(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111316259.3 (22)申请日 2021.11.08 (71)申请人 西安交通大 学 地址 710049 陕西省西安市咸宁西路28号 (72)发明人 张星　赵万华　 (74)专利代理 机构 西安通大专利代理有限责任 公司 6120 0 代理人 张宇鸽 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/20(2020.01) B23Q 5/22(2006.01) B23Q 5/28(2006.01) B23Q 5/40(2006.01) G06F 111/10(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 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 (57)摘要 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。 权利要求书1页 说明书14页 附图7页 CN 113946922 A 2022.01.18 CN 113946922 A 1.一种五轴联动铣削过程的动力学集成建模方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1， 采用集中参数法建立机 械传动系统的等效多阶动力学模型； S2， 根据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， 根据数控指令序列， 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； S3， 计算复杂空间运动轨迹下， 刀具和工件在铣削力动态激励作用下的振动位移响应 模型； S4， 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。 2.根据权利要求1所述的一种五轴联动 铣削过程的动力学集成建模方法， 其特征在于， 机械传动系统包括滚珠丝杠、 蜗轮蜗杆和直线电机三种类型。 3.根据权利要求2所述的一种五轴联动 铣削过程的动力学集成建模方法， 其特征在于， 将单轴滚珠丝杠机械传动系统或蜗轮蜗杆机械传动系统等效为5个集中质量和8个 自由度 的动力学系统， 根据单轴滚珠丝杠机械传动系统或蜗 轮蜗杆机械传动系统的动力学系统分 别计算各自的动能、 势能和耗能， 采用机械传动系统的拉格朗日方程结合 获取的动能、 势能 和耗能即可 得到， 单轴滚珠丝杠机 械传动系统、 蜗轮蜗杆机 械传动系统的等效动力学模型。 4.根据权利要求2所述的一种五轴联动 铣削过程的动力学集成建模方法， 其特征在于， 将直线电机杆机械传动系统等效为1个集中质量和沿进给方向的平移自由度的动力学系 统， 计算该动力学系统的动能、 势能和耗能， 将获取的动能、 势能和耗能代入机械传动系统 的拉格朗日方程即可 得到直线电机杆机 械传动系统的等效动力学模型。 5.根据权利要求1所述的一种五轴联动 铣削过程的动力学集成建模方法， 其特征在于， 根据机械传动系统的等效多阶动力学模型， 获取机械传动系统的频响矩阵， 然后根据转子 力矩输入和转子位移输出的传递 函数建立整个闭环控制系统的传递 函数。 6.根据权利要求5所述的一种五轴联动 铣削过程的动力学集成建模方法， 其特征在于， 将整个闭环控制系统的传递函数根据状态空间理论调整为状态方程在离散时间域内进行 求解， 逐步计算所有离散时间， 即可获得输入离散位置指令下的工作台单轴进给运动位移 响应。 7.根据权利要求6所述的一种五轴联动 铣削过程的动力学集成建模方法， 其特征在于， 将各轴位移和速度插补指 令输入各自运动控制模型， 根据单轴进给运动位移响应计算方法 可得到五轴机床刀具和工件的进给运动位移响应模型。 8.根据权利要求1所述的一种五轴联动 铣削过程的动力学集成建模方法， 其特征在于， 刀具和工件在铣削力动态激励作用下的振动位移响应模型表征参数包括刀具和工件的几 何啮合过程表征和刀具和工件的动态 物理啮合过程表征。 9.根据权利要求8所述的一种五轴联动 铣削过程的动力学集成建模方法， 其特征在于， 用于刀具和工件的几何啮合过程表征参数包括刀具和工件啮合区瞬时切削层厚度、 刀齿切 入/切出角和铣削力。 10.一种用于权利要求1所述五轴联动 铣削过程动力学集成建模的加工精度预测方法， 其特征在于， 利用动力学集成模型进行零件加工， 获取零件加工表面参数与设计面之间的 法向误差， 即可完成五轴联动铣削加工精度预测。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 113946922 A 2一种五轴联动铣削过 程的动力学集成建模和加工精度预测 方法 技术领域 [0001]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 [0002]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。 [0003]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 。 [0004]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。说　明　书 1/14 页 3 CN 113946922 A 3