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復(fù)雜曲面數(shù)控加工誤差
復(fù)雜曲面數(shù)控加工誤差【1】
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
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(duì)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(duì)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
目前,復(fù)雜曲線的加工大多采用五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工、三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工的方法。
雖然數(shù)控機(jī)床的精密度較高,但是也不可避免地存在著一定的加工誤差。
分析研究數(shù)控加工誤差,是控制復(fù)雜曲面數(shù)控加工質(zhì)量,提高數(shù)控加工效率的必然要求。
數(shù)控加工通常采用的是端銑刀、環(huán)形刀與球形刀。
復(fù)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)之間有著相同的接觸效果,采用三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工裝置就能夠完成復(fù)雜曲面加工。
通常而言,球形刀具在三軸數(shù)控加工與五軸數(shù)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(shù)控加工,尤其是環(huán)形刀具,是經(jīng)常用的五軸數(shù)控加工刀具。
由于現(xiàn)階段數(shù)控機(jī)床一般為直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng),控制刀具在兩個(gè)相鄰刀位點(diǎn)之間走直線運(yùn)動(dòng),使得零件表面的曲率度被忽略了,每一條刀具沿著軌跡進(jìn)行切削時(shí)均會(huì)產(chǎn)生一定的誤差,即走刀運(yùn)動(dòng)誤差。
以三軸數(shù)控復(fù)雜曲面加工為例,其在復(fù)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(dāng)用直線逼近曲面時(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。
在這個(gè)過程中,沿著插補(bǔ)直線方向,插補(bǔ)段L內(nèi)加工表面法向矢量的轉(zhuǎn)動(dòng)角不斷變化,位于P1處的θ/2變化至插補(bǔ)中點(diǎn)0,在P2點(diǎn)為-θ/2,從而產(chǎn)生了法向矢量轉(zhuǎn)動(dòng)誤差δn。
與此同時(shí),直線向曲線逼近時(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(yùn)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(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(duì)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。
參考文獻(xiàn)
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曲面數(shù)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(biāo)數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行和完成。
其中應(yīng)用最廣泛的是三坐標(biāo)曲面加工。
曲面加工中的分析與優(yōu)化一直是數(shù)控加工技術(shù)的重要研究方向和重要應(yīng)用對(duì)象,尤其對(duì)加工誤差的研究和分析更是非常重視。
數(shù)控加工中有很多原因會(huì)引起加工誤差,例如機(jī)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(jī)床的運(yùn)動(dòng)誤差等,本文從加工方法的分析與補(bǔ)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(duì)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(shù)控加工技術(shù)的重要研究和應(yīng)用對(duì)象,其重點(diǎn)就是對(duì)加工誤差的研究與分析,下面本文將對(duì)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(bǔ)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(biāo)曲面加工,加工特點(diǎn)是過程中刀具軸線方向始終平行于Z軸坐標(biāo)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作直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)的過程中,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(bǔ)段中點(diǎn)附近發(fā)生,包括法向矢量轉(zhuǎn)動(dòng)誤差和直線逼近誤差。
并且和插補(bǔ)段的長度的平方呈正比,適量轉(zhuǎn)動(dòng)誤差是因?yàn)榧庸け砻娣ㄏ蚴噶垦夭逖a(bǔ)直線方向是轉(zhuǎn)動(dòng)所導(dǎo)致的,并且和刀具半徑成正比。
1.3 法向矢量轉(zhuǎn)動(dòng)誤差補(bǔ)償
加工表面法向矢量沿插補(bǔ)直線方向的轉(zhuǎn)動(dòng)可導(dǎo)致法向矢量轉(zhuǎn)動(dòng)誤差,我們可以使用修正刀心位置的方法進(jìn)行補(bǔ)償法向矢量轉(zhuǎn)動(dòng)誤差,為了達(dá)到刀具的切削運(yùn)動(dòng)軌跡與曲面更逼近的目的,在實(shí)際處理的過程中,僅僅對(duì)凸曲面實(shí)施法向矢量轉(zhuǎn)動(dòng)誤差補(bǔ)償,而對(duì)凹曲面不做任何補(bǔ)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)際加工的過程中,刀具不可能和整個(gè)偏置曲面偏離,只是可能沿著它本身的一些有限的曲線軌跡運(yùn)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)的切削路線或在刀具偏置面上確定刀具的運(yùn)動(dòng)路線的方法,因?yàn)椴灰粯拥淖叩盾壽E對(duì)加工效率和加工質(zhì)量都有重要的作用,所以現(xiàn)階段對(duì)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(yùn)動(dòng)來近似包絡(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(dǎo)致表面殘余高度增大,使得后續(xù)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(chǔ)上提高生產(chǎn)率的要求,應(yīng)該制定合理的加工方案以便在符合殘余高度標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)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(chǔ)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程中,選擇的進(jìn)給方向應(yīng)該使方向角最小化,與鼓型刀相反。
1.3 走刀步長的優(yōu)化與分析
控制加工誤差的大小是走刀步長的計(jì)算依據(jù),以往經(jīng)驗(yàn)告訴我們,加工精度的要求越高,走刀的步長就要越小,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(chǔ)上,應(yīng)該使走刀步長最大化,以提高加工效率和編程效率。
加工編程中,可以使用直線逼近誤差和殘余高度的方法,也可以使用固定走刀步長的方法,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,因?yàn)槠溆?jì)算相對(duì)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(jù)以往經(jīng)驗(yàn),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(chǔ)上,應(yīng)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?yàn)槠溆?jì)算相對(duì)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(yīng)該符合加工表面的大小
(2) 刀具半徑應(yīng)該與法向矢量轉(zhuǎn)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(jié)束語
綜上所述,曲面加工中的分析與優(yōu)化一直是數(shù)控加工技術(shù)的重要研究方向和重要應(yīng)用對(duì)象,尤其對(duì)加工誤差的研究和分析更是非常重視。
數(shù)控加工中有很多原因會(huì)引起加工誤差,例如機(jī)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(jī)床的運(yùn)動(dòng)誤差等,本文從加工方法的分析與補(bǔ)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(duì)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(xiàn)
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