非圆内曲面精密加工新方法与控制技术研究

The non-circular internal curve is playing a more and more important role in improving the part quality. But it is always a difficult problem for this kind of curve to be precisely machined. This project will present a new method to machine the non-circular internal curve. That is to directly realize the cutter point locus required by this kind of curve by controlling the hydrostatic spindle without any additional actuating mechanism. The main research contents are: Research on the motion forming principle to meet the need of the expected cutter point locus. Research on the dynamic modelling and characteristics of the hydrostatic bearing-spindle system. Research on the control theory and method to form the expected cutter point locus based on the hydrostatic bearing-spindle system. Research on matching the features of spindle center locus with the expected cutter point locus. Research on the control sensitivity and time lag characteristc of oil film and system. Research on the calculation, forming, control strategy and algolithm of the cutter point locus. Research on the law of the effect of cutting force and disturbance load on the expected cutter point locus. Carry out the experimental research of the noncircular cutter point locus on the test-bed. Research on the optimal implementation plan and key technology based on this new principle of noncircular curve machining. The realization of this project will develop a new way for the machining of the noncircular internal curve. So it will have important theoretical significance and broad application prospect.

非圆异形内曲面对提高零件品质的作用日益突出，而对这类曲面的精密加工,一直是制造领域长期存在的技术难题。本项目利用不附加任何执行机构的静压镗轴，通过控制直接实现非圆内曲面所要求的刀尖轨迹。提出了利用简单（圆、直线）轴心轨迹与刀尖自转轨迹合成椭圆刀尖轨迹的新方法。研究刀尖轨迹运动成形机理及与轴心轨迹的匹配特性；研究静压镗轴系统的动力学建模与动态特性；研究轴心轨迹的测量方法与控制策略；研究基于静压镗轴的期望刀尖轨迹的控制理论与实现方法；研究控制灵敏度和时滞特性；研究切削力、干扰载荷对期望刀尖轨迹的影响。研究基于新方法的椭圆内曲面精密加工的最佳实施方案和关键技术；开展椭圆刀尖轨迹及变椭圆内曲面成形的控制试验研究。本项目的完成将为非圆内曲面的精密加工开辟新途径，具有重要理论意义和应用前景。

提出了基于轴心公转和刀具绕轴心自转运合成椭圆刀尖轨迹的成形原理和直接控制回转镗轴，获得变椭圆内曲面所要求的椭圆刀尖轨迹的新方法。完成的主要工作如下：。.（1）刀尖运动轨迹成形机理及与轴心轨迹的匹配特性.研究了多种轴心公转轨迹与刀尖自转轨迹进行合成时形成椭圆刀尖轨迹的必要与充分条件及刀具初始相位角对形成椭圆刀尖轨迹的影响。给出了多种轴心公转轨迹和不同刀具初始相位角下所形成椭圆刀尖轨迹的特征和控制方程。为控制实现提出了多种解决方案。.（2）静压镗轴系统的动力学建模与动态特性.建立了主轴-轴承系统静动态特性计算模型，研究了多种结构静压轴承的静动态特性；提出了一种计算静压轴承静态特性的新方法。.提出了压电型单面薄膜节流器。研究了薄膜的变形解析计算方法。优化了结构参数。研究了节流阀结构参数对压电陶瓷的位移和推力的影响。.提出了压电型薄膜平移式双面节流阀。建立了包含压电陶瓷的节流阀动力学模型，研究了压电陶瓷和节流系统的动态特性和控制特性。.（3）期望刀尖轨迹的控制理论与实现方法.提出了压电型伺服薄膜节流阀控制方法，研制出压电型单面薄膜节流和双面薄膜节流两种新型控制装置， .利用压电型薄膜式差动节流阀的差动效应，使节流阀的两个出油口分别连接静压轴承的对置油腔以期实现期望轴心轨迹，分析得到了期望轴心轨迹与压电陶瓷位移之间的关系。.研究了可实时纠正轨迹偏离的闭环控制方法和策略。利用重复控制算法对刀尖运动轨迹进行了闭环控制仿真研究。.（4）控制实现装置开发与实验研究.开发出一种适合椭圆轨迹控制实现的新型静压轴承，建立了静压主轴控制试验台，攻克了设计制造中的关键技术。.提出了高性能压电陶瓷驱动控制方案，研制出高频响、大功率压电陶瓷控制电源，提出了新型电源的应用规范。.完成了压电陶瓷伺服节流阀控制特性实验研究，给出了流量压力控制特性。.开展了主轴轴心轨迹都的控制实验，证明了方法和装置的可行性。.本项目提出的新原理、新方法和取得的研究成果对非圆内曲面的精密加工具有重要应用价值和前景