零件被加工表面几何误差的刀位规划补偿方法

摘要

本发明零件被加工表面几何误差的刀位规划补偿方法属于五轴数控加工中刀位规划补偿方法领域。该方法首先测量出刀具中心和机床主轴中心不重合产生的刀具跳动量，再利用刀具切削刃绕主轴旋转得到旋转面来求解刀具包络线，找出刀具跳动对加工精度的影响规律，并利用此规律来规划加工路径；离散采样初始刀位路径面，在所有采样点处求解刀具包络线构成扫掠面；求解各个切削刃扫掠面对应的被加工表面的表面几何误差曲面，综合所有切削刃扫掠面对应的表面几何误差曲面得到综合表面几何误差曲面，利用该曲面和初始刀位路径面进行最小二乘刀位优化得到规划后的刀位路径曲面。本发明能够减小由于刀具跳动效应引起的表面几何误差，有效地提高了加工精度。

主权项

零件被加工表面几何误差的刀位规划补偿方法，其特征是，首先测量出刀具中心和机床主轴中心不重合产生的刀具跳动量，再利用刀具切削刃绕机床主轴旋转得到旋转面来求解刀具包络线，在求解包络线的过程中找出刀具跳动对加工精度的影响规律，并利用此规律来规划加工路径；对于多刃切削刀具，刀具切削刃旋转面的个数与刀具的切削刃个数相同；沿着初始刀位路径面离散采样一系列刀位点和对应的刀位矢量，在采样的刀位点和刀位矢量处求解刀具包络线，所有采样刀位点和刀位矢量处的刀具包络线构成刀具沿着初始刀位路径面的扫略面；沿着初始刀位路径面分别计算每个切削刃旋转面的切削刃扫略面，定义切削刃扫略面与被加工表面之间的法线距离为被加工表面的表面几何误差，每个切削刃扫略面对应着一个被加工表面的表面几何误差面；再比较所有切削刃对应的被加工表面的表面几何误差曲面，最终得到被加工表面的综合表面几何误差曲面；最后，利用最小二乘原理优化刀位轨迹面得到规划后的刀位轨迹面；具体步骤如下：（1）利用现有的商业软件UG生成被加工表面生成被加工表面的初始刀位路径文件；或用商业软件Imageware偏置被加工表面生成被加工表面的初始刀位路径文件；（2）利用刀位点和刀位矢量来构造双非均匀B样条曲面，该双非均匀B样条曲面表示初始刀位路径曲面；即：sf(t,v)=vC1(t)+(1‑v)C2(t)    t,v∈[0,1]其中：C1(t)是刀具轨迹面顶部边界曲线，C2(t)是刀具轨迹面底部边界曲线；sf(t,v)表示初始刀位路径曲面上位于(t,v)的点，t是刀具轨迹面边界曲线的t方向坐标，v是刀具轴线方向坐标；（3）用偏心距ρ和位置角λ两个参数来定义刀具跳动效应；（4）利用偏心距ρ和位置角λ建立立铣刀切削刃绕主轴旋转形成的旋转面方程，坐标系原点建立在主轴旋转中心处，依据右手螺旋法则建立笛卡尔坐标系，求解所有刀具切削刃绕机床主轴旋转形成的旋转面:第一个切削刃绕主轴旋转形成的旋转面： sf 1 st ( α , θ ) = cos α - sin α 0 sin α cos α 0 0 0 1 ρ + R cos ( θ + λ ) ρ + R sin ( θ + λ ) Rθ / tan β α∈[0,2π]其中：θ为滞后角,α是旋转角，R是立铣刀的半径，β是立铣刀的螺旋角，ρ是偏心距即机床主轴中心到刀具中心之间的距离，λ是位置角；第二个切削刃绕主轴旋转形成的旋转面： sf 2 nd ( α , θ ) = cos α - sin α 0 sin α cos α 0 0 0 1 ρ + R cos ( θ + λ + π / 2 ) ρ + R sin ( θ + λ + π / 2 ) Rθ / tan β α∈[0,2π]第三个切削刃绕主轴旋转形成的旋转面： sf 3 rd ( α , θ ) = cos α - sin α 0 sin α cos α 0 0 0 1 ρ + R cos ( θ + λ + π ) ρ + R sin ( θ + λ + π ) Rθ / tan β α∈[0,2π]第四个切削刃绕主轴旋转形成的旋转面： sf 4 th ( α , θ ) = cos α - sin α 0 sin α cos α 0 0 0 1 ρ + R cos ( θ + λ + 3 π / 2 ) ρ + R sin ( θ + λ + 3 π / 2 ) Rθ / tan β α∈[0,2π]上式中：sf1st(α,θ)，sf2nd(α,θ)，sf3rd(α,θ)和sf4th(α,θ)分别表示刀具第一个，第二个，第三个和第四个切削刃绕主轴中心旋转形成的旋转面在(α,θ)处的点；在立铣刀有n个切削刃的情况下，第i个切削刃绕主轴旋转形成的旋转面可以表示为： sf ith ( α , θ ) = cos α - sin α 0 sin α cos α 0 0 0 1 ρ + R cos ( θ + λ + 2 ( i - 1 ) π / n ) ρ + R sin ( θ + λ + 2 ( i - 1 ) π / n ) Rθ / tan β α∈[0,2π]sfith(α,θ)表示第i个切削刃绕主轴旋转形成的旋转面在(α,θ)处的点；（5）根据刀具各个切削刃的旋转体方程，利用包络原理和初始刀位路径曲面求解各个切削刃沿着初始路径面的初始扫略面；刀具包络线满足如下公式：nsfith(α,θ).Vsfith(α,θ)=0nsfith(α,θ)是sfith(α,θ)点的法矢量，Vsfith(α,θ)是sfith(α,θ)点的速度矢量；在求解扫略面的过程中，首先要把初始刀位路径面离散采样一系列的刀位点和对应的刀位矢量；通过刀具路径面上的采样点求解在该位置处切削刃旋转面上的包络点，所有采样点处切削刃旋转面上的包络点计算完成后，就构成了各个切削刃旋转面沿着初始路径面的扫略面；（6）定义扫略面上的一点到被加工表面之间的垂直距离为被加工表面的表面几何误差ε，按上述定义比较刀具各个切削刃的初始扫略面和被加工曲面，求得刀具各个切削刃初始扫略面对应的被加工表面的表面加工几何误差曲面；（7）利用刀具各个切削刃扫略面对应的被加工表面的表面几何误差曲面来 构造被加工表面的综合加工误差曲面，构造原则：在同一位置处，存在过切和欠切，过切是指在加工被加工表面过程中，切削刃实际切削的材料层超过了预订加工位置；欠切是指在加工被加工表面的过程中，切削刃实际切削的材料层没有达到预订加工位置；过切时，表面几何误差值为负，欠切时，表面几何误差值为正；那么在同一位置处如果铣刀所有切削刃对应的被加工表面的表面几何误差都是负值，即过切，那么选择绝对值最大的误差值作为最终的表面几何误差值；如果在同一位置处铣刀所有切削刃对应的被加工表面的表面几何误差值都为正值，即欠切，则选择绝对值最小的误差值作为最终的表面几何误差值；若在同一位置处既存在正的表面几何误差值同时也存在负的表面几何误差值，即有的切削刃过切有的切削刃欠切，那么选择负值中的绝对值最大的作为最终的表面几何误差值；（8）然后，利用最小二乘原理对综合误差曲面进行优化使之最小得到规划后的刀位路径文件；过误差曲面上一点D作到初始刀位路径面的垂线，距离D向初始路径面方向R处的点M定义为D点的映射点；映射点M的特点是映射点到初始路径面的距离等于误差值，然后所有的采样点都可以找到映射点M形成映射曲面，利用最小二乘原理优化映射点和刀轴之间的距离就可以规划刀位路径；一个映射点具有以下关系：|ε|=||M‑vC1(t)+(1‑v)C2(t)||ε表示被加工表面的表面几何误差值，那么所有采样点处的映射点已知时就可以用下式表达：ε2=||M‑∑(vC1(t)+(1‑v)C2(t))||2该式可用最小二乘法求解，结果就是规划后的刀位点和刀位矢量，利 用新的刀位点和刀位矢量求解优化后的被加工表面的表面几何误差曲面，该误差曲面与用初始路径曲面计算的被加工表面的表面几何误差曲面进行比较，得出优化效果。