基于宽行加工非连续刀轴矢量规划理论和方法研究

五轴机床价格昂贵，刚性低于三轴机床，且进给速度因受到数控转台加速度的限制而难以提高。为了获得三轴机床和五轴机床的技术经济优势，国外学者提出了一种3 1/2 1/2轴加工方式。针对3 1/2 1/2轴机床的编程方法只解决了刀轨生成问题，而刀轨整体优化和曲面分区方法还不完善。本项目主要致力于研究将宽行加工从五轴加工拓展到3 1/2 1/2轴加工的基本原理和技术方法，通过建立曲面宽行分区加工的优化模型、单张曲边曲面片宽行加工刀位优化和刀轨规划的数学模型，最终建立3 1/2 1/2轴宽行加工的基本理论和方法体系。本研究充分利用三轴机床的高刚性、五轴机床的高柔性和宽行加工技术的高效率等优势构造出一种高刚性的机床结构和高效率的加工方式，并且拟研制一种全新式、低成本、两自由度可倾工作台，其重要特性在于具有双球面全接触高刚性导轨，可实现工件姿态的连续或间歇调整，大幅提高3 1/2 1/2轴机床的刚性。

针对3(1/2)(1/2)轴数控机床的结构特点，本项目研究建立了3(1/2)(1/2)轴宽行加工的基本理论和方法体系。在复杂曲面分区划分方面，提出了一种基于法矢方向锥的二叉空间分割方法。在宽行加工理论研究方面，建立单张曲面整体刀位优化和刀轨规划的数学模型，提出一种基于投影面的刀轴矢量优化算法；推导出五轴数控机床回转轴角度和刀位优化变量之间的关系方程，提出一种基于机床运动约束球头刀多轴加工复杂曲面刀轨生成方法和基于机床运动约束环形刀多轴加工复杂曲面刀轨生成方法；研究多轴数控加工中刀具长度和半径补偿的基本原理，提出一种基于后置处理的五轴刀具补偿方法；研究多轴数控加工刀具类型的选择和尺寸优化，提出一种适用于鼓形刀具多轴数控加工复杂曲面几何尺寸的确定原则；为了降低加工过程中切削力剧烈变化，提出一种通过调整刀位来减少加工带宽大幅波动的方法。此外，本项目研制出一种新型、低成本、高刚性和两自由度的双球面可倾工作台，通过将该工作台安装到三轴数控机床上来构建3(1/2)(1/2)轴数控机床。本项目的研究工作能够大幅提高3(1/2)(1/2)轴数控机床的曲面加工质量和加工效率。