随着近年来国内电力和航空工业的迅速发展,航空发动机、汽轮机、燃汽轮机、压气机等设备的使用量急剧增加。作为这些设备的关键部件,叶片的市场需求量也随之大大增加。叶片具有种类多、数量大、曲面复杂、加工难度大等特点,它的加工质量对整机性能与寿命的影响举足轻重。目前叶片加工常采用铸造或精锻、数控铣削加工、后续抛光修整相结合的方法来实现。叶片的后续抛光精整加工主要用于去除铣削加工在叶片表面残留的刀痕,修正表面形状精度,提高表面质量。目前国内叶片的精整加工仍主要靠技术工人的手工操作完成,不仅加工效率低、加工精度难以保证,而且工人的工作环境恶劣,身体健康受到严重影响,叶片专用精整加工机床欠缺已成为制约行业发展的瓶颈。为此本文致力于开发一种具有曲面适应性的叶片混联抛磨机床,以提高叶片精整加工的质量和效率。在对国内外叶片精整加工机床及加工方法进行调查研究的基础上,本文以吉林省科技发展计划重点项目为依托,围绕叶片等复杂曲面加工的关键技术体系,以开发叶片类零件精整加工机床为研究目的,给出了一种通过仿生学原理设计曲面精整加工机床的新思路,并创新性地提出了一种新型叶片混联抛磨机床构型。本文围绕叶片抛磨加工机床开发的关键技术问题,从机床结构设计、加工机理、面向叶片加工过程的机床运动学求解算法与仿真验证、机床动力学分析以及控制系统开发等方面开展了一系列创新性的工作。本文根据叶片曲面的加工要求,对叶片加工所需的基本自由度进行分析与组合,在对组合出的各种机床构型进行对比研究的基础上,选择了4-1式机床构型,即在工件侧采用翻转夹具、并联机构及单方向移动机构构成的混联构型组合提供四个运动自由度,工具侧提供一个单方向移动自由度。本文依据该创新性构思设计了叶片混联抛磨机床的结构。该机床的工作台部分采用了三杆并联机构,叶片通过可翻转夹具被夹持于其上。抛磨过程中,并联机构模仿人的手工抛磨运动,实时调整叶片的加工位姿,使叶片上当前加工点与抛磨工具接触,同时使叶片上当前加工点的法向量与抛磨工具的主支撑方向一致。根据压力传感器检测到的抛磨压力调整并联机构的运动,从而达到抛磨过程中压力调节的目的。X向及Y向移动机构与并联机构相串联,实现叶片曲面上不同部位的抛磨加工。该混联构型拓展了机床的工作空间,弥补了并联工作台工作空间小的不足。借助仿人加工运动及抛磨工具的弹性接触磨削特性,有效的弥补了并联机构在工作空间内不同位置刚度变化大的问题。为适应被加工叶片曲面的曲率变化,本机床的抛磨工具系统采用窄砂带,利用横向行距法抛磨叶片曲面。本文提出了具有曲面适应性的砂带抛磨工具系统这一全新技术方案,方案中创新性地采用了十字旋转换轮机构,在加工过程中通过更换不同的接触轮来适应叶片曲面曲率的变化。论文中对砂带磨削与抛光机理进行了理论研究,结合文献中大量的抛磨工艺实验数据,对砂带抛磨工艺参数与最终加工表面质量之间的关联性进行了分析。由于机床刚度是影响机床的工作空间、承载能力和驱动负载能力等性能的重要指标之一,因此论文中通过建立3RPS并联机构的静刚度模型,对机构静刚度特性进行了研究,为提高机床的整体性能、保证零件的加工精度奠定基础。叶片的汽道部分为光滑的空间曲面,对加工精度的要求高,且加工时工具与工件之间容易产生干涉,加工难度较大。为了高质量、高效率的对叶片表面进行抛磨加工,本文提出了面向叶片加工过程的混联抛磨机床的运动学逆解算法。建立了机床的运动学逆解模型,按照给定的加工方式在叶片上规划加工路径,并以规划后的加工路径曲线为输入,通过计算得出机床各轴的加工运动规律。论文中还对该叶片混联抛磨机床的运动学逆解算法进行了仿真验证。精整加工机床的结构抗振性和加工稳定性是影响工件加工质量和加工效率的重要指标之一。机床动力学分析是改善系统性能的关键。本文建立了基于笛卡尔坐标的机床动力学模型,分析了机床系统的铰链约束反力与运动参数之间的数学关系,并对叶片加工过程中磨削加工力、机床加减速运动以及叶片曲面曲率变化对支杆受力的影响进行了仿真分析。分析表明,机床的动力学性能满足叶片曲面的加工要求。本文根据机床的构型特点,基于模块化思想开发了叶片混联抛磨机床的控制系统。该控制系统由运动控制系统和抛磨加工控制系统两部分构成。运动控制系统由上位PC机、Turbo PMAC2多轴运动控制卡、接口板及交流伺服电机、伺服驱动器组成,负责控制叶片混联抛磨机床按照规划的路径加工。通过将PMAC2同时与多个交流伺服电机相连,实现混联运动机床的多轴联动控制。抛磨加工控制系统用于控制抛磨工具以实现对砂带接触轮的选择换位。本文所开发的叶片混联抛磨机床中抛磨工具与叶片之间的相对运动轨迹需通过各并联支杆的协调运动以及与串联运动之间的配合来实现。路径规划在笛卡尔空间进行,而控制需在关节空间进行,两者之间为非线性的映射关系。为此本机床采用基于笛卡尔空间的粗插补和基于关节空间的精插补相结合的双插补策略。本文分析了影响叶片抛磨机床精度的主要因素,推导了3RPS并联机构杆长误差与动平台中心运动误差之间的关系。分析表明,叶片混联抛磨机床中各并联支杆的杆长驱动误差是影响并联机构运动误差的主要因素,进而会影响到加工过程中叶片姿态调整的精度,因而保证各支杆的单轴控制精度对提高整个系统的控制精度有重要意义。本文建立了单个支杆的控制系统数学模型,利用PID算法对该支杆进行了运动控制仿真与实验研究。论文研究工作表明,本文所开发的机床构型实用、合理,能够实现叶片复杂曲面抛磨加工的自动化,具有显著提高抛磨加工效率和加工质量的潜力。论文的研究工作为解决当前叶片精整加工中存在的生产瓶颈问题,提高叶片最终加工的质量和加工效率提供了一种新的技术解决方案和实现途径。