超硬材料刀片加工用纳秒激光磨床设计与分析

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超硬刀具广泛用于航空航天、汽车能源、国防兵器等领域,主要用于难加工材料的切削加工。传统的金属切削机床在加工超硬刀具时显得有些力不从心,从而导致超硬刀具在产能上难以满足航空航天、汽车能源等行业的需求,研发面向超硬材料刀具高效加工的新型机床已迫在眉睫。为此,本课题以实现PCD刀片的高精高效激光粗加工为总体目标,完成多轴联动数控激光加工磨床的研制,并实现商业应用。本论文的主要研究内容如下:(1)提出了一种激光机床运动学模型。首先,运用齐次坐标变换原理推导出了BC转台结构形式的激光机床坐标变换,并提出了对最优角的选取和奇异点的处理方法;其次,基于建立的运动学正反模型分析了该机床的行程范围和激光束工作空间;然后,在此基础上完成机床机械结构设计和关键零部件选型;最后,通过多种方式开发了后处理器软件并结合VERICUT的虚拟机床加工验证了坐标变换模型的准确性。(2)在ANSYS中对激光机床的静动态特性能进行了仿真研究。首先,考虑实际工作情况,对网格的划分、力与约束的施加进行适当处理。其次,从单个零部件性能和整体主机性能两个方面的静态变形与固有模态频率进行仿真分析。仿真结果证实了所设计的机床结构具有良好的静动态性能。(3)提出了上位机+下位机的数控控制系统结构,确保了数据处理和加工的实时性,并划分了模块功能,研究其控制原理与算法,开发了一套面向激光加工的数控系统。基于QT上位机实现了人机界面控制、数控译码和前瞻速度规划功能,基于TwinCAT3下位机实现了多轴+激光的协同控制、插补器和补偿器功能,提高了激光加工效率。(4)完成了硬件平台的搭建,进行了PCD刀片加工实验。首先,对搭建好的机床平台进行调试,保证控制正常。其次,通过对PCD复合刀片的粗加工加工实验,验证了自主研制的纳秒激光磨床的可行性和有效性。
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