研究復雜曲面數控加工誤差

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　　摘要：復雜曲面數控加工中存在的誤差，降低了數控加工的精度。導致加工誤差產(chǎn)生的原因較多，如加工刀具的幾何誤差、工藝系統的制造誤差、熱力變形誤差等。復雜曲面數控加工誤差主要包括刀軸轉動(dòng)誤差和直線(xiàn)逼近誤差�？刂苹蜓a償這些誤差，能夠有效地提高復雜曲面數控加工的質(zhì)量。

　　關(guān)鍵詞：復雜曲面;數控加工;誤差補償;三軸數控

　　1 數控加工分析

　　近年來(lái)，復雜曲面在模具、汽車(chē)、宇航等行業(yè)的應用越來(lái)越廣泛。隨著(zhù)工業(yè)技術(shù)的日新月異，工業(yè)生產(chǎn)對復雜曲面的尺寸精度與復雜形狀零件的質(zhì)量要求越來(lái)越高，對數控加工的要求也越來(lái)越高。通常情況下，復雜曲面的加工均需要采用數控加工技術(shù)，以確保加工的精度與效率。影響復雜曲面數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(shí)際的復雜曲面數控加工中，刀具的理論運動(dòng)軌跡和插補運動(dòng)軌跡之間會(huì )存在著(zhù)一些誤差，從而造成理論曲面和實(shí)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(huì )產(chǎn)生較大的復雜曲面數控加工誤差，嚴重降低了數控加工的效率。

　　2 復雜曲面數控加工誤差分析

　　復雜曲面數控加工誤差產(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(dòng)誤差、工藝系統的制造誤差、熱力變形誤差以及編程計算誤差等。通常，復雜曲面數控加工誤差可以分為刀軸擺動(dòng)誤差和直線(xiàn)逼近誤差。在復雜曲面數控加工的過(guò)程中，產(chǎn)生誤差最大的部位是插補段的中點(diǎn)附近，此處的誤差主要由最大轉動(dòng)誤差與最大直線(xiàn)逼近誤差構成。轉動(dòng)誤差指的是法向矢量轉動(dòng)誤差，影響轉動(dòng)誤差大小的因素主要有刀具半徑、加工步長(cháng)經(jīng)過(guò)的曲面弧長(cháng)、加工曲面的法曲率。直線(xiàn)逼近誤差主要受數控加工的復雜曲面形狀的影響，而和加工刀具沒(méi)有太大關(guān)聯(lián)�？偠�言之，刀具半徑、走刀線(xiàn)路、走刀步長(cháng)、被加工曲面的幾何形狀以及多軸聯(lián)動(dòng)機構的結構形式等，是影響復雜曲面數控加工誤差的主要因素。在復雜曲面數控加工中，補插段內的中點(diǎn)附近往往會(huì )產(chǎn)生最大的加工誤差。插補弦長(cháng)直接決定著(zhù)直線(xiàn)逼近誤差，如果要降低直線(xiàn)逼近誤差，就需要合理控制刀具進(jìn)給速度和插補周期。

　　3 復雜曲面數控加工誤差控制

　　3.1 刀軸轉動(dòng)誤差補償

　　如果復雜曲面數控加工過(guò)程中，加工表面沿著(zhù)走刀方向是凸曲線(xiàn)的話(huà)，刀具切觸點(diǎn)的運行軌跡就是凹曲線(xiàn)。這種情況下會(huì )產(chǎn)生較大的加工誤差，刀軸轉動(dòng)誤差和直線(xiàn)逼近誤差的和較大，若是采用刀具切觸點(diǎn)偏置法，就能夠在一定程度上補償刀軸轉動(dòng)誤差，進(jìn)而降低總誤差。沿著(zhù)加工表面外法向矢量方向，把刀具切觸點(diǎn)A移動(dòng)至A'點(diǎn)，將A'點(diǎn)當作新的刀具切觸點(diǎn)，從而改變復雜曲面數控加工誤差的分布，實(shí)現復雜曲面數控加工誤差補償的目的，詳細情況見(jiàn)圖2。如果復雜曲面數控加工的加工表面沿著(zhù)走刀方向是凹曲線(xiàn)，直線(xiàn)逼近誤差δ1大于刀軸轉動(dòng)誤差δn時(shí)，將不會(huì )產(chǎn)生超差，因此不用進(jìn)行加工誤差補償。刀軸轉動(dòng)誤差補償需要根據加工時(shí)的具體情況，采用恰當的方法加以控制。

　　3.2 直線(xiàn)逼近誤差控制

　　在復雜曲面數控加工中，會(huì )存在直線(xiàn)向曲面逼近的情況，而只要存在這種情況，就會(huì )產(chǎn)生直線(xiàn)逼近誤差δ1，即插補運動(dòng)會(huì )不可避免地產(chǎn)生直線(xiàn)逼近誤差δ1。通常情況下，只能降低或控制直線(xiàn)逼近誤差，而無(wú)法完全消除直線(xiàn)逼近誤差或補償直線(xiàn)逼近誤差。直線(xiàn)逼近誤差的控制方法主要包括插補弦長(cháng)控制、插補周期控制以及刀具進(jìn)給速度控制。

　　首先，插補弦長(cháng)控制。在復雜曲面數控加工的加工曲面保持不變時(shí)，插補段內沿進(jìn)給方向的法曲率就是一個(gè)定值。此時(shí)，影響直線(xiàn)逼近誤差的因素只有插補弦長(cháng)，并且直線(xiàn)逼近誤差和插補弦長(cháng)的平方成正比。因此，減少插補弦長(cháng)，就能夠在一定程度上降低復雜曲面數控加工中的直線(xiàn)逼近誤差。如果ε是直線(xiàn)逼近誤差的極限，即ε≥δ1，那么ε>|Kf|L2/8。在復雜曲面數控加工中，如果插補弦長(cháng)需要控制在一定的范圍內，以確保加工的精度。因此，適當地縮短插補弦長(cháng)，是降低直線(xiàn)逼近誤差，提高復雜曲面數控加工精度的重要措施。必須注意的是，不可以無(wú)限縮短插補弦長(cháng)，在數控加工中數控系統的插補周期與刀具的進(jìn)給速度共同決定了插補弦長(cháng)的大小。

　　其次，插補周期與進(jìn)給速度的控制。在復雜曲面數控加工中，數控系統進(jìn)給速度與插補周期直接影響著(zhù)插補弦長(cháng)。通常而言，數控系統設定了插補周期，操作者設定了進(jìn)給速度。在進(jìn)給速度保持不變的條件下，越小的插補周期就會(huì )有越小的插補弦長(cháng)，也就會(huì )有越小的直線(xiàn)逼近誤差。與之類(lèi)似，在插補周期保持不變的條件下，越小的進(jìn)給速度就會(huì )有越小的插補弦長(cháng)，也就有著(zhù)越小的直線(xiàn)逼近誤差。因此，選用相對較小的插補周期的數控系統，數控加工時(shí)盡量降低刀具的進(jìn)給速度，能夠有效地降低復雜曲面數控加工的誤差。值得一提的是，在數控銑削加工中，曲線(xiàn)加工中的插補誤差和刀具軌跡往復造成的切削行殘留高度，均影響著(zhù)復雜曲面數控加工的精度。在實(shí)際的數控加工中，因為選擇的切削用量不同，所以復雜曲面加工零件的表面也會(huì )存在較大的質(zhì)量差異。切削行殘留高度誤差是導致復雜曲面數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藝參數。因此，確定恰當的切削行寬度的工藝參數，是有效地控制復雜曲面數控加工誤差的重要措施之一。

　　4 結語(yǔ)

　　綜上所述，復雜曲面數控加工中不可避免地存在著(zhù)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，才能夠確保數控加工的質(zhì)量。通常情況下，刀具半徑、走刀線(xiàn)路、走刀步長(cháng)、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(dòng)誤差和編程計算誤差等因素，均影響著(zhù)復雜曲面數控加工的誤差。復雜曲面數控加工誤差可以分為刀軸轉動(dòng)誤差和直線(xiàn)逼近誤差。轉動(dòng)誤差指的是法向矢量轉動(dòng)誤差，刀具半徑、加工步長(cháng)經(jīng)過(guò)的曲面弧長(cháng)等均影響著(zhù)轉動(dòng)誤差;當用直線(xiàn)逼近曲面時(shí)會(huì )產(chǎn)生直線(xiàn)逼近誤差，復雜曲面的形狀直接影響著(zhù)直線(xiàn)逼近誤差。復雜曲面數控加工誤差控制，具體而言就是刀軸轉動(dòng)誤差的補償和直線(xiàn)逼近誤差控制。在直線(xiàn)逼近誤差的控制中，可以綜合采用插補弦長(cháng)控制、插補周期控制以及刀具進(jìn)給速度控制的措施，降低復雜曲面數控加工誤差。

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