CN107479499A - 薄壁件切削界面加工误差补偿建模与补偿系数学习控制方法 - Google Patents

薄壁件切削界面加工误差补偿建模与补偿系数学习控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种薄壁件切削界面加工误差补偿建模与补偿系数学习控制方法，用于解决现有薄壁件加工误差补偿方法实用性差的技术问题。技术方案是以测量数据为基础，在计算当次加工误差后，修正下次加工时的切削参数。在补偿计算时采用了计算简便的初始点弦割法，以此控制每次加工时的补偿系数。待加工误差稳定时，后续工件即可采用相同的切削参数，完成加工，实用性好。由于采用了基于初始点割线法的薄壁件误差补偿模型，补偿系数计算简单，收敛状态稳定，1次补偿后，误差减小了68.3％，2次补偿后，误差减小了83.4％，后续工件误差稳定在0.0061mm，简化了补偿模型，提高了加工精度。

Description

薄壁件切削界面加工误差补偿建模与补偿系数学习控制方法
技术领域
本发明涉及一种薄壁件加工误差补偿方法，特别涉及一种薄壁件切削界面加工误差补偿建模与补偿系数学习控制方法。
背景技术
文献1“申请号是201610810762.7的中国发明专利”公开了一种介观尺度弹性薄壁件变形在线预测及补偿方法，该方法系统的介绍了加工误差补偿的实现方法与步骤，为实施误差补偿提供了完善了参考。然而，该方法并未涉及变形补偿原理的本质，补偿过程依靠镜像法，单次应用效果不佳。
文献2“申请号是201611251817.1的中国发明专利”公开了一种基于学习算法的航空发动机薄壁叶片加工误差补偿方法，该方法详细介绍了薄壁件误差补偿原理，将切削过程在初始名义切深处泰勒展开，构建了带学习项的迭代补偿式。该方法虽然提出了补偿的本质，但是学习项的引入使得迭代控制过程过于复杂，不利于实际的使用。
发明内容
为了克服现有薄壁件加工误差补偿方法实用性差的不足，本发明提供一种薄壁件切削界面加工误差补偿建模与补偿系数学习控制方法。该方法以测量数据为基础，在计算当次加工误差后，修正下次加工时的切削参数。在补偿计算时采用了计算简便的初始点弦割法，以此控制每次加工时的补偿系数。待加工误差稳定时，后续工件即可采用相同的切削参数，完成加工，实用性好。由于采用了基于初始点割线法的薄壁件误差补偿模型，补偿系数计算简单，收敛状态稳定，1次补偿后，误差减小了68.3％，2次补偿后，误差减小了83.4％，后续工件误差稳定在0.0061mm，简化了补偿模型，提高了加工精度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种薄壁件切削界面加工误差补偿建模与补偿系数学习控制方法，其特点是包括以下步骤：
步骤1.对于同一批工件的多件单工步加工，将所有工件编号，表示为
w∈{wk|k∈{0,1,2,…}},
其中，w为工件，wk表示为第k个工件。
步骤2.将初始编号工件作为补偿试验件，表示为
w∈{wk|k∈{0,1,…,n}},
其中，当k＝0时表示未补偿加工件，n表示满足精度要求时的工件编号。
在加工wk工件时，名义切削深度x由迭代误差补偿通用公式计算，
其中，H为初始加工余量，e为加工误差，ρ表示依据具体控制方法进行调整的补偿系数，k为补偿加工次数，与工件编号对应，当k＝0时表示未补偿加工。
步骤2.1采用初始点割线法求解误差补偿通用模型。计算工件加工时的回弹系数λ，表示为变形量与名义切深的商，
其中，ε表示为
其中，zi表示为第i次加工时名义切深相对于第i-1次加工时名义切深的增量。
步骤2.2计算第k次补偿加工后，第k+1次名义切深相对增量及误差补偿模型的迭代式。回弹系数为
假设在当前刚度不变的情况下，计算令误差为0的第k+1次补偿加工的名义切深增量zk+1，表示为
将其代入误差补偿通用迭代公式，得到初始点割线法的误差补偿求解模型，
步骤2.3利用初始点割线法的误差补偿求解模型，获得补偿系数表达式，
依据迭代法原理与补偿系数，在k∈{0,1,2,…}集合中依次计算名义切深xk，并对应于工件编号进行加工，获取加工后的误差ek及实际切深yk。
当k＝n时，补偿加工后的误差en满足设计精度要求，则结束误差补偿的迭代过程。
步骤3.在加工误差满足精度要求后，加工达到稳定状态，补偿迭代停止。剩余工件表示为
w∈{wk|k∈{n,n+1,…}},
即剩余工件的切削深度都为xn，直至所有工件加工结束。
本发明的有益效果是：该方法以测量数据为基础，在计算当次加工误差后，修正下次加工时的切削参数。在补偿计算时采用了计算简便的初始点弦割法，以此控制每次加工时的补偿系数。待加工误差稳定时，后续工件即可采用相同的切削参数，完成加工，实用性好。由于采用了基于初始点割线法的薄壁件误差补偿模型，补偿系数计算简单，收敛状态稳定，1次补偿后，误差减小了68.3％，2次补偿后，误差减小了83.4％，后续工件误差稳定在0.0061mm，简化了补偿模型，提高了加工精度。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明薄壁件切削界面加工误差补偿建模与补偿系数学习控制方法的流程图。
具体实施方式
参照图1。本发明薄壁件切削界面加工误差补偿建模与补偿系数学习控制方法具体步骤如下：
步骤1.以同一批65×15×11mm矩形块的悬臂侧铣加工为例，只对最后一层切削进行补偿加工，并将4块工件全部编号，表示为
w∈{wk|k∈{0,1,2,3}},
其中，w为工件，wk表示为第k个工件。
步骤2.将初始编号工件作为补偿试验件，表示为
w∈{wk|k∈{0,1,…,n}},
其中，当k＝0时表示未补偿加工件，n表示满足精度要求时的工件编号。
对于当前加工工步，每一点的加工余量H＝0.25mm，定义名义切削深度x，以及加工误差e。由于薄壁件切削界面存在较大的变形，定义的名义切削深度并不能完全被切除，即真实加工时切除的深度为实际切削深度y。而且，薄壁件加工变形与工件刚度相关，在不同的x下切削，会产生不同的e。迭代法作为一种逐次逼近的方法可用于非线性方程求根。为此，构建如下误差补偿公式。即误差补偿通用模型，表示的是第k次加工时名义切削深度的计算方法。
其中，ρ表示可依据具体控制方法进行调整的补偿系数，k为补偿加工次数，当k＝0时表示未补偿加工。
步骤2.1采用初始点割线法求解误差补偿通用模型。计算工件加工时的回弹系数λ，表示为变形量与名义切深的商，
其中，ε表示为
其中，zi表示为第i次加工时名义切深相对于第i-1次加工时名义切深的增量。
步骤2.2计算第k次补偿加工后，第k+1次名义切深相对增量及误差补偿模型的迭代式。回弹系数为
假设在当前刚度不变的情况下，计算令误差为0的第k+1次补偿加工的名义切深增量zk+1，表示为
将其代入误差补偿通用迭代公式，得到初始点割线法的误差补偿求解模型，
步骤2.3利用初始点割线法的误差补偿求解模型，获得补偿系数表达式，
依据迭代法原理与补偿系数，在k∈{0,1,2,3}集合中依次计算名义切深xk，并对应于工件编号进行加工，获取加工后的误差ek及实际切深yk。
当k＝2时，补偿加工后的误差e2满足设计精度要求，则结束误差补偿的迭代过程。
步骤3.在加工误差满足精度要求后，加工达到稳定状态，补偿迭代停止。剩余工件表示为
w∈{wk|k∈{2,3}},
即剩余工件的切削深度都为x2，直至所有工件加工结束。
本实施例中，在YHVT850Z四轴数控加工中心上对每个工件进行在位检测，经过误差补偿效果对比测量数据如表1。
表1采用本方法的4个工件与镜像补偿法的比较
可以看到，经过本发明方法加工出的工件，在弹性变形最大处的误差减小了83.4％，特别是在1次补偿加工后，误差减小了68.3％，优于背景技术的镜像补偿法。

Claims (1)

1.一种薄壁件切削界面加工误差补偿建模与补偿系数学习控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1.对于同一批工件的多件单工步加工，将所有工件编号，表示为
w∈{wk|k∈{0,1,2,…}},
其中，w为工件，wk表示为第k个工件；
步骤2.将初始编号工件作为补偿试验件，表示为
w∈{wk|k∈{0,1,…,n}},
其中，当k＝0时表示未补偿加工件，n表示满足精度要求时的工件编号；
在加工wk工件时，名义切削深度x由迭代误差补偿通用公式计算，
<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>x</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>=</mo> <mi>H</mi> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>x</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;rho;</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>e</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>,</mo> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> <mo>,</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mo>...</mo> <mo>)</mo> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>,</mo> </mrow>
其中，H为初始加工余量，e为加工误差，ρ表示依据具体控制方法进行调整的补偿系数，k为补偿加工次数，与工件编号对应，当k＝0时表示未补偿加工；
步骤2.1采用初始点割线法求解误差补偿通用模型；计算工件加工时的回弹系数λ，表示为变形量与名义切深的商，
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其中，ε表示为
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其中，zi表示为第i次加工时名义切深相对于第i-1次加工时名义切深的增量；
步骤2.2计算第k次补偿加工后，第k+1次名义切深相对增量及误差补偿模型的迭代式；回弹系数为
<mrow> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>e</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>k</mi> </msubsup> <msub> <mi>z</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <msub> <mi>x</mi> <mi>k</mi> </msub> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>
假设在当前刚度不变的情况下，计算令误差为0的第k+1次补偿加工的名义切深增量zk+1，表示为
<mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>z</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>z</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>k</mi> </msubsup> <msub> <mi>z</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> </mrow>
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将其代入误差补偿通用迭代公式，得到初始点割线法的误差补偿求解模型，
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当k＝n时，补偿加工后的误差en满足设计精度要求，则结束误差补偿的迭代过程；
步骤3.在加工误差满足精度要求后，加工达到稳定状态，补偿迭代停止；剩余工件表示为
w∈{wk|k∈{n,n+1,…}},
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