五軸數(shù)控加工中非線性誤差補(bǔ)償?shù)难芯颗c實(shí)現(xiàn)

鐘利+馬強(qiáng)

摘 要：五軸聯(lián)動(dòng)加工為三個(gè)直線軸和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)，基于機(jī)床實(shí)際性能和運(yùn)動(dòng)的限制，加工過程中往往偏離目標(biāo)曲線，從而形成五軸聯(lián)動(dòng)加工中所特有的非線性誤差，這一直是困擾加工制造行業(yè)的一大難題。本文針對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)加工中出現(xiàn)的非線性誤差問題，提出一種在五軸后置處理器中添加補(bǔ)償?shù)姆椒?，通過相應(yīng)的算法推導(dǎo)，最終憑借JAVA語言得以在后置處理軟件中實(shí)現(xiàn)。并通過對(duì)比補(bǔ)償前后的實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，在后置處理器中添加非線性誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ň哂辛己玫膽?yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：五軸加工；非線性誤差；后置處理；誤差補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

0、前言

隨著五軸聯(lián)動(dòng)加工中心在機(jī)械制造行業(yè)中的廣泛應(yīng)用，大大提高了復(fù)雜零部件的加工質(zhì)量及精度。但是在五軸聯(lián)動(dòng)加工過程中，由于切削軌跡受直線軸和擺動(dòng)軸的控制，機(jī)床在加工曲面過程中其直線軸和擺動(dòng)軸插補(bǔ)得到的合成運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致實(shí)際刀位軌跡偏離理論曲線，從而造成非線性誤差。由于非線性誤差是五軸聯(lián)動(dòng)加工所特有的誤差，因而，如何對(duì)它進(jìn)行有效控制是實(shí)現(xiàn)曲面五軸高質(zhì)量加工的關(guān)鍵問題之一。

目前，解決五軸聯(lián)動(dòng)加工中非線性誤差的問題主要有兩種方法：一是在后置處理中添加如非線性誤差補(bǔ)償功能，通過相應(yīng)的線性加密來補(bǔ)償超出誤差范圍的數(shù)據(jù)點(diǎn)；二是由機(jī)床的控制系統(tǒng)進(jìn)行修正，即通過機(jī)床系統(tǒng)自帶的RTCP功能來降低非線性誤差給加工精度帶來的影響。第二種方法則多數(shù)應(yīng)用在一些進(jìn)口的先進(jìn)五軸機(jī)床上，針對(duì)國(guó)內(nèi)目前五軸機(jī)床發(fā)展現(xiàn)狀，通過后置處理進(jìn)行非線性誤差補(bǔ)償更具有工程應(yīng)用價(jià)值。

1 、非線性誤差產(chǎn)生機(jī)理

如圖1所示，此圖直觀地反映了非線性運(yùn)動(dòng)誤差的產(chǎn)生機(jī)理。在五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床加工過程中，工作臺(tái)沿直線軸X、Y、Z進(jìn)行移動(dòng)，刀具圍繞X、Z軸進(jìn)行擺動(dòng)。在實(shí)際加工中，刀具實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)為圖中的“實(shí)際直線”，而在理想狀態(tài)下，認(rèn)為刀具的理想軌跡應(yīng)該為圖中的“理想空間直線”。這是因?yàn)橥ㄓ肅AD/CAM軟件前置處理生成刀位源文件，是根據(jù)具體的機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型經(jīng)后置處理變換得到的機(jī)床坐標(biāo)系下各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)。而五軸聯(lián)動(dòng)加工中的刀心軌跡以及刀軸矢量在時(shí)刻變化，連續(xù)相鄰的兩刀位點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是一段空間曲線，由于五軸聯(lián)動(dòng)加工時(shí)的非線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為各運(yùn)動(dòng)軸的線性運(yùn)動(dòng)，所以其實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡為各軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)的合成直線。這就導(dǎo)致了五軸聯(lián)動(dòng)加工過程中實(shí)際的加工直線與理想的空間曲線之間有一定的差值，而這個(gè)差值的最大值Emax即為最大非線性運(yùn)動(dòng)誤差值。

2、 后置處理中的補(bǔ)償算法

圖2為非線性運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償原理示意圖，如圖所示，刀具實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)為Qw0、Qw、Qw1之間的直線，刀具的理想軌跡應(yīng)該為點(diǎn)Qw0、Qw、Qw1之間的曲線.刀具上旋轉(zhuǎn)中心經(jīng)過UI、UK1、UM曲線。由于機(jī)床的控制系統(tǒng)只能進(jìn)行線性插補(bǔ)，所以，導(dǎo)致刀具旋轉(zhuǎn)中心的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡為經(jīng)過的UI、UK、UM直線，而非線性誤差應(yīng)該為Qw及其所對(duì)應(yīng)的Qww間的距離。為合理的計(jì)算非線性誤差，假設(shè)連續(xù)相鄰前后兩刀具點(diǎn)分別為Qw1（x1，y1，z1，u1，v1，w1）、Qw0（x0，y0，z0，u0，v0，w0）。通過機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型變換，得出兩刀具點(diǎn)的刀心坐標(biāo)Qw0（X0，Y0，Z0，A0，C0）、Qw1（X1，Y1，Z1，A1，C1）。由于機(jī)床運(yùn)動(dòng)是直線插補(bǔ)，刀具從Qw0運(yùn)動(dòng)到Qw1的過程中，某一時(shí)刻機(jī)床運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為：Qt=Q0+t（Q1-Q0）根據(jù)分線性誤差的分布情況，綜合考慮取t=0.5時(shí)計(jì)算，可得：

即在兩刀心點(diǎn)之間取一個(gè)中間點(diǎn)，在跟據(jù)機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型反推回機(jī)床的原始刀位點(diǎn)Qw0.5（x0.5，y0.5，z0.5，u0.5，v0.5，w0.5）。計(jì)算非線性誤差Emax，如圖2中采用直線三角形代替空間曲線得：

當(dāng)Emax超過原先設(shè)定誤差值時(shí)，則在兩刀兩原始刀位點(diǎn)Qw0、Qw1中間插入一個(gè)新的刀具點(diǎn)Qwm：

將新插入的原始刀位點(diǎn)Qwm再次進(jìn)入機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型處理計(jì)算，得到刀心坐標(biāo)Qwm（Xm，Ym，Zm，Am，Cm）。在重復(fù)上面步驟判斷Qw0與Qwm和Qwm與Qw1之間的Emax是否大于原先設(shè)定的值，如果大于設(shè)定值，在次插入新點(diǎn)，直到插入該新的刀具點(diǎn)與前后兩刀具點(diǎn)的Emax小于誤差設(shè)定值為止。

3、非線性誤差補(bǔ)償功能的驗(yàn)證

本文基于JAVA語言，通過對(duì)上述問題的分析和補(bǔ)償算法的推導(dǎo)，開發(fā)出一款具有非線性誤差補(bǔ)償功能的五軸后置處理軟件，并進(jìn)行的補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)。

（1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

①將經(jīng)過非線性誤差處理的和未經(jīng)過非線性誤差處理NC代碼在Vericut仿真軟件中仿真加工；

②將經(jīng)過非線性誤差處理的和未經(jīng)過非線性誤差處理NC代碼在BV100雙擺頭五軸加工中心上加工葉輪；

（2）實(shí)驗(yàn)步驟

①建模模塊建立葉輪模型，制定程序工藝卡片并編制操作程序，并導(dǎo)出刀位源文件；

②將導(dǎo)出的刀位源文件經(jīng)上述編寫的后置處理軟件處理成兩種NC文件。文件A為未經(jīng)非線性誤差補(bǔ)償，文件B的非線性誤差補(bǔ)償值為0.02；

③在Vericut中分別仿真加工經(jīng)過非線性誤差校核與補(bǔ)償?shù)腘C文件和未經(jīng)過非線性誤差校核與補(bǔ)償?shù)腘C文件；

④在VMC850F加工中心上選擇執(zhí)行上述文件。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

①由表3-1可知，經(jīng)過非線性誤差校核與補(bǔ)償?shù)腘C文件跟原來的相比，行數(shù)顯著增加，而加工時(shí)間增加不明顯。

②模擬加工結(jié)果如圖3、圖4所示，可以明顯看出，經(jīng)過非線性誤差補(bǔ)償與校核處理的NC程序仿真加工過切量和殘留量明顯比未經(jīng)過非線性誤差補(bǔ)償與校核處理的NC程序少。

③實(shí)際加工結(jié)果如圖5、圖6所示。經(jīng)過非線性誤差補(bǔ)償與校核處理的NC程序加工出來的流道表面和葉片表面，比未經(jīng)過非線性誤差補(bǔ)償與校核處理的NC程序加工出來的要更順滑，過切的地方更少。

4、結(jié)論

本文通過分析五軸加工中非線性誤差產(chǎn)生的原因，推導(dǎo)出一種適用于后置處理器中的非線性誤差補(bǔ)償方法，并通過補(bǔ)償前后的對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以得到以下結(jié)論：

①經(jīng)過非線性誤差校核與補(bǔ)償?shù)某绦?，其程序量?huì)有較大幅度增加，但加工時(shí)間不會(huì)明顯增加；

②本后處理軟件的非線性誤差校核與補(bǔ)償功能達(dá)到預(yù)期要求，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]唐清春，范超，張健，等.葉片五軸加工中非線性誤差控制的研究[J].機(jī)床與液壓，2014，2， 22-24.

[2]唐清春，張仁斌，何俊，賴玉活.基于VB BV100五軸聯(lián)動(dòng)加工中心后置處理的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012（2）：73-75.

[3] 周玉龍.滿足非線性誤差要求的五軸進(jìn)給速度控制方法[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014（4）：209-212.

[4]葛振紅，姚振強(qiáng)，趙國(guó)偉.非正交五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床后置處理算法[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2006， 2，79-81

[5]王宏志，楊慶東，邢濟(jì)收，等.五軸數(shù)控機(jī)床虛擬模型的開發(fā)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013，9， 203-205

作者簡(jiǎn)介：鐘利，1987年，男，本科，助理工程師，單位：高密市檢驗(yàn)檢測(cè)中心，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。

馬強(qiáng)，1974年，男，本科，工程師，單位：高密市檢驗(yàn)檢測(cè)中心，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。