五轴小孔电火花高速加工机床运动学反解

【作者】 张敏； 秦岭； 奚学程； 张亚欧； 赵万生；

【机构】 上海交通大学机械与动力工程学院机械系统与振动国家重点实验室；

【摘要】 航空发动机涡轮叶片气膜冷却孔、燃烧室壁板气膜冷却孔、玻璃瓶模具出气孔等众多具有不同空间位姿的小孔需要采用小孔高速电火花加工方法进行加工。由于孔的数量多,且位姿变化大,采用普通三轴机床配合工装夹具的方式已经无法满足加工需要,必须采用具有五轴联动数控的小孔电火花高速加工机床来完成。小孔电火花高速加工方法是利用旋转的管状中空电极实现高压内冲液,利用电极与工件之间的放电所产生的高温实现快速打孔加工的。采用五轴机床可以实现更为复杂的空间运动,还可灵活解决刀具干涉等问题,而运动学反解正是五轴加工中的一项关键技术。在小孔电火花高速加工过程中,刀尖点到轴位置相对于工件坐标系保持不变,以确保每个孔的位置及法向,这就需要进行运动学反解;再者,电极在加工过一个孔之后,不可避免的存在一定损耗,由此导致的坐标偏移量也要经过在线计算。但是,目前国内的小孔电火花高速加工机床并没有适用的运动学反解功能以及动态偏移量补偿功能。为此,借鉴机器人运动学原理,对五轴数控小孔电火花高速加工机床的机械构型、结构参数、运动学建模等进行了深入的探究,并在此基础上利用螺旋理论推导出刀尖点相对于工件坐标系的运动方程,进行运动学反解,给出特定加工状态下刀尖点的目标位姿,并获得各直线轴和回转轴的坐标运动分量,补偿坐标的动态偏移量,从而有效地控制机床的多轴协调动作。针对一种典型五轴小孔电火花高速加工机床——摇篮式回转工作台,建立机床抽象化结构模型,由空间三坐标系以及两侧串行运动链,利用齐次坐标表示法推导出坐标系的正向运动学公式,得到空间任意位姿下刀尖点关于A、C转角及轴向位移的矩阵坐标公式,等于给定的坐标值,进而推导出运动学正反解公式。仿真验证的思路是在建模软件中建立机床模型,通过遍历一定数目的机床姿态,比较仿真轴的位移与理论计算值;利用约束驱动模块,设置任意的转角曲线,生成不同的加工运动轨迹,观察刀尖点一直在工件坐标系的预设点,从而验证摇篮式五轴小孔电火花高速加工机床运动学反解公式的正确性。保证在小孔电火花高速加工过程中,刀尖点于工件坐标系中位姿一定,避免旋转轴转动及电极损耗影响,提供了加工精度和动态特性。更多还原