复杂曲面类零件,如燃气轮机转子、发动机叶片、螺旋桨、模具等,在航空航天、能源、交通运输等领域起着关键性作用。其曲面一般根据流体动力学特性进行设计,形状较为复杂,需要采用多轴数控加工技术进行加工。刀具轨迹规划是多轴加工的关键环节,不合理的刀具轨迹将导致刀轴突变、干涉碰撞等问题,使曲面的加工精度和加工效率降低。针对上述问题,许多学者从几何特性、运动学特性和动力学特性等方面进行了研究,几何特性主要考虑提高加工精度、避免干涉碰撞、增大切削带宽等;运动和动力特性主要考虑光顺刀具路径、减小切削力和扭矩突变等。其中,大多数刀轴矢量优化方法都是基于工件坐标系,没有考虑机床驱动轴运动的光顺性。本文以复杂曲面零件五轴数控铣削为应用背景,综合考虑了几何特性中的避免干涉碰撞,和机床驱动轴的运动动力特性,提出了一种无碰撞,且可提高机床旋转轴运动光顺性的刀轴优化方法。该方法包括基于驱动约束的角加速度最小化方法和基于样条应变能的曲线光顺方法。角加速度最小化是根据已确定的特殊刀触点处刀轴矢量,求出一般位置处刀轴矢量的一种刀轴光顺方法。首先对于工件坐标系下的初始刀轴矢量,根据逆向运动学变换求出机床旋转轴转角,再根据几何特性和旋转轴角速度突变情况,确定出代表性刀轴矢量及其可行空间,之后以旋转角的角加速度平方和最小为目标,求出一般刀触点处的旋转角;然后采用基于样条应变能的光顺方法,将代表性刀轴矢量在其可行域内调整,以旋转角曲线的应变能最小为目标,对旋转角进行二次优化。最终将优化后的旋转角变换为刀轴矢量,获得无碰撞且光顺的刀具路径。为验证本优化方法的有效性,本文根据发动机叶片这一典型复杂曲面类零件,构建了一个双叶片模型,对其初始刀具路径进行优化。仿真结果显示叶片前后缘处刀轴突变情况得到明显改善,旋转轴转角的角速度、角加速度最大值大幅降低,使旋转轴的运动学性能和动力学性能得到提高。然后利用DMU 50五轴数控加工中心进行实际加工实验,结果显示本方法可以提高叶片前后缘处的实际进给率,从而使加工时间缩短了13.5%。而且由于刀具路径的光顺性得到改善,使叶缘处的表面质量也提高了31.6%,该结果证明了本方法的正确性和高效性。综上所述,本论文针对复杂曲面五轴数控加工的刀轴优化,提供了一种较为全面的优化方法,具有一定的理论价值和实际应用价值。