CN102854841B - 一种曲面零件的形位误差原位补偿加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种曲面零件的形位误差原位补偿加工方法。包括如下步骤：1）将接触式触发测头安装在数控机床的主轴上；2）对待测曲面进行加工精度检测；3）将被加工曲面的形位误差分解为系统误差和随机误差；4)根据上一步获取的系统误差，修改原有的数控代码；5)在原来的装夹位置对被加工曲面进行原位再加工。本发明克服了目前复杂曲面零件误差补偿中存在的在三坐标测量机(CMM)上对曲面零件进行形位误差离线检测后，若误差超过设定值需重新在数控铣床上装夹工件才能进行补偿加工的缺点，使检测过程和误差补偿过程直接在同一台数控铣床上进行，避免了零件多次装夹所带来的定位误差，使加工和检测集成在一起，可有效提高生产效率及提高被加工曲面的加工精度。

Description

一种曲面零件的形位误差原位补偿加工方法

技术领域

本发明是一种曲面零件的形位误差原位补偿加工方法，特别是一种在数控铣床上对复杂曲面零件进行加工精度的在线检测后、直接在该机床上对该零件进行形位误差原位补偿加工的方法，属于复杂零件的曲面形位精度的改造技术。

背景技术

随着制造业技术和装备的不断进步，对复杂零件/产品的精度、效率、质量和外观要求愈来愈高。传统的数控加工方法难以适应复杂曲面零件的高效高质量加工要求。如何提高复杂曲面加工的效率和精度一直是数控加工中亟待解决的问题。在机械加工中，机床加工精度最终是由机床上刀具与工件之间的相对位移决定的，刀具与工件之间的相对位移误差需要通过一定的数学方法来计算获得。工艺系统的几何误差和力、热等因素导致的误差的存在，使得实际加工出来的曲面与理想曲面必定存在一定的误差。形位误差受到许多因素的影响，诸如刀具磨损、热变形、刀具变形、夹具变形和机床变形、振动及定位误差等等。不断提高机械零件的加工精度一直是科研人员的研究热点。利用离线检测的方法进行误差补偿，已经有了比较多的研究。但离线误差补偿需要工件的二次定位装夹，容易产生二次定位误差。对在线实时补偿技术也进行了相当多的研究，但应用在线实时补偿的成本高、实施复杂。实时检测的优势是可以对正在加工的零件实施及时的修正与补偿质量缺陷的活动，以消除废次品的产生。在自动化制造中，典型的实时检测是利用自动化检测传感器进行100％检测，例如刀片周边磨削时，利用装于磨床上的声发射接触传感器和尺寸检测装置，在磨削过程中实施检测，直到合格时才停止加工，自动卸下工件，并记录下检测结果。就目前的技术和产品支撑条件而言，配置实时检测常常比较困难（使装备复杂化）而又昂贵，除了少数关键装备外，若要普遍配置，则要求花费相当多投资，且在现在与将来的市场条件下，不一定能收回这些投资。

形位误差原位补偿是在制造过程刚一完成就立即在机床上进行测量，根据测量结果得到曲面的形位误差，在机床的原有装夹位置对其中的系统误差进行补偿加工。一般情况下，系统误差远大于随机误差，同时系统误差又是有确定性规律的误差，因此，对加工过程中的系统误差进行补偿，是进行形位误差补偿的可行办法。虽然在线检测方式将占据一定的生产时间，但工件超差后无需进行二次定位装夹，从产品加工的整体来看，仍将有助于生产效率和产品质量的保证。检测过程和形位误差补偿过程直接在同一台数控机床上进行，避免了零件多次装夹所带来的定位误差。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种可以提高被加工曲面的加工精度的曲面零件的形位误差原位补偿加工方法。本发明克服了目前复杂曲面零件误差补偿中存在的在三坐标测量机上对曲面零件进行形位误差离线检测后，若误差超过设定值需重新在数控铣床上装夹工件才能进行补偿加工的缺点，使检测过程和误差补偿过程直接在同一台数控机床上进行，避免了零件多次装夹所带来的定位误差，使加工和检测集成在一起，有效地提高了生产效率。

本发明的技术方案是：本发明的一种曲面零件的形位误差原位补偿加工方法，包括有如下步骤：

1）将接触式触发测头安装在数控机床的主轴上；

2）对待测曲面进行加工精度检测；

3）将被加工曲面的形位误差分解为系统误差和随机误差；

4)根据上一步获取的系统误差，修改原有的数控代码；

5)在原来的装夹位置对被加工曲面进行原位再加工。

上述步骤1）是将接触式触发测头安装在数控铣床的主轴上。

上述步骤2）对待测曲面进行加工精度检测是采用数控机床在线检测系统实现。

上述步骤3）将被加工曲面的形位误差分解为系统误差和随机误差采用空间统计分析方法,上述空间统计分析方法如下：

空间统计分析方法是以具有地理空间信息特性的事物或现象的空间相互作用及变化规律为研究对象，以具有空间分布特点的区域化变量理论为基础的一名新学科，可以研究空间分布数据的结构性与随机性、空间相关性与依赖性，空间统计分析方法假设研究区中所有的值都是非独立的，相互之间存在相关性。在空间或时间范畴内，这种相关性被称为自相关；

空间自相关分析是检验具有空间位置的某变量的观测值是否显著地与其相邻空间点上的观测值相关联，Moran’s I统计是全局空间相关性分析的一种有效的定量统计方法，从统计学的观点来看，通过在线检测得到的取样点的形位误差可以看作空间分布的数据点，从而为应用空间统计学方法分析形位误差提供了可能，若用ε_i表示样本位置点i到理想曲面的形位偏差，表示n个测量点处的ε平均值，莫兰指数Moran’s I表示为：

${\mathrm{Moran}}^{\′}\mathrm{s\; I}=\frac{n}{S_0}\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}({\mathrm{\ϵ}}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}})({\mathrm{\ϵ}}_j-\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}})}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\ϵ}}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}})}^2}---\left(1\right)$

此处ω_ij表示在位置i点处，位置j对它的空间作用的度量权重系数；

检验统计量由下式计算

$Z=\frac{\left({\mathrm{Moran}}^{\′}\mathrm{sI}\right)-{\mathrm{\μ}}_M}{{\mathrm{\σ}}_M}---\left(2\right)$

上式中μ_M＝E{Moran'sI}

${\mathrm{\σ}}_M=\sqrt{\mathrm{Var}\left\{{\mathrm{Moran}}^{\′}\mathrm{sI}\right\}}$

如果取样点形位偏差{ε_i}具有空间自相关性，就表示具有相近值的取样点形位偏差趋向于聚集在相邻的区域，因此，采用假设检验的方法进行分析，假设检验的方法描述为：取显著性水平为0.01，其标准正态分布的临界值Z_0.01的值是2.33，如果Z<Z_0.01，则认为偏差服从空间独立分布，偏差就可以作为是随机误差了；反之如果Z>Z_0.01，则认为偏差具有自相关性，误差值既包括随机误差部分，又包括系统误差部分，在此情况下，还需要进行误差分解，分别求出系统误差和随机误差；

进一步的误差分解方法为：

1）构造确定性曲面，确定性曲面是将系统误差迭加到理想曲面上形成的新曲面，以工程上常用的双三次B样条曲面描述确定性曲面模型；

2）计算各样本点的残差，残差是样本位置点到确定性曲面的法向偏差；根据检验统计量Z的值判断残差的空间相关性；

3）若残差服从空间统计分布的独立性条件，则残差可以视为随机误差，形位误差与残差的差值即为系统误差，计算终止；若残差不服从空间统计分布的独立性条件，则增加确定性曲面的曲面片数量，转1）。

上述步骤4）根据上一步获取的系统误差修改原有的数控代码，是采用镜像对称法，上述镜像对称法如下：

为减小实际表面和理想表面之间的误差，当获得了形位误差后，将刀具偏移理论轨迹一个距离，即可减少形位误，具体补偿时，刀具偏移量通过修改NC代码生成新的刀具路径，以对系统误差进行补偿，建立刀具中心的实际位置和理想位置的关系是误差补偿的关键，依据理想位置修正刀具中心的实际位置，补偿点的计算公式如下：

$P_{\mathrm{mod}\mathrm{ified}}(u,v)=N(u,v)-{\hat{e}}_s(u,v)\hat{n}(u,v)---\left(3\right)$

式中，N(u,v)表示理想曲面，表示系统误差的估计值，表示N(u,v)的法矢方向,只要将理想曲面a的刀具路径偏移一个系统误差值e_s，即可得到新的补偿曲面b，实现形位误差补偿。

本发明由于采用在待检测的复杂曲面加工完成后，在数控铣床的工作台上直接进行在线检测的方法获得高精度的形位误差检测结果，对此检测结果进行分析进而获得被测曲面的系统误差和随机误差，根据系统误差修改原有的数控代码，继而对被测曲面进行原位补偿加工。本发明的优点是：本发明的方法可以在数控铣床上直接对加工完成后的复杂曲面进行在线检测，获得被加工曲面的加工精度，进而进行形位误差的原位补偿，克服了目前复杂曲面零件误差补偿中存在的在三坐标测量机(CMM)上对曲面零件进行形位误差离线检测后，若误差超过设定值需重新在数控铣床上装夹工件才能进行补偿加工的缺点，有效地提高了生产效率和零件的加工精度，本发明具有显著的经济效益、社会效益。本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的复杂零件的曲面形位误差的补偿加工方法。

附图说明

图1为本发明一种曲面零件的形位误差原位补偿加工方法流程图。

图2为镜像对称法修改数控代码的原理图。

图3为本发明的方法图。

具体实施方式

实施例：

本发明的一种曲面零件的形位误差原位补偿加工方法，本实施例是利用数控铣床对复杂曲面工件进行形位误差原位补偿加工方法，该方法适应于，当数控铣床对复杂曲面零件进行加工，完成一个加工工序后，直接在数控铣床的工作台上对工件进行检测，若发现形位误差超过允许值，在不改变工件装夹的条件下直接在数控铣床上进行原位误差补偿，可以避免将工件移动到其他检测设备（如三坐标测量机）上检测带来的二次定位误差，也可避免对尺寸和重量大的工件进行搬运所带来的不便。本实施例的方法中被加工的工件在检测完成后，在同一数控铣床的进行形位误差补偿，包括以下步骤：

步骤一：将接触式触发测头安装在数控铣床的主轴上。主轴带动测头运动，测头实施对被测曲面的坐标检测，检测结果记录在检测软件中。

步骤二：对待测曲面进行加工精度检测。利用检测软件求出被测曲面的形位误差。

步骤三：将被加工曲面的形位误差分解为系统误差和随机误差；

形位误差分解是采用空间统计分析的方法实现的。通过建立基于双三次B样条曲面的确定性曲面c，对样本点的残差进行空间独立性分析，分解出系统误差和随机误差。

步骤四：根据上一步获取的系统误差，修改原有的数控代码；

如图2所示，刀具偏移量用“镜像对称法”得到。依据理想位置修正刀具中心的实际位置，补偿点的计算公式如下：

$P_{\mathrm{mod}\mathrm{ified}}(u,v)=N(u,v)-{\hat{e}}_s(u,v)\hat{n}(u,v)---\left(1\right)$

上式中，N(u,v)表示理想曲面，表示系统误差的估计值，表示N(u,v)的法矢方向。从图2可以看出，只要将理想曲面的刀具路径偏移一个系统误差值，即可得到新的补偿曲面，实现形位误差补偿。

步骤五：将修改后的数控代码输入到机床数控系统，在原来的装夹位置对曲面进行原位再加工，从而获得高精度的加工曲面。

本实施例使用配备有FANUC 0i-MD数控系统的加工中心和TP6L测头系统。

Claims (4)

1.一种曲面零件的形位误差原位补偿加工方法，其特征在于包括有如下步骤：

1)将接触式触发测头安装在数控机床的主轴上；

2)对被加工曲面进行加工精度检测；

3)将被加工曲面的形位误差分解为系统误差和随机误差；

4)根据上一步获取的系统误差，修改原有的数控代码；

5)在原来的装夹位置对被加工曲面进行原位再加工；

上述步骤3)将被加工曲面的形位误差分解为系统误差和随机误差采用空间统计分析方法,上述空间统计分析方法如下：

空间统计分析方法是以具有地理空间信息特性的事物或现象的空间相互作用及变化规律为研究对象，以具有空间分布特点的区域化变量理论为基础的一门新学科，可以研究空间分布数据的结构性与随机性、空间相关性与依赖性，空间统计分析方法假设研究区中所有的值都是非独立的，相互之间存在相关性，在空间或时间范畴内，这种相关性被称为自相关；

空间自相关分析是检验具有空间位置的某变量的观测值是否显著地与其相邻空间点上的观测值相关联，Moran’sI统计是全局空间相关性分析的一种有效的定量统计方法，从统计学的观点来看，通过在线检测得到的取样点的形位误差可以看作空间分布的数据点，从而为应用空间统计学方法分析形位误差提供了可能，若用ε_i表示样本位置点i到理想曲面的形位误差，表示n个测量点处的ε平均值，莫兰指数Moran’sI表示为：

$\mathrm{Moran}\&prime;\mathrm{s\; I}=\frac{n}{S_0}\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{ij}}({\mathrm{\&epsiv;}}_i-\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}})({\mathrm{\&epsiv;}}_j-\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}})}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{({\mathrm{\&epsiv;}}_i-\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}})}^2}---\left(1\right)$

此处ω_ij表示在位置i点处，位置j对它的空间作用的度量权重系数；

检验统计量由下式计算

$Z=\frac{(\mathrm{Moran}\&prime;\mathrm{s\; I})-{\mathrm{\&mu;}}_M}{{\mathrm{\&sigma;}}_M}---\left(2\right)$

上式中μ_M＝E{Moran'sI}

${\mathrm{\&sigma;}}_M=\sqrt{\mathrm{Var}\{\mathrm{Moran}\&prime;\mathrm{s\; I}\}}$

如果取样点形位误差{ε_i}具有空间自相关性，就表示具有相近值的取样点形位误差趋向于聚集在相邻的区域，因此，采用假设检验的方法进行分析，假设检验的方法描述为：取显著性水平为0.01，其标准正态分布的临界值Z_0.01的值是2.33，如果Z<Z_0.01，则认为偏差服从空间独立分布，偏差就可以作为是随机误差了；反之如果Z>Z_0.01，则认为偏差具有自相关性，误差值既包括随机误差部分，又包括系统误差部分，在此情况下，还需要进行误差分解，分别求出系统误差和随机误差；

进一步的误差分解方法为：

11)构造确定性曲面，确定性曲面是将系统误差迭加到理想曲面上形成的新曲面，以工程上常用的双三次B样条曲面描述确定性曲面模型；

12)计算各样本点的残差，残差是样本位置点到确定性曲面的法向偏差；根据检验统计量Z的值判断残差的空间相关性；

13)若残差服从空间统计分布的独立性条件，则残差可以视为随机误差，形位误差与残差的差值即为系统误差，计算终止；若残差不服从空间统计分布的独立性条件，则增加确定性曲面的曲面片数量，转11)。

2.根据权利要求1所述的曲面零件的形位误差原位补偿加工方法，其特征在于上述步骤1)是将接触式触发测头安装在数控铣床的主轴上。

3.根据权利要求1所述的曲面零件的形位误差原位补偿加工方法，其特征在于上述步骤2)对被加工曲面进行加工精度检测是采用数控机床在线检测系统实现。

4.根据权利要求1所述的曲面零件的形位误差原位补偿加工方法，其特征在于上述步骤4)根据上一步获取的系统误差修改原有的数控代码，是采用镜像对称法，上述镜像对称法如下：

为减小实际表面和理想表面之间的误差，当获得了形位误差后，将刀具偏移理论轨迹一个距离，即可减少形位误差，具体补偿时，刀具偏移量通过修改NC代码生成新的刀具路径，以对系统误差进行补偿，建立刀具中心的实际位置和理想位置的关系是误差补偿的关键，依据理想位置修正刀具中心的实际位置，补偿点的计算公式如下：

$P_{\mathrm{mod}\mathrm{ified}}(u,v)=N(u,v)-{\hat{e}}_s(u,v)\hat{n}(u,v)---\left(3\right)$

式中，N(u,v)表示理想曲面，表示系统误差的估计值，表示N(u,v)的法矢方向,只要将理想曲面a的刀具路径偏移一个系统误差值e_s，即可得到新的补偿曲面b，实现形位误差补偿。