復雜曲面數控加工誤差

　　復雜曲面數控加工誤差【1】

　　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。

　　控制或補償這些誤差，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

　　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。

　　1 數控加工分析

　　目前，復雜曲線(xiàn)的加工大多采用五坐標聯(lián)動(dòng)數控加工、三坐標聯(lián)動(dòng)數控加工的方法。

　　雖然數控機床的精密度較高，但是也不可避免地存在著(zhù)一定的加工誤差。

　　分析研究數控加工誤差，是控制復雜曲面數控加工質(zhì)量，提高數控加工效率的必然要求。

　　數控加工通常采用的是端銑刀、環(huán)形刀與球形刀。

　　復雜曲面的加工采用球形刀具時(shí)，由于被加工曲面和球面上任意一點(diǎn)之間有著(zhù)相同的接觸效果，采用三軸聯(lián)動(dòng)數控加工裝置就能夠完成復雜曲面加工。

　　通常而言，球形刀具在三軸數控加工與五軸數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控加工，尤其是環(huán)形刀具，是經(jīng)常用的五軸數控加工刀具。

　　由于現階段數控機床一般為直線(xiàn)插補運動(dòng)，控制刀具在兩個(gè)相鄰刀位點(diǎn)之間走直線(xiàn)運動(dòng)，使得零件表面的曲率度被忽略了，每一條刀具沿著(zhù)軌跡進(jìn)行切削時(shí)均會(huì )產(chǎn)生一定的誤差，即走刀運動(dòng)誤差。

　　以三軸數控復雜曲面加工為例，其在復雜凸曲面加工時(shí)，曲面和刀位之間產(chǎn)生了一定的誤差，當用直線(xiàn)逼近曲面時(shí)，球形刀具的中心從P1處移至相鄰的P2處，刀具走了一個(gè)步長(cháng)。

　　在這個(gè)過(guò)程中，沿著(zhù)插補直線(xiàn)方向，插補段L內加工表面法向矢量的轉動(dòng)角不斷變化，位于P1處的θ/2變化至插補中點(diǎn)0，在P2點(diǎn)為-θ/2，從而產(chǎn)生了法向矢量轉動(dòng)誤差δn。

　　與此同時(shí)，直線(xiàn)向曲線(xiàn)逼近時(shí)也會(huì )產(chǎn)生一定的誤差δ1，所以總誤差δ等于δn與δ1之和。

　　而運用球形刀具加工凹曲面時(shí)，其總誤差δ等于δ1與δn的差。

　　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)。

　　總而言之，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。

　　參考文獻

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　　曲面數控加工中的誤差【2】

　　[摘 要]曲面加工，也就是三維立體行面的加工，可以在三、四、五坐標數控機床上進(jìn)行和完成。

　　其中應用最廣泛的是三坐標曲面加工。

　　曲面加工中的分析與優(yōu)化一直是數控加工技術(shù)的重要研究方向和重要應用對象，尤其對加工誤差的研究和分析更是非常重視。

　　數控加工中有很多原因會(huì )引起加工誤差，例如機床、刀具和零件的熱變形和彈性變形的誤差，刀具尺寸的誤差，機床的運動(dòng)誤差等，本文從加工方法的分析與補償，走刀行距、加工帶寬度和刀具半徑等方面進(jìn)行了分析和優(yōu)化，對提高曲面零件的加工精度與效率等方面具有一定的參考價(jià)值。

　　[關(guān)鍵詞]曲面加工 加工誤差的研究和分析 提高曲面零件的加工精度

　　曲面加工作為數控加工技術(shù)的重要研究和應用對象，其重點(diǎn)就是對加工誤差的研究與分析，下面本文將對由加工方法引起的誤差進(jìn)行討論。

　　一、加工方法的分析與補償

　　1.1加工方法可使用平底立銑刀、錐形刀、鼓型刀、環(huán)型刀、球頭刀進(jìn)行三坐標曲面加工，加工特點(diǎn)是過(guò)程中刀具軸線(xiàn)方向始終平行于Z軸坐標軸。

　　1.2 加工誤差分析

　　在球心刀刀心沿加工表面的等距離面上某一曲線(xiàn)作直線(xiàn)插補運動(dòng)的過(guò)程中，刀具與加工表面之間的會(huì )發(fā)生加工誤差，其中最大的誤差在插補段中點(diǎn)附近發(fā)生，包括法向矢量轉動(dòng)誤差和直線(xiàn)逼近誤差。

　　并且和插補段的長(cháng)度的平方呈正比，適量轉動(dòng)誤差是因為加工表面法向矢量沿插補直線(xiàn)方向是轉動(dòng)所導致的，并且和刀具半徑成正比。

　　1.3 法向矢量轉動(dòng)誤差補償

　　加工表面法向矢量沿插補直線(xiàn)方向的轉動(dòng)可導致法向矢量轉動(dòng)誤差，我們可以使用修正刀心位置的方法進(jìn)行補償法向矢量轉動(dòng)誤差，為了達到刀具的切削運動(dòng)軌跡與曲面更逼近的目的，在實(shí)際處理的過(guò)程中，僅僅對凸曲面實(shí)施法向矢量轉動(dòng)誤差補償，而對凹曲面不做任何補償，可提高加工精度[1]。

　　二、走刀行距的優(yōu)化與分析

　　1.1在實(shí)際加工的過(guò)程中，刀具不可能和整個(gè)偏置曲面偏離，只是可能沿著(zhù)它本身的一些有限的曲線(xiàn)軌跡運動(dòng)。

　　所以刀具軌跡的生成方法也就是在零件曲面上確定刀具切觸點(diǎn)的切削路線(xiàn)或在刀具偏置面上確定刀具的運動(dòng)路線(xiàn)的方法，因為不一樣的走刀軌跡對加工效率和加工質(zhì)量都有重要的作用，所以現階段對刀具軌跡的生成方法依然在不斷研究中。

　　曲面加工通常只能一行一行的加工，也就是所謂的行切，使刀具沿各切削行刀具軌跡的運動(dòng)來(lái)近似包絡(luò )出被加工曲面。

　　走刀距離是兩相鄰刀具切觸點(diǎn)路徑間的距離。

　　它的大小在很大程度上會(huì )影響曲面加工的精度和效率，如果行距太小會(huì )成倍增加加工的時(shí)間，并且會(huì )造成編程效率下降和零件程序的膨脹，但是如果行距太大，又會(huì )導致表面殘余高度增大，使得后續的處理工作量也加大，降低整體的效率，所以，為了符合在保障加工精度和表面粗糙的基礎上提高生產(chǎn)率的要求，應該制定合理的加工方案以便在符合殘余高度標準的基礎上走刀行距最大化[2]。

　　影響走刀行距的主要因素：(1)刀具的尺寸與形狀;(2)零件表面幾何形狀和安裝的方位;(3)允許的表面殘余高度要求;(4)走刀進(jìn)給方向。

　　1.2 優(yōu)化走刀行距

　　為了走刀行距的最大化，可以采取以下優(yōu)化措施：(1)選擇合理的工件安裝方位;(2)選擇合理的刀具：和球頭刀比較，使用環(huán)形刀、鼓型刀、平底刀等一些非球面的刀具加工不僅可以改善切削條件，更可以加大走刀行距，如果在此基礎上選擇了合適的工件安裝方位和進(jìn)給方向，將會(huì )有更好的表面質(zhì)量和加工效率;(3)選擇合理的加工方向，選擇環(huán)形刀和平底刀加工的過(guò)程中，選擇的進(jìn)給方向應該使方向角最小化，與鼓型刀相反。

　　1.3 走刀步長(cháng)的優(yōu)化與分析

　　控制加工誤差的大小是走刀步長(cháng)的計算依據，以往經(jīng)驗告訴我們，加工精度的要求越高，走刀的步長(cháng)就要越小，加工效率和編程效率就會(huì )越低，所以，在符合加工精度要求的基礎上，應該使走刀步長(cháng)最大化，以提高加工效率和編程效率。

　　加工編程中，可以使用直線(xiàn)逼近誤差和殘余高度的方法，也可以使用固定走刀步長(cháng)的方法，通常的情況下，如果曲面加工精度要求不太高的時(shí)候，或加工曲面的曲率半徑較大，并且無(wú)尖角的時(shí)候，最科學(xué)合理的方式就是采用固定走刀步長(cháng)，因為其計算相對簡(jiǎn)單，編程的效率高，程序的可靠性也比較高，而如果曲面加工精度要求很高的時(shí)候，或加工曲面的曲率半徑較小，并且有尖角的時(shí)候，一般使用殘余高度和固定弦差的方式進(jìn)行編程。

　　三、加工帶寬度的誤差優(yōu)化和分析

　　加工帶寬是控制加工誤差大小最重要的因素之一，根據以往經(jīng)驗，加工精度的要求越高，加工帶寬就要越小，加工效率和編程效率就會(huì )越低，所以，在符合加工精度要求的基礎上，應該使加工帶寬最大化，以提高加工效率和編程效率。

　　加工編程中，可以使用直線(xiàn)逼近誤差和殘余高度的方法，也可以使用固定加工帶寬的方法，通常的情況下，如果曲面加工精度要求不太高的時(shí)候，或加工曲面的曲率半徑較大，并且無(wú)尖角的時(shí)候，最科學(xué)合理的方式就是采用固定加工帶寬，因為其計算相對簡(jiǎn)單，編程的效率高，程序的可靠性也比較高，而如果曲面加工精度要求很高的時(shí)候，或加工曲面的曲率半徑較小，并且有尖角的時(shí)候，一般使用殘余高度和固定弦差的方式進(jìn)行編程。

　　四、優(yōu)化刀具半徑

　　(1) 刀具的大小應該符合加工表面的大小

　　(2) 刀具半徑應該與法向矢量轉動(dòng)誤差成正比

　　(3)在相同的殘余高度的前提下，刀具半徑如果越大，那么球形行距就會(huì )越大，那么就會(huì )使其加工效率更高。

　　五、結束語(yǔ)

　　綜上所述，曲面加工中的分析與優(yōu)化一直是數控加工技術(shù)的重要研究方向和重要應用對象，尤其對加工誤差的研究和分析更是非常重視。

　　數控加工中有很多原因會(huì )引起加工誤差，例如機床、刀具和零件的熱變形和彈性變形的誤差，刀具尺寸的誤差，機床的運動(dòng)誤差等，本文從加工方法的分析與補償，走刀行距、加工帶寬度和刀具半徑等方面進(jìn)行了分析和優(yōu)化，對提高曲面零件的加工精度與效率等方面具有一定的參考價(jià)值。

　　參考文獻

　　[1] 李東君.曲面數控加工中的誤差分析與優(yōu)化[J].現代制造技術(shù)與裝備，2010，11(12)：3241-3243，3244.

　　[2] 李東君.曲面數控加工中的誤差分析與優(yōu)化[J].湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2010，13(11)：198-1101，1102.

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