CN102581705A - 一种铣削加工工件误差的分度补偿方法 - Google Patents

一种铣削加工工件误差的分度补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种铣削加工工件误差的分度补偿方法，步骤为：根据球头铣刀刀具磨损模型获得工件加工表面上各个位置处随时间变化的加工误差曲线；根据工件加工精度域得到一系列逼近误差曲线的分度直线段，作为分度补偿法确定加工误差补偿值的依据；沿基轴方向进行对称，得到与各个原分度直线段对称的直线段，该直线段上各个点的坐标值即为对应的工件上该点需要补偿的值；在各个分段直线上选定一个域度，划分各个直线段，得到对应的补偿数值，对刀具切削到该位置处的加工坐标进行修改；设定加工时刀具沿X轴方向进给，分别补偿Y方向和Z方向的加工误差，对刀具中心的加工坐标进行修改。此方法可解决铣削加工过程中刀具磨损引起的加工误差的补偿问题。

Description

一种铣削加工工件误差的分度补偿方法
技术领域
本发明属于数控铣削加工领域，特别涉及数控铣削加工中刀具磨损引起的工件加工误差补偿问题。
背景技术
随着现代机械制造业的发展，对零件加工精度的要求越来越高。而在实际的铣削加工过程中，由于受各种因素的影响不可避免地会产生加工误差。加工误差是影响工件加工质量非常重要的因素，会使工件加工精度明显降低，过大的加工误差甚至会造成零件报废，严重影响加工效率和效益。提出有效的误差补偿方法是提高工件加工质量的关键。
目前，对数控铣削加工过程中产生的加工误差的补偿主要采用两种方式：在线补偿和离线补偿。
在线补偿是通过在加工过程中实时监测机床加工位置，出现偏差则实时进行补偿的一种方法。在线补偿需要特定的硬件设备，对传感器要求比较高，在计算中需要实时处理大量数据，并且对传感器测量位置的要求也很高，这中间还需要一些对传感器优化的过程，因此，在线补偿的加工成本较高。另外，在实时补偿的过程中，需要根据监测的信号对加工过程进行调整，甚至暂停加工，对加工效率也有一定影响。
与在线补偿的方法相比，加工误差离线补偿不影响加工过程，可以根据预先建立的加工误差模型提前对加工过程中产生的误差进行预测，在实际加工前确定补偿方法，对各个因素产生的加工误差进行补偿，提高加工效率，并降低生产成本。
现有的离线补偿研究有的只是说明了补偿的理论可行性，在实际加工中如何实现补偿没有给出具体的补偿手段；有的只是进行了局部加工工艺的优化，加工过程中实际补偿效果难以预计，有待进一步改进；有的虽然介绍了较为详细的方法，但涉及到的补偿算法复杂，应用到实际加工中比较困难。如何实现较为有效且易操作实现的误差补偿方法亟待解决。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种铣削加工工件误差的分度补偿方法，其可解决铣削加工过程中刀具磨损引起的加工误差的补偿问题。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种铣削加工工件误差的分度补偿方法，包括如下步骤：
(1)在球头铣刀刀具磨损模型的基础上，分析磨损后球头铣刀切削刃外轮廓刃线的变化情况，建立基于刀具磨损的加工误差模型，从而获得工件加工表面上各个位置处随时间变化的加工误差曲线；
(2)根据实际加工的工件要求的精度域，以该精度域的整数倍为分度作一系列平行于基轴的直线，将加工误差曲线划分为多个部分，这些直线与误差曲线相交得到一系列交点，将两两相邻的交点用直线段连接，得到一系列逼近误差曲线的直线段，作为分度补偿法确定加工误差补偿值的依据；
(3)将前述逼近误差曲线的直线段沿基轴方向进行对称，得到与各个原分度直线段对称的直线段，该直线段上各个点的坐标值即为对应的工件上该点需要补偿的值，通过将刀具中心的走刀轨迹按照该补偿值进行反向偏移，即能够补偿铣削加工过程中由刀具磨损产生的加工误差；
(4)依据之前确定的对称后的分段直线来对刀具中心进行偏移，在各个分段直线上选定一个域度，以各个域度来划分各个直线段，得到对应的该位置处的补偿数值，按照此数值来对刀具切削到该位置处的加工坐标进行修改；
(5)设定加工时刀具沿X轴方向进给，补偿Y方向的加工误差时，用分解后的Y向的加工误差分量作出Y方向的加工误差变化曲线，再重复步骤(2)-(4)，确定该方向上需要补偿的误差值，对刀具中心的加工坐标进行修改；
(6)对Z向的加工误差进行补偿，用分解后的Z方向的加工误差分量作出Z方向的加工误差变化曲线，再重复步骤(2)-(4)，确定该方向上需要补偿的误差值，对刀具中心的加工坐标进行修改。
上述步骤(1)中，假设磨损后切削刃外轮廓上的切削微元由P变为P′，P′对应的位置角处磨损后的切削刃上点的坐标表示为
Figure BDA0000141903550000032
该位置角处于法线方向上，未磨损时切削刃上点的坐标为
Figure BDA0000141903550000033
由此得到刀具磨损产生的在刀具位置角
Figure BDA0000141903550000034
所在直线上的误差如式(1)所示：
Figure BDA0000141903550000035
对式(1)向X、Y、Z三个方向进行分解，得到刀具磨损引起的在三个坐标轴方向的加工分量误差如式(2)，据此作出各个方向误差分量的变化曲线：
其中，δx为X方向的加工误差，δy为Y方向的加工误差，δz为Z方向的加工误差，ω为刀具旋转角速度，t为铣削加工时间。
上述步骤(5)中，对Y向误差进行补偿时，第一次走刀的补偿值是C1j(x，y)，此时得到该处补偿后的实际剩余误差为D1(x，y)-C1j(x，y)，其中，i表示走刀次数，j表示第i次走刀里的第j个补偿直线段，Di(x，y)表示第i次走刀的误差数组，Cij(x，y)表示第i次走刀的第j个补偿直线段里的补偿值数组；
第二至i次走刀的补偿值是Cij(x，y)＝Di(x，y)+C(i-1)j(x，y)+D(i-1)(x，y)；
其中，i＝2，3，…。
采用上述方案后，本发明根据建立的加工误差模型，得到工件上各个位置点处的加工误差，获得误差曲线，再以工件要求的加工精度域为分度做一系列与误差曲线相交的直线，得到一系列交点，将每两个相邻的交点用直线段相连，形成一段段逼近误差曲线的斜线段，以此为依据对刀具中心走刀轨迹进行偏移，从而解决补偿加工过程中由刀具磨损引起的加工误差问题。
附图说明
图1是本发明中磨损前后球头切削刃外轮廓刃线示意图；
图2是本发明中切削刃位置角π/18处对应的加工误差变化曲线图；
图3是本发明中分度补偿加工误差示意图；
图4是本发明中补偿Y向加工误差的刀具中心轨迹示意图；
图5是本发明中修改刀具中心轨迹补偿加工误差示意图；
图6是本发明中Z向加工误差补偿示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明提供一种铣削加工工件误差的分度补偿方法，包括如下步骤：
(1)根据球头铣刀铣削过程的刀具磨损模型，建立由刀具磨损引起的工件加工误差模型，为补偿提供依据。
考虑磨损对刀具切削刃外轮廓刃线形状的影响，如图1所示，磨损后切削刃外轮廓上的切削微元由P变为P′，P′对应的位置角处磨损后的切削刃上点的坐标即可表示为
Figure BDA0000141903550000042
该位置角处于法线方向上，未磨损时切削刃上点的坐标为
Figure BDA0000141903550000043
由此可以得到刀具磨损产生的在刀具位置角
Figure BDA0000141903550000044
所在直线上的误差如式(1)所示。根据该误差模型得到的位置角π/18处的加工误差曲线形状如图2所示。
Figure BDA0000141903550000045
将式(1)向X、Y、Z三个方向进行分解，得到式(2)所示刀具磨损引起的在三个坐标轴方向的加工分量误差，据此可以做出各个方向误差分量的变化曲线，为补偿时采用分度直线逼近误差曲线进行补偿提供依据。
Figure BDA0000141903550000046
其中，δx为X方向的加工误差，δy为Y方向的加工误差，δz为Z方向的加工误差，ω为刀具旋转角速度，t为铣削加工时间。
(2)根据工件加工精度，确定误差曲线分度
选取加工工件设定的公差λ，每隔λ为一个分度，做平行于x轴且与误差曲线相交的直线，如图3所示，则得到一系列分度直线与误差曲线的交点P1、P2、P3……，这些交点对应的x轴的横坐标表示刀具沿进给方向移动的距离。
将得到的一系列交点中相邻两点连接起来，这样就得到一系列逼近误差曲线的直线段OP1、P1P2、P2P3……，这些直线段就是刀具中心轨迹进行偏移的依据，从图3中可以看出，用分度优化补偿法进行补偿后，并不是工件上各个切削点处由刀具磨损引起的加工误差都被完全补偿，而是存在一个对应点处误差值与该点对应的补偿值之间的一个很小的差值，如图3中阴影部分所示，这个差值是个很小的数值并且在加工精度域λ允许的范围内。
(3)将分段直线向基轴对称
将根据工件的加工精度域划分得到的逼近加工误差曲线的直线段OP1、P1P2、P2P3……沿误差曲线的基轴OX进行对称处理，得到图4所示的OO1、O1O2、O2O3……各个直线段，要想抵消由刀具磨损引起的加工误差量，只需将理论刀具中心按照上述直线进行偏移，即可得到补偿后的刀具中心走刀轨迹。
(4)分度直线上各点补偿值的确定
获得用于修改刀具中心走刀轨迹的各段分度直线后，依据各个线段上对应点的数值作为补偿值对刀具各个加工位置点的坐标进行修改。以图4中x2x3所对应的补偿线段O2O3为例，刀具沿X轴进给过程中，加工位置点坐标的修改对应于O2O3段直线上各个点的纵坐标数值，即为对应的横坐标位置点处的补偿值，用数组C12(x，y)表示，其上各点的值为C12(x2，y2)+Δ·(x-x2)/(x3-x2)，其中，C12(x2，y2)为x2点对应的误差曲线上P2点的补偿值，Δ为分段直线内划分的取点分度域。
(5)Y向加工误差的分度补偿
由于刀具进给方向上的误差会被后续走刀切除掉，因此刀具沿X方向进给时，只有Y和Z两个方向的误差需要补偿。确定Y向误差的补偿值时，对于第一次走刀，补偿时只需考虑由刀具磨损引起的加工误差的数值，不涉及走刀步间的影响，根据图3中构成误差曲线的误差数组Di(x，y)可获得走刀位置各对应点的误差值，再根据图4中的分段直线获得对应点的补偿值Cij(x，y)，此时得到该处补偿后的实际剩余误差为D1(x，y)-C1j(x，y)，其中，i表示走刀次数，j表示第i次走刀里的第j个补偿直线段，Di(x，y)表示第i次走刀的误差数组，Cij(x，y)表示第i次走刀的第j个补偿直线段里的补偿值数组。
确定第一次走刀补偿分段直线对应的补偿值数组C1j(x，y)里面各个补偿值时，按照前述步骤(4)中所述获得各个补偿分段内的补偿值，用以修改该次刀具中心的加工坐标。以第三个补偿线段O2O3为例，直线上各个点的补偿值C12(x，y)为C12(x2，y2)+Δ·(x-x2)/(x3-x2)，其中，C12(x2，y2)为分度直线与误差曲线的第二个交点对应的误差曲线上的补偿值。
从第二次走刀开始，补偿值的确定除了需要考虑误差的大小还需包含先前补偿对误差的影响，参照图5所示的走刀步间的几何关系，因为刀具磨损对走刀两侧轨迹均产生影响，补偿第二次走刀进给方向右侧的误差需要将第一次走刀进给方向刀具左侧的误差包含进去，因此，确定第二次走刀的补偿值时，将D2(x，y)+C1j(x，y)+D1(x，y)作为第二次走刀的误差数组替代图3中第一次走刀的误差数组D1(x，y)，进而确定第二次走刀时的补偿量C2j(x，y)。
同理，用D3(x，y)+C2j(x，y)+D2(x，y)替代图3中的误差数组D1(x，y)，用同样的方法得到第三次走刀的补偿量C3j(x，y)。按照这种方法对加工过程中由刀具磨损产生的加工误差进行补偿，直到走刀结束为止。
(6)Z向加工误差的分度补偿
对于Z方向的补偿，和Y方向不同的是，前一次走刀的补偿值不会对后一次走刀Z方向的误差补偿产生影响，下面具体分析Z方向的补偿过程。如图6所示，刀具切削刃上点Pn在磨损后变化为刀具同一高度处的
Figure BDA0000141903550000061
若点
Figure BDA0000141903550000062
所对的位置角为
Figure BDA0000141903550000063
此时
Figure BDA0000141903550000064
对应的法向误差就为
Figure BDA0000141903550000065
补偿时就是将此时刀具中心由On沿
Figure BDA0000141903550000066
方向偏移到O′n。经过刀具中心的偏移补偿后，刀具进给方向另一侧和
Figure BDA0000141903550000067
相同位置处的点
Figure BDA0000141903550000068
补偿将在Y方向偏移两倍的
Figure BDA0000141903550000069
指代法向误差
Figure BDA00001419035500000610
在Y方向分解后的分量。假如第(n+1)次走刀对
Figure BDA00001419035500000611
进行补偿，不对上一次走刀磨损补偿后产生的两倍的
Figure BDA00001419035500000612
这个差值进行补偿，将会出现
Figure BDA00001419035500000613
这段欠切区域。因此，第(n+1)次走刀补偿时，应先把刀具中心On+1先沿Y方向平移两倍的
Figure BDA00001419035500000614
到On+1′处，再进行On+1′到On+1″的补偿。从图6中的几何关系可以看出，对
Figure BDA00001419035500000615
的补偿不会对
Figure BDA00001419035500000616
欠切区域在Z方向产生任何影响，也就是说刀具中心从On+1到On+1′的移动只在Y方向，不会对Z方向的加工误差产生影响，因此在对Z方向进行补偿时，只需考虑此次走刀Z方向的误差值，对其进行补偿，无需要如Y向补偿时要考虑前次走刀补偿后的影响。至此，对每次走刀Z方向的误差进行补偿时，只需将当次走刀的误差数组代替图3中误差数组D1(x，y)，然后按照分度优化补偿的方法获得每次走刀的补偿值即可。
需要说明的是，用分度补偿法进行补偿后，并不是工件上各个切削点处由刀具磨损引起的加工误差都被完全补偿，而是存在一个对应点处误差值与该点对应的补偿值之间的一个很小的差值，这个差值是个很小的数值并且在加工精度允许的范围内。
本发明所采用的分度补偿采用简单的直线插补，将大大提高原始数控代码修正效率及数控系统后续处理速度。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种铣削加工工件误差的分度补偿方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)在球头铣刀刀具磨损模型的基础上，分析磨损后球头铣刀切削刃外轮廓刃线的变化情况，建立基于刀具磨损的加工误差模型，从而获得工件加工表面上各个位置处随时间变化的加工误差曲线；
(2)根据实际加工的工件要求的精度域，以该精度域的整数倍为分度作一系列平行于基轴的直线，将加工误差曲线划分为多个部分，这些直线与误差曲线相交得到一系列交点，将两两相邻的交点用直线段连接，得到一系列逼近误差曲线的直线段，作为分度补偿法确定加工误差补偿值的依据；
(3)将前述逼近误差曲线的直线段沿基轴方向进行对称，得到与各个原分度直线段对称的直线段，该直线段上各个点的坐标值即为对应的工件上该点需要补偿的值，通过将刀具中心的走刀轨迹按照该补偿值进行反向偏移，即能够补偿铣削加工过程中由刀具磨损产生的加工误差；
(4)依据之前确定的对称后的分段直线来对刀具中心进行偏移，在各个分段直线上选定一个域度，以各个域度来划分各个直线段，得到对应的该位置处的补偿数值，按照此数值来对刀具切削到该位置处的加工坐标进行修改；
(5)设定加工时刀具沿X轴方向进给，补偿Y方向的加工误差时，用分解后的Y向的加工误差分量作出Y方向的加工误差变化曲线，再重复步骤(2)-(4)，确定该方向上需要补偿的误差值，对刀具中心的加工坐标进行修改；
(6)对Z向的加工误差进行补偿，用分解后的Z方向的加工误差分量作出Z方向的加工误差变化曲线，再重复步骤(2)-(4)，确定该方向上需要补偿的误差值，对刀具中心的加工坐标进行修改。
2.如权利要求1所述的一种铣削加工工件误差的分度补偿方法，其特征在于：所述步骤(1)中，假设磨损后切削刃外轮廓上的切削微元由P变为P′，P′对应的位置角
Figure FDA0000141903540000011
处磨损后的切削刃上点的坐标表示为
Figure FDA0000141903540000012
该位置角处于法线方向上，未磨损时切削刃上点的坐标为
Figure FDA0000141903540000013
由此得到刀具磨损产生的在刀具位置角所在直线上的误差如式(1)所示：
Figure FDA0000141903540000015
对式(1)向X、Y、Z三个方向进行分解，得到刀具磨损引起的在三个坐标轴方向的加工分量误差如式(2)，据此作出各个方向误差分量的变化曲线：
其中，δx为X方向的加工误差，δy为Y方向的加工误差，δz为Z方向的加工误差，ω为刀具旋转角速度，t为铣削加工时间。
3.如权利要求1所述的一种铣削加工工件误差的分度补偿方法，其特征在于：所述步骤(5)中，对Y向误差进行补偿时，第一次走刀的补偿值是C1j(x，y)，此时得到该处补偿后的实际剩余误差为D1(x，y)-C1j(x，y)，其中，i表示走刀次数，j表示第i次走刀里的第j个补偿直线段，Di(x，y)表示第i次走刀的误差数组，Cij(x，y)表示第i次走刀的第j个补偿直线段里的补偿值数组；
第二至i次走刀的补偿值是Cij(x，y)＝Di(x，y)+C(i-1)j(x，y)+D(i-1)(x，y)；
其中，i＝2，3，…。
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