CN105108580A - 五轴数控机床开闭角区域加工能力检测试件及检测方法 - Google Patents

五轴数控机床开闭角区域加工能力检测试件及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种五轴数控机床开闭角区域加工能力检测试件及检测方法，其试件包括试件A和试件B，试件A和试件B均包括一个矩形基座和设于矩形基座的上表面中心处的圆锥环；试件A和试件B的矩形基座和圆锥环均大小相同，但试件A的圆锥环端面面积较大的一端与矩形基座相连，试件B的圆锥环端面面积较小的一端与矩形基座相连。本发明相比较现有技术的NAS979试件仅存在闭角加工区域，增加了开角加工区域；较“S”形检验试件，本发明构型简易，便于推广应用，由于加工轨迹为圆形轨迹，采用通用CAM编程软件进行后置即可满足编程要求；且能更良好的反映机床加工开闭角区域的加工性能。

Description

五轴数控机床开闭角区域加工能力检测试件及检测方法
技术领域
本发明属于数控机床技术领域，具体涉及一种五轴数控机床开闭角区域加工能力检测试件及检测方法。
背景技术
五轴数控机床主要应用于模具、航空航天等复杂型面零件的加工制造。数控机床的精度决定了零件的加工精度，因此检测误差源并提高机床的加工精度是机床验收的关键环节。现有技术主要针对机床的几何精度、定位精度和重复定位精度，检测项目单一，且检测过程为静态检测。在机床动态精度验收中，通常采用标准试件试切方法进行动态精度检测，但由于受机床运动特性、数控系统功能、加工工艺特性、被加工件材料特性等因素的影响，导致检测方法和检测结果相差较大。目前，常用的标准试件有美国国家航空局70年代制定的NAS979试件和中国成都飞机工业(集团)有限责任公司制定的“S”形检测试件。NAS件通过圆锥台试件的加工产生的面粗糙度、圆度、角度、尺寸精度等指标来检验机床的动态精度。但是通过NAS979试件检测合格的机床，不能正确的反映多轴联动加工各运动部件的综合精度。因此，成飞公司提出了“S”形检验试件，该试件采用样条曲线生成非可展曲面，最终生成S形缘条。该试件具有开角加工区，闭角加工区域和开闭角转换加工区，以及缘条型面与基座平面的夹角变化、曲面不连续等加工特征，较只有闭角加工区、曲面连续的NAS979试件，其精度检测更为全面。但是，“S”形检测试件较NAS979试件而言，其构型复杂、加工特征繁多，导致其加工精度影响因素繁杂，不仅仅包含机床精度因素，所以，无法明确其加工误差是由机床导致。
在实际加工生产中，发现五轴数控铣床加工零件内壁和零件外壁时的精度是不一致的。根据申请号为“200710048269.7”、专利名称为“综合检测数控铣床精度的“S”形检测试件及其检测方法”的发明专利中对开闭角的描述，可以将试件内外壁分别定义为开角加工面和闭角加工面，如图9所示，型面上的法向I与基座平面法向J形成的有向角小于90°，该夹角为闭角，该型面为闭角加工面；反之，如果型面上的法向I与基座平面法向J形成的有向角大于90°，该夹角为开角，该形面为开角加工面。
发明内容
本发明的目的是为了测试数控机床的开闭角区域加工能力，提出了一套构型简单、特征较为单一且能够正确反映五轴数控机床加工开闭角区域能力的试件。
本发明的另一个目的是提供一种检测数控机床加工开闭角区域能力的方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种五轴数控机床开闭角区域加工能力检测试件，包括试件A和试件B，试件A和试件B均包括一个矩形基座和设于矩形基座的上表面中心处的圆锥环；试件A和试件B的矩形基座和圆锥环均大小相同，试件A的圆锥环端面面积较大的一端与矩形基座相连，试件B的圆锥环端面面积较小的一端与矩形基座相连。
优选的，所述圆锥环的中心与矩形基座的中心在水平方向的投影重合。
优选地，所述圆锥环被通过圆锥环中心并垂直于矩形基座的截面截出的纵截面为两个镜像对称的平行四边形。
优选地，所述矩形基座的厚度为20mm-25mm中的任一值，圆锥环的高度为20mm-30mm中的任一值。
优选地，所述矩形基座的长度为240mm-280mm中的任一值，宽度与长度相等。
优选地，所述圆锥环的外圆锥的最大直径为180-220mm中的任一值，外圆锥的最小直径由圆锥环的高度及固定半角唯一确定，内圆锥的最大直径为140-160mm中的任一值，内圆锥的最小直径由圆锥环的高度及固定半角唯一确定，圆锥环的高度与矩形基座厚度相等。
一种五轴数控机床开闭角区域加工能力检测方法，包括以下步骤：
步骤一、对试件A和试件B按所设计尺寸进行几何建模；
步骤二、通过通用CAM软件对已建的模型进行后置处理，加工流程分为三步：粗加工、半精加工和精加工；通过粗加工快速去除毛坯余量，使加工余量在5mm左右；半精加工对粗加工后的残留加工面加工平滑，使加工后能够留下1mm厚度的均匀加工余量；最后通过精加工使工件的尺寸和精度达到设计要求；
步骤三、利用五轴联动数控机床按照步骤二中编制的数控程序加工试件A和试件B；
步骤四、沿试件A圆锥环的内圆锥母线方向在其圆锥环内壁上取至少两条截线，沿试件A圆锥环的外圆锥母线方向在其圆锥环外壁上取至少两条截线，沿试件B圆锥环的内圆锥母线方向在其圆锥环内壁上取至少两条截线，沿试件B圆锥环的外圆锥母线方向在其圆锥环外壁上取至少两条截线，所述试件A圆锥环内、外圆锥母线方向的8mm和16mm处以及试件B圆锥环内、外圆锥母线方向的8mm和16mm处均取有截线；在每条截线上等间距选择16-64个检测点，利用三坐标测量机进行误差检测；
步骤五、根据三坐标测量机的检测结果绘制出试件A的圆锥环外壁、试件A的圆锥环内壁、试件B的圆锥环外壁以及试件B的圆锥环内壁的加工误差曲线。
根据试件A的圆锥环外壁与试件B的圆锥环外壁的加工误差曲线或者试件A的圆锥环内壁与试件B的圆锥环内壁的加工误差曲线可以得出五轴联动数控机床在同曲率下的开角、闭角加工能力；根据试件A的圆锥环外壁与试件B的圆锥环内壁的加工误差曲线或者试件A的圆锥环内壁与试件B的圆锥环外壁的加工误差曲线可以得出五轴联动数控机床在相同开闭角状态下不同曲率的加工能力。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
1、本发明能够检测五轴机床加工开闭角区域的加工能力，相比较现有技术的NAS979试件仅存在闭角加工区域，增加了开角加工区域。此外，本发明中的圆锥环内外壁具有大小两种曲率，较NAS979试件仅包含单一曲率而言，更符合实际的加工情况。
2、较“S”形检验试件，本发明构型简易，便于推广应用，且由于加工轨迹为圆形轨迹，所以采用通用CAM编程软件(如UG、CATIA等)进行后置即可满足编程要求。而“S”形检验试件是利用样条曲线定义，构型复杂，不宜推广应用，而通过通用CAM软件进行后置处理时，编程误差较大，需人为进行优化才能满足编程要求。
3、本发明型面特性简单，试件A和试件B的外壁(或内壁)可以检测五轴机床加工开闭角区域的加工能力。而“S”形检验试件虽然包含开角加工区域和闭角加工区域，但是在这些区域内，还包含曲面扭曲、曲率变化等几何特征，导致这些区域的加工精度是由多种几何特征共同作用导致的，不能良好的反映机床加工开闭角区域的加工性能。
附图说明
图1是本发明试件A结构示意图；
图2是本发明试件B结构示意图；
图3是本发明试件A的俯视图和侧视图；
图4是本发明试件B的俯视图和侧视图；
图5是本发明试件A的毛坯图；
图6是本发明试件B的毛坯图；
图7是本发明试件A的圆锥环外壁的截线和检测点示意图；
图8是本发明试件B的圆锥环外壁的截线和检测点示意图；
图9是本发明开闭角加工面定义图；
图10是本发明试件A圆锥环内外壁的加工误差曲线图；
图11是本发明试件B圆锥环内外壁的加工误差曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
如图1至图4所示，本发明的一种五轴数控机床开闭角区域加工能力检测试件，由于在一个试件中无法保证除开闭角特性外其他特性都一致，所以本发明设计了两种试件：试件A和试件B，试件A和试件B均包括一个矩形基座和设于矩形基座的上表面中心处的圆锥环，圆锥环的中心与矩形基座的中心在水平方向的投影重合，圆锥环被通过圆锥环中心并垂直于矩形基座的截面截出的纵截面为两个镜像对称的平行四边形；试件A和试件B的矩形基座和圆锥环均大小相同，矩形基座的厚度为20mm-25mm中的任一值，圆锥环的高度为20mm-30mm中的任一值；矩形基座的长度为240mm-280mm中的任一值，宽度与长度相等；圆锥环的外圆锥的最大直径为180-220mm中的任一值，外圆锥的最小直径由圆锥环的高度及固定半角唯一确定，内圆锥的最大直径为140-160mm中的任一值，内圆锥的最小直径由圆锥环的高度及固定半角唯一确定，圆锥环的高度与矩形基座厚度相等；但试件A的圆锥环端面面积较大的一端与矩形基座相连，试件B的圆锥环端面面积较小的一端与矩形基座相连。
在本实施例中，矩形基座的长和宽均为260mm，厚度为20mm；圆锥环的外圆锥的最大直径为200mm，最小直径为189.28mm，内圆锥的最大直径为160mm，最小直径为149.28mm，圆锥环的高度等于矩形基座的厚度，为20mm，可知试件A的圆锥环外壁和试件B的圆锥环内壁的开闭角为75°，而试件A的圆锥环内壁和试件B的圆锥环外壁的开闭角为105°。
由于试件A和试件B都是由圆锥环和矩形基座组合而成，所以两种试件的型面特征是一致的。根据图9中对开角加工面和闭角加工面的定义：型面上任意点法向与基座平面法向形成有向角α，0°≤α≤180°，α＜90°的夹角为闭角，α≥90°的夹角为开角。可以分析得到试件A的圆锥环外壁和试件B的圆锥环内壁为闭角加工面，而试件A的圆锥环内壁和试件B的圆锥环外壁为开角加工面。由于试件A圆锥环外壁与试件B圆锥环外壁的半径一致，所以其曲率特性是一致的，同理试件A圆锥环内壁和试件B圆锥环内壁的曲率特性也是一致的。试件A圆锥环的内外壁和试件B圆锥环的内外壁都不存在扭曲角，故其扭率均为0°。由此，试件A和试件B的几何特性可以总结如表1所示。
试件 开闭角 曲率 扭率
试件A圆锥环外壁 75° 1/200(小) 0°
试件A圆锥环内壁 105° 1/160(大) 0°
试件B圆锥环外壁 105° 1/200(小) 0°
试件B圆锥环内壁 75° 1/160(大) 0°
表1
由此，可以利用试件A的圆锥环外壁和试件B的圆锥环外壁(或者试件A的圆锥环内壁和试件B的圆锥环内壁)分析开闭角对机床加工精度的影响；可以利用试件A圆锥环内外壁(或者试件B圆锥环内外壁)考察曲率对机床加工精度的影响。
本发明提供一种基于上述检测试件的五轴数控机床开闭角区域加工能力检测方法，包括以下步骤：
步骤一、通过通用CAD软件对对试件A和试件B按所设计尺寸进行几何建模；矩形基座的长和宽均为260mm，厚度为20mm；圆锥环的外圆锥的最大直径为200mm，最小直径为189.28mm，内圆锥的最大直径为160mm，最小直径为149.28mm，圆锥环的高度为20mm；
步骤二、通过通用CAM软件对已建的模型进行后置处理，加工流程分为三步：粗加工、半精加工和精加工；试件A和试件B的毛坯图分别如图5和图6所示，通过粗加工快速去除毛坯余量，使加工余量在5mm左右。半精加工对粗加工后的残留加工面加工平滑，使加工后能够留下1mm厚度的均匀加工余量。最后通过精加工使工件的尺寸和精度达到设计要求；
步骤三、按照步骤二中编制的数控程序，利用五轴联动数控机床加工试件A和试件B；
步骤四、沿试件A圆锥环的内圆锥母线方向在其圆锥环内壁上取至少两条截线，沿试件A圆锥环的外圆锥母线方向在其圆锥环外壁上取至少两条截线，沿试件B圆锥环的内圆锥母线方向在其圆锥环内壁上取至少两条截线，沿试件B圆锥环的外圆锥母线方向在其圆锥环外壁上取至少两条截线，在每条截线上等间距选择16-64个检测点，利用三坐标测量机进行误差检测；在本实施例中，均选取两条截线，截线分别位于试件A圆锥环内、外圆锥母线方向的8mm和16mm处以及试件B圆锥环内、外圆锥母线方向的8mm和16mm处；试件A的圆锥环外壁的截线和检测点如图7所示，试件B的圆锥环外壁的截线和检测点如图8所示；
步骤五、根据三坐标测量机的检测结果绘制出试件A的圆锥环外壁、试件A的圆锥环内壁、试件B的圆锥环外壁以及试件B的圆锥环内壁的加工误差曲线。
本实施例中采用BA型双摆头五轴数控机床加工情况为例，分别进行试件A与试件B的加工，然后分别测量试件A与试件B的圆锥环圆锥母线方向的8mm处的轮廓误差，呈现出如图10和图11所示的误差规律，其中，图10中两条曲线分别表示试件A圆锥环外壁(闭角加工面)的加工误差曲线和试件A圆锥环内壁(开角加工面)的加工误差曲线，图11中两条曲线分别表示试件B圆锥环内壁(闭角加工面)的加工误差曲线和试件B圆锥环外壁(开角加工面)的加工误差曲线。
从图10和图11可以看出，试件A与试件B的圆锥环误差曲线形状接近于正弦波，由于试件A与试件B虽然具有相同的型面特征，却发生了开闭角的转换，导致误差呈现欠切与过切的变化。进一步比较试件A的圆锥环外壁与试件B的圆锥环外壁的加工误差曲线或者试件A的圆锥环内壁与试件B的圆锥环内壁的加工误差曲线可以得出五轴联动数控机床在同曲率下的开角、闭角加工能力，误差越小反映机床加工能力越好；比较试件A的圆锥环外壁与试件B的圆锥环内壁的加工误差曲线或者试件A的圆锥环内壁与试件B的圆锥环外壁的加工误差曲线可以得出五轴联动数控机床在相同开闭角状态下不同曲率的加工能力，误差越小反映机床加工能力越好；对于同一试件的圆锥环内壁与圆锥环外壁加工误差，由于处于不同的曲率上，曲率越大误差也相对较大；总体上，加工误差应控制在±0.05mm以内。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种五轴数控机床开闭角区域加工能力检测试件，其特征在于：包括试件A和试件B，试件A和试件B均包括一个矩形基座和设于矩形基座的上表面中心处的圆锥环；试件A和试件B的矩形基座和圆锥环均大小相同，试件A的圆锥环端面面积较大的一端与矩形基座相连，试件B的圆锥环端面面积较小的一端与矩形基座相连。
2.根据权利要求1所述的检测试件，其特征在于：所述圆锥环的中心与矩形基座的中心在水平方向的投影重合。
3.根据权利要求1所述的检测试件，其特征在于：所述圆锥环被通过圆锥环中心并垂直于矩形基座的截面截出的纵截面为两个镜像对称的平行四边形。
4.根据权利要求1所述的检测试件，其特征在于：所述矩形基座的厚度为20mm-25mm中的任一值，圆锥环的高度为20mm-30mm中的任一值。
5.根据权利要求1所述的检测试件，其特征在于：所述矩形基座的长度为240mm-280mm中的任一值，宽度与长度相等。
6.根据权利要求1所述的检测试件，其特征在于：所述圆锥环的外圆锥的最大直径为180-220mm中的任一值，外圆锥的最小直径由圆锥环的高度及固定半角唯一确定，内圆锥的最大直径为140-160mm中的任一值，内圆锥的最小直径由圆锥环的高度及固定半角唯一确定，圆锥环的高度与矩形基座厚度相等。
7.一种五轴数控机床开闭角区域加工能力检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、对试件A和试件B按所设计尺寸进行几何建模；
步骤二、通过通用CAM软件对已建的模型进行后置处理，加工流程分为三步：粗加工、半精加工和精加工；
步骤三、利用五轴联动数控机床按照步骤二中编制的数控程序加工试件A和试件B；
步骤四、沿试件A圆锥环的内圆锥母线方向在其圆锥环内壁上取至少两条截线，沿试件A圆锥环的外圆锥母线方向在其圆锥环外壁上取至少两条截线，沿试件B圆锥环的内圆锥母线方向在其圆锥环内壁上取至少两条截线，沿试件B圆锥环的外圆锥母线方向在其圆锥环外壁上取至少两条截线，在每条截线上等间距选择16-64个检测点，利用三坐标测量机进行误差检测；
步骤五、根据三坐标测量机的检测结果绘制出试件A的圆锥环外壁、试件A的圆锥环内壁、试件B的圆锥环外壁以及试件B的圆锥环内壁的加工误差曲线。
8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于：在步骤二中，通过粗加工快速去除毛坯余量，使加工余量在5mm左右；半精加工对粗加工后的残留加工面加工平滑，使加工后能够留下1mm厚度的均匀加工余量；最后通过精加工使工件的尺寸和精度达到设计要求。
9.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于：在步骤四中，所述试件A圆锥环内、外圆锥母线方向的8mm和16mm处以及试件B圆锥环内、外圆锥母线方向的8mm和16mm处均取有截线。
10.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于：根据试件A的圆锥环外壁与试件B的圆锥环外壁的加工误差曲线或者试件A的圆锥环内壁与试件B的圆锥环内壁的加工误差曲线可以得出五轴联动数控机床在同曲率下的开角、闭角加工能力；根据试件A的圆锥环外壁与试件B的圆锥环内壁的加工误差曲线或者试件A的圆锥环内壁与试件B的圆锥环外壁的加工误差曲线可以得出五轴联动数控机床在相同开闭角状态下不同曲率的加工能力。
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