述柔性工件加工實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行切削試驗(yàn)對(duì)所述切削動(dòng)力學(xué)建模進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn) 證； (5) 以機(jī)床主軸切削材料去除率最大化和工件振動(dòng)最小化為優(yōu)化目標(biāo)，以所述穩(wěn)定域 邊界為約束條件，建立柔性結(jié)構(gòu)件銑削參數(shù)優(yōu)化模型，通過(guò)非線性優(yōu)化算法來(lái)獲得優(yōu)化后 的機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速和切深。
[0006] 其進(jìn)一步特征在于： 所述柔性工件加工實(shí)驗(yàn)裝置包括一雙板支承的柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)以及與信號(hào)采集工控機(jī) 相連的非接觸加工位移傳感系統(tǒng)； 所述獲取所述柔性工件系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)的具體過(guò)程為，以脈沖實(shí)驗(yàn)力作為激勵(lì)輸入信 號(hào)，以粘貼在工件上的加速度信號(hào)為振動(dòng)輸出，通過(guò)傳統(tǒng)函數(shù)計(jì)算獲取所述柔性工件的所 述模態(tài)參數(shù)； 所述步驟（3)的具體過(guò)程為，采用時(shí)域數(shù)值方法對(duì)所述柔性工件系統(tǒng)響應(yīng)進(jìn)行輸出仿 真，首先將整個(gè)輸出時(shí)間段進(jìn)行離散化，在單個(gè)時(shí)間步內(nèi)進(jìn)行計(jì)算和位移、切入切出邊界的 更新，將輸出的穩(wěn)態(tài)位移和設(shè)定值作對(duì)比，當(dāng)仿真輸出值大于設(shè)定值時(shí)認(rèn)為所述柔性工件 系統(tǒng)不穩(wěn)定，當(dāng)仿真輸出值小于設(shè)定值時(shí)認(rèn)為所述柔性工件系統(tǒng)穩(wěn)定，以此來(lái)獲得整個(gè)轉(zhuǎn) 速-切深參數(shù)平面內(nèi)的穩(wěn)定域； 所述單個(gè)時(shí)間步進(jìn)行計(jì)算和位移、切入切出邊界的更新流程為：依次進(jìn)行切厚計(jì)算、切 削力計(jì)算、振動(dòng)位移計(jì)算、切入切出邊界計(jì)算以及開(kāi)關(guān)函數(shù)計(jì)算，所述開(kāi)關(guān)函數(shù)計(jì)算結(jié)果返 回至所述切削計(jì)算進(jìn)行循環(huán)迭代計(jì)算，所述每一次振動(dòng)位移計(jì)算輸出后對(duì)位移、切入切出 邊界進(jìn)行更新； 所述步驟（4)的具體過(guò)程為，利用激光位移傳感器對(duì)所述柔性工件的位移信息和主軸 轉(zhuǎn)速進(jìn)行同步采集，獲取真實(shí)轉(zhuǎn)速下的工件振動(dòng)位移；對(duì)所述工件位移采用相圖法進(jìn)行判 穩(wěn)分析，當(dāng)位移相圖為點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)判為穩(wěn)定，當(dāng)位移相圖為極限環(huán)時(shí)系統(tǒng)判為不穩(wěn)定。
[0007] 由于本發(fā)明中考慮了柔性結(jié)構(gòu)零件切削振動(dòng)位移對(duì)切入切出角變化的影響，更加 符合真實(shí)的工況，提高了柔性結(jié)構(gòu)件加工穩(wěn)定性預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性；本發(fā)明以工件的振動(dòng)位移 幅值的大小來(lái)判穩(wěn)，符合實(shí)際工況可操作性條件，對(duì)于切削顫振實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有很大的便捷 性。利用本發(fā)明所提的方法，不僅可保證柔性結(jié)構(gòu)零件加工過(guò)程的穩(wěn)定性，還能保證零件加 工過(guò)程中具有較小的絕對(duì)振幅，即具有較高的加工精度。在同時(shí)滿足加工穩(wěn)定性和加工精 度的參數(shù)范圍內(nèi)對(duì)主軸轉(zhuǎn)速和工件振動(dòng)最小化進(jìn)行優(yōu)化選取，可保證柔性結(jié)構(gòu)零件的無(wú)顫 振高效精密加工。
【附圖說(shuō)明】
[0008] 圖1為本發(fā)明中柔性工件加工實(shí)驗(yàn)裝置示意圖； 圖2-1為本發(fā)明實(shí)施例中柔性工件系統(tǒng)的頻響函數(shù)圖； 圖2-2為本發(fā)明實(shí)施例中刀具系統(tǒng)的頻響函數(shù)圖； 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中切入角隨工件位移振動(dòng)的變化示意圖； 圖4為本發(fā)明實(shí)施例的單個(gè)時(shí)間步的時(shí)域計(jì)算輸出仿真流程示意圖； 圖5為本發(fā)明實(shí)施例的柔性結(jié)構(gòu)件銑削穩(wěn)定域與實(shí)測(cè)對(duì)比圖； 圖6-1為本發(fā)明實(shí)施例中失穩(wěn)點(diǎn)的位移和相圖； 圖6-2為本發(fā)明實(shí)施例中穩(wěn)定點(diǎn)參數(shù)點(diǎn)處的位移和相圖