重型多轴数控机床动力学特征剖析与大型复杂曲面零件自适应加工[资料].pdfVIP

9.代表性成果—重型多轴数控机床动力学特性分析与大型复杂曲面零件自适应加工

基础类或是否

代表性研究成果名称

应用基础类或基础性类必威体育官网网址

重型多轴数控机床动力学特性分析与大型复杂曲

应用基础类是

面零件自适应加工

主要内容：

随着能源、运载、国防等领域的快速发展，我国对制造大型、薄壁、复杂曲面零件的重型数控机床的需求越

来越迫切，而此时，机床的动力学特性已成为影响重型数控机床性能指标和大型复杂曲面零件加工质量的关

键因素。本研究针对重型多轴数控机床的动力学建模与特性分析、大型复杂曲面零件动态工况自适应加工等

的基础科学问题展开，主要研究成果如下：

1、数控装备动态力热特性机理分析数字建模与仿真：将影响固定结合部动力学特性的因素分为可值化属性

和不可值化属性，基于可值化属性，推导了考虑压力不均匀性和自由度耦合作用的结合部有限单元模型，制

定了模型参数快速辨识实验方法；在MSC.NASTRAN软件上自主开发了实验模型和理论模型相结合的动力

学建模功能模块，建立了七轴五连动车铣复合加工机床的有限元模型，并进行了模态分析；建立了滚珠丝杠

热弹性效应的理论模型，分析了热源作用下的热动态响应，提出了热动态特性辨识方法。

2、数控装备动态特性的参数辨识与性能演化规律：提出采用禁忌特征选择算法从时域、频域、小波、分形

与混沌等特征参数中构建最优特征集的方法；提出基于改进的Morlet小波变换的模态参数辩识方法，提高了

中高频且频率间隔较小的机械系统的时域分辨率；针对重型机床，提出了利用运动部件的可控性激起机床结

构振动的“自激励”激振方法以及基于响应信号的结构模态参数提取方法。

3、基于数控装备动态特性的智能控制：分析了传动部件结构变形动力学行为对控制的影响，提出了基于陷

波滤波补偿的宽带控制方法；提出了基于切削扭矩实时测量的自适应加工控制策略，开发了自适应加工控制

器，并在水轮机叶片及大型船用螺旋桨的长时间动态工况条件下进行了实验验证。

4、基于多轴数控机床动态特性的加工规划与控制：从建立多轴机床刀具加工系统刚度模型出发，提出了有

效工作空间中的综合刚度评价指标，建立了基于面向任务物理约束的刀具位姿求解模型；建立了插补的几何

及物理混合约束条件，实现基于动力学特性的高速高精前瞻插补算法；推导了运动轨迹空间轮廓误差的几何

模型，建立了基于神经网络的轮廓补偿控制策略。

5、在基础研究的基础上，针对重型七轴五联动车铣复合机床（图7所示），建立了整体动力学模型，预测到

了结合部结构的两个较低阶的模态（图8所示）；研究开发了具有大型复杂曲面零件在线测量功能的七轴五联

动车铣复合加工数控系统（图9所示）；构建了基于上下位机的动态工况自适应加工控制系统（图10所示）；

开发了基于“数控机床＋专用软件＋测头”结构的大型复杂曲面在线测量与质量评估系统（图11所示）；提出

了螺旋桨的快速建模方法，开发了大型舰船用螺旋桨加工轨迹优化技术，研究了螺旋桨五坐标数控加工中的

全局干涉问题，实现了大型舰船用螺旋桨的多轴数控加工（图12所示）。

图7七轴五联动车铣复合机床

图8机床的一阶振型，横梁前后摆动

图9动态工况下的自适用加工控制器

图10七轴五联动车铣复合数控系统界面

图11大型船用螺旋桨在线测量现场

图12大型船用螺旋桨多轴加工现场

科学创新：

1、提出的基于结合部有限单元参数化动力学模型的实验模型和理论模型相结合重型机床动力学建模方法可

以大大提高重型机床的动力学建模精度，为重型机床结合部的优化设计与特性分析提供理论依据和技术手

段，并且可以为重型机床的智能控制提供精确的动力学模型与参数快速辨识方法。

2、提出的基于多轴数控机床刚度特性综合评价指标及面向任务的大型复杂曲面多轴加工优化方法和基于切

削扭矩的自适应加工控制器，可以大大提高大型复杂曲面动态工况下的加工效率，实现基于几何及物理的加

工优化，为大型复杂曲面的高效、高精加工提供理论依据和技术手段。

3、开发出的基于“数控机床＋专用软件＋测头”结构的大型复杂曲面在线测量与质量评估系统，功能完备，

操作简单，提高了叶片类零件加工测量和质量评估的效率和精度。总之，通过本研究，将为我国重型机床的

研制、大型复杂曲面的