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(dòng)誤差和直線逼近誤差。控制或補(bǔ)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(bǔ)償；三軸數(shù)控

中圖分類號：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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，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(jī)床、曲面模型、曲面加工方法等。在實(shí)際的復(fù)雜曲面數(shù)控加工中，刀具的理論運(yùn)動(dòng)軌跡和插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)軌跡之間會(huì)存在著一些誤差，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(yán)格的情況下，甚至?xí)a(chǎn)生較大的復(fù)雜曲面數(shù)控加工誤差，嚴(yán)重降低了數(shù)控加工的效率。

1 數(shù)控加工分析

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(yùn)動(dòng)誤差、工藝系統(tǒng)的制造誤差、熱力變形誤差以及編程計(jì)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(dòng)誤差和直線逼近誤差。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(bǔ)段的中點(diǎn)附近，此處的誤差主要由最大轉(zhuǎn)動(dòng)誤差與最大直線逼近誤差構(gòu)成。轉(zhuǎn)動(dòng)誤差指的是法向矢量轉(zhuǎn)動(dòng)誤差，影響轉(zhuǎn)動(dòng)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)。總而言之，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(dòng)機(jī)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(bǔ)插段內(nèi)的中點(diǎn)附近往往會(huì)產(chǎn)生最大的加工誤差。插補(bǔ)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(jìn)給速度和插補(bǔ)周期。

3 復(fù)雜曲面數(shù)控加工誤差控制

3.1 刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)誤差補(bǔ)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(diǎn)的運(yùn)行軌跡就是凹曲線。這種情況下會(huì)產(chǎn)生較大的加工誤差，刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)誤差和直線逼近誤差的和較大，若是采用刀具切觸點(diǎn)偏置法，就能夠在一定程度上補(bǔ)償?shù)遁S轉(zhuǎn)動(dòng)誤差，進(jìn)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(diǎn)A移動(dòng)至A'點(diǎn)，將A'點(diǎn)當(dāng)作新的刀具切觸點(diǎn)，從而改變復(fù)雜曲面數(shù)控加工誤差的分布，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面數(shù)控加工誤差補(bǔ)償?shù)哪康模敿?xì)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δ1大于刀軸轉(zhuǎn)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(bǔ)償。刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)誤差補(bǔ)償需要根據(jù)加工時(shí)的具體情況，采用恰當(dāng)?shù)姆椒右钥刂啤?/p>

3.2 直線逼近誤差控制

在復(fù)雜曲面數(shù)控加工中，會(huì)存在直線向曲面逼近的情況，而只要存在這種情況，就會(huì)產(chǎn)生直線逼近誤差δ1，即插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)會(huì)不可避免地產(chǎn)生直線逼近誤差δ1。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(bǔ)償直線逼近誤差。直線逼近誤差的控制方法主要包括插補(bǔ)弦長控制、插補(bǔ)周期控制以及刀具進(jìn)給速度控制。

首先，插補(bǔ)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(shí)，插補(bǔ)段內(nèi)沿進(jìn)給方向的法曲率就是一個(gè)定值。此時(shí)，影響直線逼近誤差的因素只有插補(bǔ)弦長，并且直線逼近誤差和插補(bǔ)弦長的平方成正比。因此，減少插補(bǔ)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ε是直線逼近誤差的極限，即ε≥δ1，那么ε>|Kf|L2/8。在復(fù)雜曲面數(shù)控加工中，如果插補(bǔ)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(dāng)?shù)乜s短插補(bǔ)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(bǔ)弦長，在數(shù)控加工中數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)周期與刀具的進(jìn)給速度共同決定了插補(bǔ)弦長的大小。

其次，插補(bǔ)周期與進(jìn)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(jìn)給速度與插補(bǔ)周期直接影響著插補(bǔ)弦長。通常而言，數(shù)控系統(tǒng)設(shè)定了插補(bǔ)周期，操作者設(shè)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(bǔ)周期就會(huì)有越小的插補(bǔ)弦長，也就會(huì)有越小的直線逼近誤差。與之類似，在插補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)周期的數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)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(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(bǔ)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(shí)際的數(shù)控加工中，因?yàn)檫x擇的切削用量不同，所以復(fù)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(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(xiàng)誤差，就必須合理控制切削行的寬度工藝參數(shù)。因此，確定恰當(dāng)?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(yùn)動(dòng)誤差和編程計(jì)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(dòng)誤差和直線逼近誤差。轉(zhuǎn)動(dòng)誤差指的是法向矢量轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)誤差；當(dāng)用直線逼近曲面時(shí)會(huì)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(dòng)誤差的補(bǔ)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(bǔ)弦長控制、插補(bǔ)周期控制以及刀具進(jìn)給速度控制的措施，降低復(fù)雜曲面數(shù)控加工誤差。

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作者簡介：蘭松云（1969—），壯族，廣西都安人，廣西機(jī)電工業(yè)學(xué)校一級實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師，研究方向：數(shù)控加工技術(shù)及CAD/CAM。

（責(zé)任編輯：葉小堅(jiān)）