異形面型芯數(shù)控加工幾何誤差補(bǔ)償方法

摘 要：為對異形面型芯數(shù)控加工幾何誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測和補(bǔ)償，提高異形面型芯的加工精度，本文提出幾何誤差補(bǔ)償方法研究。根據(jù)機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和誤差類型布局測量點(diǎn)，離線測量數(shù)控機(jī)床幾何誤差。根據(jù)測量的誤差結(jié)果明確補(bǔ)償目標(biāo)，從直線度誤差、角度誤差和定位精度誤差3個(gè)維度計(jì)算補(bǔ)償參數(shù)。結(jié)合測頭半徑補(bǔ)償方法原理，進(jìn)行誤差補(bǔ)償。試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用提出的方法進(jìn)行誤差補(bǔ)償后，加工件的幾何誤差顯著降低，不超過0.02 mm。

關(guān)鍵詞：異形面型芯；數(shù)控加工；幾何誤差；補(bǔ)償

中圖分類號：V 261" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

異形面型芯是復(fù)雜零件的代表，在航空、航天和汽車等高端制造領(lǐng)域發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。異形面型芯的精度和質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的性能和壽命，因此，其加工技術(shù)的精確性和穩(wěn)定性成為行業(yè)研究的熱點(diǎn)。由于數(shù)控加工技術(shù)具有高效、精準(zhǔn)的特點(diǎn)，因此該技術(shù)是異形面型芯加工的主要手段[1]。在實(shí)際加工過程中，由于機(jī)床、刀具和夾具等多種因素影響，因此幾何誤差難以避免，嚴(yán)重影響異形面型芯的加工精度。幾何誤差補(bǔ)償方法是提高數(shù)控加工精度的有效手段，可以實(shí)時(shí)預(yù)測誤差和進(jìn)行補(bǔ)償，并顯著提高異形面型芯的加工精度和效率。傳統(tǒng)的異形面型芯數(shù)控加工幾何誤差補(bǔ)償方法在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中仍然存在缺陷。其中，文獻(xiàn)[2]提出的方法根據(jù)誤差檢測與預(yù)測的原理，修改數(shù)控加工指令對誤差進(jìn)行補(bǔ)償，難以全面、準(zhǔn)確地反映在加工過程中的實(shí)際誤差情況。文獻(xiàn)[3]提出的方法利用自適應(yīng)濾波技術(shù)對異形面型芯參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，對數(shù)控加工誤差進(jìn)行補(bǔ)償，難以適應(yīng)在加工過程中誤差的動(dòng)態(tài)變化，補(bǔ)償效果不理想。基于此，本文提出一種適用于異形面型芯數(shù)控加工的幾何誤差補(bǔ)償方法，為異形面型芯的高精度加工提供技術(shù)支持。

1 異形面型芯數(shù)控加工幾何誤差補(bǔ)償方法設(shè)計(jì)

1.1 離線測量數(shù)控機(jī)床幾何誤差

在異形面型芯的數(shù)控加工過程中，幾何誤差的精確補(bǔ)償是保證加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。其中，離線測量是這個(gè)過程中的關(guān)鍵步驟，其可以對機(jī)床幾何誤差進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的評估[4]。為了保證離線測量的準(zhǔn)確性和有效性，需要根據(jù)機(jī)床的幾何特性和誤差類型選擇以下3種合適的測量儀器。1）激光干涉儀。其作用是檢測機(jī)床的線性位移誤差。2）直線度測量儀。其作用是評估機(jī)床導(dǎo)軌的直線度誤差。3）角度測量儀。其作用是測量機(jī)床轉(zhuǎn)動(dòng)部件的角度誤差。每種測量儀器都需要經(jīng)過嚴(yán)格校準(zhǔn)，保證其具備足夠的精度和準(zhǔn)確性[5]，以滿足對機(jī)床幾何誤差測量的高要求。查閱機(jī)床的結(jié)構(gòu)圖紙和技術(shù)文檔十分重要，這些文檔詳細(xì)描述了機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)以及可能的誤差來源。仔細(xì)閱讀這些文檔可以深入了解機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理和誤差產(chǎn)生的機(jī)理，確定需要測量的關(guān)鍵部位，例如導(dǎo)軌、主軸和軸承等，這些部件的幾何精度直接影響加工件的精度和質(zhì)量。確定測量部位后，需要設(shè)置相應(yīng)的離線測量參數(shù)，見表1。這些參數(shù)的設(shè)置對保證離線測量的準(zhǔn)確性和可靠性具有重要意義。

在機(jī)床的離線測量過程中，保證精度和效率的關(guān)鍵是合理布局測量點(diǎn)。需要根據(jù)機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和誤差類型來選擇測量點(diǎn)。選擇機(jī)床的1個(gè)固定點(diǎn)作為測量起點(diǎn)，起點(diǎn)應(yīng)該位于機(jī)床的關(guān)鍵部位，保證位置穩(wěn)定且易于定位，例如主軸、導(dǎo)軌和工作臺等，以準(zhǔn)確反映機(jī)床的實(shí)際狀態(tài)。根據(jù)測量目標(biāo)和機(jī)床結(jié)構(gòu)確定測量路徑的終點(diǎn)位置，規(guī)劃測量路徑，在測量過程中能夠覆蓋機(jī)床的各個(gè)關(guān)鍵部位和潛在誤差源[6]。測量路徑在關(guān)鍵部位之間能夠連續(xù)過渡，避免路徑中斷或跳躍，保證測量數(shù)據(jù)的連貫性和完整性。在滿足測量需求的前提下盡量簡化測量路徑，減少不必要的測量點(diǎn)和步驟，提高測量效率。根據(jù)測量點(diǎn)的數(shù)量和位置合理安排測量順序。根據(jù)異形面型芯整體至局部的原則，先對整體進(jìn)行測量，再逐步細(xì)化至局部細(xì)節(jié)[7]。按照從高級至低級的順序，先測量主要軸線、中心線和關(guān)鍵點(diǎn)，然后逐漸擴(kuò)展至次要的或更詳細(xì)的測量點(diǎn)。

離線測量流程可以顯著提高測量效率，減少誤差累積，保證測量任務(wù)順利完成，測量結(jié)果準(zhǔn)確有效。

1.2 計(jì)算補(bǔ)償參數(shù)

異形面型芯數(shù)控加工幾何誤差離線測量完畢后，根據(jù)測量結(jié)果明確補(bǔ)償目標(biāo)，即降低或消除機(jī)床在加工過程中產(chǎn)生的幾何誤差，計(jì)算誤差補(bǔ)償參數(shù)。對直線度誤差來說，可以計(jì)算各測量點(diǎn)理論位置與實(shí)際位置之差的平均值來確定補(bǔ)償量，如公式（1）所示。

（1）

式中：C為補(bǔ)償量；n為測量點(diǎn)總數(shù)；Ti為第i個(gè)測量點(diǎn)的理論位置；Ai為第i個(gè)測量點(diǎn)的實(shí)際位置。角度誤差補(bǔ)償參數(shù)計(jì)算是對機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸或傾斜面的角度偏差進(jìn)行量化，并確定補(bǔ)償值，如公式（2）所示。

（2）

式中：Cθ為角度誤差補(bǔ)償量；θi為角度測量值，即數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸或傾斜面的實(shí)際角度值；Δθi為角度誤差，反映機(jī)床在角度控制方面的偏差。

將補(bǔ)償參數(shù)應(yīng)用于機(jī)床的控制系統(tǒng)中，可以降低或消除角度誤差，提高加工精度[8]。定位誤差通常與機(jī)床的定位系統(tǒng)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。分析定位誤差的分布規(guī)律，確定定位系統(tǒng)的偏差量，根據(jù)偏差量計(jì)算補(bǔ)償參數(shù)，如公式（3）所示。

（3）

式中：CP為定位誤差補(bǔ)償量；Pi為定位測量值，即機(jī)床定位系統(tǒng)的實(shí)際定位值，使用測量設(shè)備獲取；ΔPi為定位誤差，反映機(jī)床在定位控制方面的偏差。

計(jì)算補(bǔ)償參數(shù)后需要進(jìn)行驗(yàn)證以保證其有效性，在機(jī)床進(jìn)行實(shí)際加工測試。比較補(bǔ)償前后的加工測試結(jié)果，評估補(bǔ)償參數(shù)的準(zhǔn)確性和效果[9]。根據(jù)測試結(jié)果對補(bǔ)償參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。如果補(bǔ)償效果不佳，就需要重新分析誤差分布規(guī)律，調(diào)整補(bǔ)償參數(shù)，逐步提高誤差補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確性，增強(qiáng)效果。經(jīng)過計(jì)算，得到異形面型芯數(shù)控加工的幾何誤差補(bǔ)償量，為后續(xù)誤差補(bǔ)償實(shí)施提供有力的數(shù)據(jù)支持。

1.3 誤差補(bǔ)償

獲取誤差補(bǔ)償參數(shù)后，在此基礎(chǔ)上有針對性地進(jìn)行誤差補(bǔ)償。本文設(shè)計(jì)的異形面型芯數(shù)控加工幾何誤差補(bǔ)償流程如圖1所示。首先，根據(jù)異形面型芯的曲面特征確定曲面的邊界線，利用SolidWorks軟件創(chuàng)建相應(yīng)的曲線。對曲線進(jìn)行拼接處理，控制軟件執(zhí)行曲面生成操作，構(gòu)建相應(yīng)的模型。將模型導(dǎo)入專業(yè)的仿真加工軟件中，進(jìn)行精細(xì)的仿真加工操作，得到數(shù)控加工刀具所需的精確加工路徑。其次，將路徑應(yīng)用于機(jī)床，進(jìn)行實(shí)際加工操作，在加工過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測誤差情況。一旦獲得準(zhǔn)確的誤差數(shù)值，就按照上述公式立即計(jì)算補(bǔ)償參數(shù)，進(jìn)行必要的補(bǔ)償調(diào)整，得到更精確的加工刀具路徑，進(jìn)行補(bǔ)償加工。最后，再次進(jìn)行檢測，保證加工精度達(dá)到預(yù)定要求，完成整個(gè)加工流程。在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高數(shù)控加工幾何誤差補(bǔ)償?shù)木龋脺y頭半徑補(bǔ)償原理，對異形面型芯數(shù)控加工幾何誤差進(jìn)行進(jìn)一步補(bǔ)償。在數(shù)控加工過程中，接觸式測頭與待測異形面型芯表面接觸軌跡如圖2所示。

測頭半徑補(bǔ)償原理如下：確定測頭中心點(diǎn)坐標(biāo)在測量方向的法矢，縮減測頭半徑的長度來推算實(shí)際測量點(diǎn)的坐標(biāo)。這個(gè)過程可以用數(shù)學(xué)公式來精確描述：使用測頭中心O處的法矢來近似代表被測物體表面實(shí)際測量點(diǎn)g處的法矢，基于近似，推導(dǎo)實(shí)測點(diǎn)g的計(jì)算公式，如公式（4）所示。

=-×r " " " " " " " （4）

式中：為測頭中心；為實(shí)際測量點(diǎn)；r為測頭半徑。

公式（4）將異形面型芯數(shù)控加工測頭半徑補(bǔ)償問題轉(zhuǎn)化為實(shí)測點(diǎn)g處曲面對應(yīng)的單位法矢問題。

2 試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文提出的異形面型芯數(shù)控加工幾何誤差補(bǔ)償方法的可行性與實(shí)際補(bǔ)償效果，本文進(jìn)行試驗(yàn)，其目的是全面評估補(bǔ)償方法在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)，保證其能夠有效減少加工誤差，提升加工精度，為異形面型芯數(shù)控加工提供更為精準(zhǔn)的技術(shù)支持。

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本次試驗(yàn)的樣本對象是具有異形曲面的高精度型芯零件，其主要用于高端機(jī)械裝備的關(guān)鍵部位，對加工精度和表面質(zhì)量要求很高。該型芯零件材質(zhì)選用強(qiáng)度和硬度較高的鋁合金材料，以保證零件在復(fù)雜工作環(huán)境中的穩(wěn)定性和耐久性。零件尺寸為150 mm×100 mm×50 mm。由于零件表面的幾何特征比較復(fù)雜，傳統(tǒng)的數(shù)控加工方法難以滿足其高精度加工要求，因此應(yīng)用本文方法進(jìn)行幾何誤差補(bǔ)償。試驗(yàn)采用先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，機(jī)床加工參數(shù)見表2。

試驗(yàn)環(huán)境保持恒溫恒濕，以降低環(huán)境因素對加工精度的影響。利用激光干涉儀對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行幾何誤差檢測，檢測數(shù)據(jù)見表3。根據(jù)表3數(shù)據(jù)對數(shù)控加工指令進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，完成誤差補(bǔ)償。

2.2 結(jié)果分析

加工完成后，對零件進(jìn)行精度檢測，包括尺寸測量和表面質(zhì)量檢測。隨機(jī)選取6組不同類型的異形面型芯樣品，每組樣品200個(gè)。將應(yīng)用本文方法、文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法的檢測結(jié)果與未進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)募庸そY(jié)果進(jìn)行對比，分析誤差補(bǔ)償方法的有效性，對比結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，應(yīng)用本文提出方法進(jìn)行誤差補(bǔ)償后，加工件的幾何誤差顯著降低，不超過0.02 mm，補(bǔ)償后的誤差分布范圍更窄，說明加工件的幾何形狀更穩(wěn)定，一致性更好。試驗(yàn)結(jié)果表明該方法能夠有效降低誤差，優(yōu)化加工件性能，使其更符合設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語

異形面型芯數(shù)控加工幾何誤差補(bǔ)償方法的研究是制造業(yè)發(fā)展中的重要環(huán)節(jié)，已成為行業(yè)內(nèi)的研究熱點(diǎn)。本文研究異形面型芯數(shù)控加工的幾何誤差補(bǔ)償方法并進(jìn)行對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文提出的誤差補(bǔ)償方法后，異形面型芯的加工精度顯著提升，誤差范圍明顯縮小。本文方法不僅提高了產(chǎn)品合格率，還降低了生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。未來還需要繼續(xù)深化研究，探索更加高效、精準(zhǔn)的補(bǔ)償策略，推動(dòng)制造業(yè)發(fā)展。

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