復(fù)雜曲面數(shù)控加工誤差研究

1、    復(fù)雜曲面數(shù)控加工誤差研究    摘要：復(fù)雜曲面數(shù)控加工中存在的誤差，降低了數(shù)控加工的精度。導(dǎo)致加工誤差產(chǎn)生的原因較多，如加工刀具的幾何誤差、工藝系統(tǒng)的制造誤差、熱力變形誤差等。復(fù)雜曲面數(shù)控加工誤差主要包括刀軸轉(zhuǎn)動誤差和直線逼近誤差?？刂苹蜓a償這些誤差，能夠有效地提高復(fù)雜曲面數(shù)控加工的質(zhì)量。關(guān)鍵詞：復(fù)雜曲面；數(shù)控加工；誤差補償；三軸數(shù)控：tg659 ：a ：1009-2374（2013）13-0027-02近年來，復(fù)雜曲面在模具、汽車、宇航等行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛。隨著工業(yè)技術(shù)的日新月異，工業(yè)生產(chǎn)對復(fù)雜曲面的尺寸精度與復(fù)雜形狀零件的質(zhì)量要求越來越高，

2、對數(shù)控加工的要求也越來越高。通常情況下，復(fù)雜曲面的加工均需要采用數(shù)控加工技術(shù)，以確保加工的精度與效率。影響復(fù)雜曲面數(shù)控加工精度的因素較多，如刀具材料、cnc機床、曲面模型、曲面加工方法等。在實際的復(fù)雜曲面數(shù)控加工中，刀具的理論運動軌跡和插補運動軌跡之間會存在著一些誤差，從而造成理論曲面和實際加工曲面之間誤差的產(chǎn)生。在控制不嚴格的情況下，甚至會產(chǎn)生較大的復(fù)雜曲面數(shù)控加工誤差，嚴重降低了數(shù)控加工的效率。1 數(shù)控加工分析目前，復(fù)雜曲線的加工大多采用五坐標聯(lián)動數(shù)控加工、三坐標聯(lián)動數(shù)控加工的方法。雖然數(shù)控機床的精密度較高，但是也不可避免地存在著一定的加工誤差。分析研究數(shù)控加工誤差，是控制復(fù)雜曲面數(shù)控加工

3、質(zhì)量，提高數(shù)控加工效率的必然要求。數(shù)控加工通常采用的是端銑刀、環(huán)形刀與球形刀。復(fù)雜曲面的加工采用球形刀具時，由于被加工曲面和球面上任意一點之間有著相同的接觸效果，采用三軸聯(lián)動數(shù)控加工裝置就能夠完成復(fù)雜曲面加工。通常而言，球形刀具在三軸數(shù)控加工與五軸數(shù)控加工中均較為適用，而端銑刀具與環(huán)形刀具一般只適用于五軸數(shù)控加工，尤其是環(huán)形刀具，是經(jīng)常用的五軸數(shù)控加工刀具。由于現(xiàn)階段數(shù)控機床一般為直線插補運動，控制刀具在兩個相鄰刀位點之間走直線運動，使得零件表面的曲率度被忽略了，每一條刀具沿著軌跡進行切削時均會產(chǎn)生一定的誤差，即走刀運動誤差。以三軸數(shù)控復(fù)雜曲面加工為例，其在復(fù)雜凸曲面加工時，曲面和刀位之間產(chǎn)生

4、了一定的誤差，當用直線逼近曲面時，球形刀具的中心從p1處移至相鄰的p2處，刀具走了一個步長。在這個過程中，沿著插補直線方向，插補段l內(nèi)加工表面法向矢量的轉(zhuǎn)動角不斷變化，位于p1處的/2變化至插補中點0，在p2點為-/2，從而產(chǎn)生了法向矢量轉(zhuǎn)動誤差n。與此同時，直線向曲線逼近時也會產(chǎn)生一定的誤差1，所以總誤差等于n與1之和。而運用球形刀具加工凹曲面時，其總誤差等于1與n的差。2 復(fù)雜曲面數(shù)控加工誤差分析復(fù)雜曲面數(shù)控加工誤差產(chǎn)生的原因主要包括加工刀具的幾何誤差、加工曲面和加工刀具間的幾何運動誤差、工藝系統(tǒng)的制造誤差、熱力變形誤差以及編程計算誤差等。通常，復(fù)雜曲面數(shù)控加工誤差可以分為刀軸擺動誤差和直

5、線逼近誤差。在復(fù)雜曲面數(shù)控加工的過程中，產(chǎn)生誤差最大的部位是插補段的中點附近，此處的誤差主要由最大轉(zhuǎn)動誤差與最大直線逼近誤差構(gòu)成。轉(zhuǎn)動誤差指的是法向矢量轉(zhuǎn)動誤差，影響轉(zhuǎn)動誤差大小的因素主要有刀具半徑、加工步長經(jīng)過的曲面弧長、加工曲面的法曲率。直線逼近誤差主要受數(shù)控加工的復(fù)雜曲面形狀的影響，而和加工刀具沒有太大關(guān)聯(lián)?？偠灾?，刀具半徑、走刀線路、走刀步長、被加工曲面的幾何形狀以及多軸聯(lián)動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式等，是影響復(fù)雜曲面數(shù)控加工誤差的主要因素。在復(fù)雜曲面數(shù)控加工中，補插段內(nèi)的中點附近往往會產(chǎn)生最大的加工誤差。插補弦長直接決定著直線逼近誤差，如果要降低直線逼近誤差，就需要合理控制刀具進給速度和插補周

6、期。3 復(fù)雜曲面數(shù)控加工誤差控制3.1 刀軸轉(zhuǎn)動誤差補償如果復(fù)雜曲面數(shù)控加工過程中，加工表面沿著走刀方向是凸曲線的話，刀具切觸點的運行軌跡就是凹曲線。這種情況下會產(chǎn)生較大的加工誤差，刀軸轉(zhuǎn)動誤差和直線逼近誤差的和較大，若是采用刀具切觸點偏置法，就能夠在一定程度上補償?shù)遁S轉(zhuǎn)動誤差，進而降低總誤差。沿著加工表面外法向矢量方向，把刀具切觸點a移動至a'點，將a'點當作新的刀具切觸點，從而改變復(fù)雜曲面數(shù)控加工誤差的分布，實現(xiàn)復(fù)雜曲面數(shù)控加工誤差補償?shù)哪康?，詳細情況見圖2。如果復(fù)雜曲面數(shù)控加工的加工表面沿著走刀方向是凹曲線，直線逼近誤差1大于刀軸轉(zhuǎn)動誤差n時，將不會產(chǎn)生超差，因此不用進行

7、加工誤差補償。刀軸轉(zhuǎn)動誤差補償需要根據(jù)加工時的具體情況，采用恰當?shù)姆椒右钥刂啤?.2 直線逼近誤差控制在復(fù)雜曲面數(shù)控加工中，會存在直線向曲面逼近的情況，而只要存在這種情況，就會產(chǎn)生直線逼近誤差1，即插補運動會不可避免地產(chǎn)生直線逼近誤差1。通常情況下，只能降低或控制直線逼近誤差，而無法完全消除直線逼近誤差或補償直線逼近誤差。直線逼近誤差的控制方法主要包括插補弦長控制、插補周期控制以及刀具進給速度控制。首先，插補弦長控制。在復(fù)雜曲面數(shù)控加工的加工曲面保持不變時，插補段內(nèi)沿進給方向的法曲率就是一個定值。此時，影響直線逼近誤差的因素只有插補弦長，并且直線逼近誤差和插補弦長的平方成正比。因此，減少插補

8、弦長，就能夠在一定程度上降低復(fù)雜曲面數(shù)控加工中的直線逼近誤差。如果是直線逼近誤差的極限，即1，那么>|kf|l2/8。在復(fù)雜曲面數(shù)控加工中，如果插補弦長需要控制在一定的范圍內(nèi)，以確保加工的精度。因此，適當?shù)乜s短插補弦長，是降低直線逼近誤差，提高復(fù)雜曲面數(shù)控加工精度的重要措施。必須注意的是，不可以無限縮短插補弦長，在數(shù)控加工中數(shù)控系統(tǒng)的插補周期與刀具的進給速度共同決定了插補弦長的大小。其次，插補周期與進給速度的控制。在復(fù)雜曲面數(shù)控加工中，數(shù)控系統(tǒng)進給速度與插補周期直接影響著插補弦長。通常而言，數(shù)控系統(tǒng)設(shè)定了插補周期，操作者設(shè)定了進給速度。在進給速度保持不變的條件下，越小的插補周期就會有越小

9、的插補弦長，也就會有越小的直線逼近誤差。與之類似，在插補周期保持不變的條件下，越小的進給速度就會有越小的插補弦長，也就有著越小的直線逼近誤差。因此，選用相對較小的插補周期的數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控加工時盡量降低刀具的進給速度，能夠有效地降低復(fù)雜曲面數(shù)控加工的誤差。值得一提的是，在數(shù)控銑削加工中，曲線加工中的插補誤差和刀具軌跡往復(fù)造成的切削行殘留高度，均影響著復(fù)雜曲面數(shù)控加工的精度。在實際的數(shù)控加工中，因為選擇的切削用量不同，所以復(fù)雜曲面加工零件的表面也會存在較大的質(zhì)量差異。切削行殘留高度誤差是導(dǎo)致復(fù)雜曲面數(shù)控加工精度較低和加工零件表面粗糙度較高的主要因素，如果要控制此項誤差，就必須合理控制切削行的寬度工

10、藝參數(shù)。因此，確定恰當?shù)那邢餍袑挾鹊墓に噮?shù)，是有效地控制復(fù)雜曲面數(shù)控加工誤差的重要措施之一。4 結(jié)語綜上所述，復(fù)雜曲面數(shù)控加工中不可避免地存在著一定的加工誤差，只有將這些加工誤差控制在一定的范圍內(nèi)，才能夠確保數(shù)控加工的質(zhì)量。通常情況下，刀具半徑、走刀線路、走刀步長、被加工曲面的幾何形狀、加工曲面和加工刀具間的幾何運動誤差和編程計算誤差等因素，均影響著復(fù)雜曲面數(shù)控加工的誤差。復(fù)雜曲面數(shù)控加工誤差可以分為刀軸轉(zhuǎn)動誤差和直線逼近誤差。轉(zhuǎn)動誤差指的是法向矢量轉(zhuǎn)動誤差，刀具半徑、加工步長經(jīng)過的曲面弧長等均影響著轉(zhuǎn)動誤差；當用直線逼近曲面時會產(chǎn)生直線逼近誤差，復(fù)雜曲面的形狀直接影響著直線逼近誤差。復(fù)雜曲面數(shù)控加工誤差控制，具體而言就是刀軸轉(zhuǎn)動誤差的補償和直線逼近誤差控制。在直線逼近誤差的控制中，可以綜合采用插補弦長控制、插補周期控制以及刀具進給速度控制的措施，降低復(fù)雜曲面數(shù)控加工誤差。參考文獻1 周維泉.數(shù)控車銑宏程序的開發(fā)與應(yīng)用m.北京：機械工業(yè)出版社，2012.2 嚴思杰，周云飛，彭芳瑜，等.大型復(fù)雜曲面加工工件定位問題研究j.中國機械工程，2003，14（9）：737-740.