CN108279640B - 一种复杂曲面表面加工轨迹的误差计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复杂曲面表面加工轨迹的误差计算方法，包含多个步骤，每个步骤对机床上的各个坐标轴上的误差进行分别计算，给出了计算的具体公式，从数学的角度对各个误差进行严格规范，以保证加工的严谨性与正确性。

Description

一种复杂曲面表面加工轨迹的误差计算方法

技术领域

本发明涉及加工技术领域，为一种复杂曲面表面加工轨迹的误差计算方法。

背景技术

科学技术在不断地发展，材料的强度、耐热性、耐腐蚀性、耐摩擦磨损等性能作为机械结构以及零部件的重要因素。为了提高材料的性能，必须对材料的表面进行加工。材料的表面的腐蚀和磨损造成了巨大的经济损失。对材料的复杂曲面进行加工，还要对误差进行计算，保证加工轨迹的精确性，纠正加工的错误。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种解决或部分解决上述问题的复杂曲面表面加工轨迹的误差计算方法。

为达到上述技术方案的效果，本发明的技术方案为，一种复杂曲面表面加工轨迹的误差计算方法，包含以下步骤：

S1、在加工的机床上建立坐标系，x轴平行于地面、与工件进给方向垂直，y轴垂直于地面，z轴与工件进给方向在同一直线上；

S2、求取工件进给方向z轴上的误差Δz；

S3、求取轨迹进给量d的误差Δd；

S4、求取工件在x轴上的误差；

S5、求取工件在y轴上的误差与同步误差。

步骤S2中工件进给方向z轴上的误差Δz，与进给电机的进给误差等价；

步骤S3中的轨迹进给量d的误差Δd，由加工的机床上的转动电机φ的转角θ的误差Vθ而引起，近似估算公式为：

Δd≈d_e2×sinΔθ

或者Δd≈d_e1×sinΔθ；

其中，加工中心点E处的法线到左侧曲线l_e1的距离d_e1、加工中心点E处的法线到右侧曲线l_e2的距离d_e2，e为加工截面，转角θ在不断变化，所述加工中心点E为加工水平线与加工截面e的中心曲线垂直的交点，所述加工水平线为加工的机床的两侧加工头在工件上的加工点形成的直线；所述左侧曲线l_e1、所述右侧曲线l_e2都为加工截面e的一部分；而d_e2≈d_e1，将所述近似估算公式精化为：

其中，D_e为加工中心点E处的法线到左侧曲线l_e1的距离d_e1与加工中心点E处的法线到右侧曲线l_e2的距离d_e2的和；

步骤S4中的在x轴上的误差Vx包含两个部分，加工的机床上两侧加工头的各自位置误差Vx1，以及配合叶片厚度的间距误差Vx2；

步骤S5中，在y轴上的误差由加工的机床上的两侧同步电机决定，其在y轴上保持一致，在y轴上的误差也相同，都为同步误差，以避免产生较大的加工剪切力。

将加工轨迹分为左侧加工轨迹、右侧加工轨迹、中间加工轨迹，左侧加工轨迹、右侧加工轨迹与所述加工轨迹在x轴、y轴上的坐标相关，所述中间加工轨迹与加工轨迹在z轴上的坐标相关；

加工的机床上两侧加工头的各自位置误差Vx1为，两侧电机的左电机、右电机造成的位置误差各自为5微米，所述各自位置误差Vx1的值为10微米；

配合叶片厚度的间距误差Vx2为，由转角θ的误差Vθ引起，误差Vθ与左侧加工轨迹、右侧加工轨迹上加工点到所述加工截面e转角中心的转动半径表示为R_e1，2，所述配合叶片厚度的间距误差Vx2的近似计算公式为：

Vx2≈R_e1,2×sinθ

其中，左侧加工区域上的加工点到所述加工截面e转角中心的转动半径R_e1约等于右侧加工区域上的加工点到所述加工截面e转角中心的转动半径R_e2，用R_e1，2表示，在所述左侧加工区域上的加工点到所述加工截面e转角中心的转动半径R_e1等于右侧加工区域上的加工点到所述加工截面e转角中心的转动半径R_e2，e1,2表示所述转动半径的下标；加工区域包含左侧加工区域、右侧加工区域以及其他区域。

本发明的有益成果为：本发明提供了一种复杂曲面表面加工轨迹的误差计算方法，对机床上的坐标轴上的误差进行分别计算，给出了计算的具体公式，以保证加工的严谨性与正确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例中实际转角位置与理论转角位置的示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行详细的说明。应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，能实现同样功能的产品属于等同替换和改进，均包含在本发明的保护范围之内。具体方法如下：

实施例1：本发明主要进行误差计算：

1.进给方向z方向误差Δz：Δz＝z电机进给误差；

2.转动电机φ的转角θ误差引起的轨迹进给量的误差：如图1，当实际位置未转到理论位置时：

近似估算为Δd≈d_e2×sinΔθ或≈d_e1×sinΔθ，由于精确计算较复杂，考虑到d_e2≈d_e1，因此可进一步近似为：

由于两侧加工区域的D_e值较小，仅考虑叶片D_e最大处位于榫头中间位置，而转角电机误差为1弧分(60分之1度)，所以引起的最大误差为0.0087mm(30mm厚处)，满足加工要求。

3.X方向的误差

该方向误差包括两部分，两侧加工头各自位置误差，以及配合叶片厚度的间距误差。

误差来源一：来自于两侧电机L和R的误差，约5微米；同样，两电机引起的间距误差为该误差的两倍10微米；

误差来源二：来自于转角θ误差，误差与加工点到加工截面转角中心的转动半径有关，近似为

Δx≈R_e1，2×sinΔθ，

这里同样考虑R_e2≈R_e1

在两侧加工区域时的加工点距离转角中心的半径R_e1，2最大，约为200mm，此时x方向误差为0.06mm(1弧分角度误差)。并且，当轨迹在最边缘折回时，转角电机误差5弧分，该x误差将达到0.3mm，较大。

由于两侧加工头误差方向相反，因此间距误差小于x误差。

该x方向误差由加工的悬臂布局造成，无法由转角电机z本身降低(1弧分精度及5弧分往返精度)，只能通过x方向两侧电机L和R进行补偿。可利用两侧加工头压力传感器和位移传感器进行补偿控制，保持两侧加工头和叶片的接触，降低该误差，保证加工头与表面的接触与压力。

4.Y方向误差与同步误差

Y方向误差由两侧同步Y电机决定，该误差为该同步电机的同步误差两侧电机y方向应保持一直，否则将产生较大的加工剪切力。

实施例2：复杂曲面加工的进给速度优化：

进给速度的大小不仅决定了加工效率,而且对表面质量有着重要的影响。同时，进给速度的剧烈变化还将严重影响着其中涉及的刀具寿命。因此，应该尽可能保持高速且稳定的恒表面进给速度，即刀具切削部位相对于加工表面的进给速度。但另一方面，由于曲面形状复杂,恒表面的进给速度必将导致机床各坐标轴运动速度的不断变化,若由此引起的坐标轴运动速度过高或速度变化过大时,将产生较大的几何轨迹误差。此外,由于机械运动部件存在惯性,在机床的启动、停止和速度变化时都必须以平滑的速度过渡,防止产生运动冲击而影响加工精度、机床和刀具的寿命。因此，进给速度又必须根据曲面形状和机床动力特性对指令速度给予必要的修调,并在速度需要变化时，采取合适的速度曲线来实现平滑过渡。

进给速度控制的目标为，在保证动态轨迹精度和加工表面质量的同时，需要实现高效的切削进给运动,它其中蕴含了两方面的内容:1)确定随着加工轨迹变化的有效进给速度曲线；2)采取合适的策略实现进给速度曲线的平滑控制。曲面CNC直接插补加工系统中所采取的进给速度控制方案。

各程序段中各坐标轴运动的合成应尽量保证刀具相对于零件表面的切削进给(即刀具接触点的运动)速度恒定,并且等于指令进给速度。为保证动态轨迹精度及机床正常运行,需根据机床动力特性和伺服驱动能力自动对指令进给速度进行修调。

由于零件形状、机床动力特性和伺服驱动能力以及机床启动、停止带来的影响,机床运动速度要因此发生变化。此时需采取合适的加减速措施以实现速度的平滑过渡,这种措施还能防止机床的冲击,提升加工精度和寿命。经过处理,能够得到随加工轨迹变化的有效速度曲线,各程序段的起、终点速度和有效指令进给速度均已经获得。在此基础上,必须采用平滑性较好的指数规律实现切削过程中加工进给速度的加减速控制,并按合成进给切削速度进行控制,以保证加减速过程中刀具相对零件表面的运动轨迹,提高加工精度和表面质量。

从复杂曲面加工轨迹整体上，需要实现进给速度的平稳控制和高速加工时减速距离的提前预测与控制,这对于提高曲面加工质量以及加工效率,并保证机床在正常状态下运行具有举足轻重的意义。

本发明的有益成果为：本发明提供了一种复杂曲面表面加工轨迹的误差计算方法，对机床上的坐标轴上的误差进行分别计算，给出了计算的具体公式，以保证加工的严谨性与正确性。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明之较佳实施例，并非用以限定本发明的权利要求保护范围。同时以上说明，对于相关技术领域的技术人员应可以理解及实施，因此其他基于本发明所揭示内容所完成的等同改变，均应包含在本权利要求书的涵盖范围内。

Claims (3)

1.一种复杂曲面表面加工轨迹的误差计算方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：

S1、在加工的机床上建立坐标系，x轴平行于地面、与工件进给方向垂直，y轴垂直于地面，z轴与工件进给方向在同一直线上；

S2、求取工件进给方向z轴上的误差Δz；

S3、求取轨迹进给量d的误差Δd；

S4、求取工件进给方向x轴上的误差；

S5、求取工件进给方向y轴上的误差与同步误差；

所述步骤S3中的轨迹进给量d的误差Δd，由加工的机床上的转动电机φ的转角θ的误差Δθ而引起，近似估算公式为：

Δd≈d_e2×sinΔθ

或者Δd≈d_e1×sinΔθ；

其中，加工中心点E处的法线到左侧曲线l_e1的距离d_e1、加工中心点E处的法线到右侧曲线l_e2的距离d_e2，e为加工截面，转角θ在不断变化。

2.根据权利要求1所述的一种复杂曲面表面加工轨迹的误差计算方法，其特征在于，所述步骤S2中工件进给方向z轴的误差Δz，其与进给电机的进给误差等价；

所述加工中心点E为加工水平线与加工截面e的中心曲线垂直的交点，所述加工水平线为加工的机床的两侧加工头在工件上的加工点形成的直线；所述左侧曲线l_e1、所述右侧曲线l_e2都为加工截面e的一部分；而d_e2≈d_e1，将所述近似估算公式精化为：

其中，D_e为加工中心点E处的法线到左侧曲线l_e1的距离d_e1与加工中心点E处的法线到右侧曲线l_e2的距离d_e2的和；

所述步骤S4中的在x轴上的误差Δx包含两个部分，加工的机床上两侧加工头的各自位置误差Δx1，以及配合叶片厚度的间距误差Δx2；

所述步骤S5中，在y轴上的误差由加工的机床上的两侧同步电机决定，其在y轴上保持一致，在y轴上的误差也相同，都为同步误差，以避免产生较大的加工剪切力。

3.根据权利要求2所述的一种复杂曲面表面加工轨迹的误差计算方法，其特征在于，将所述加工轨迹分为左侧加工轨迹、右侧加工轨迹、中间加工轨迹，左侧加工轨迹、右侧加工轨迹与所述加工轨迹在x轴、y轴上的坐标相关，所述中间加工轨迹与加工轨迹在z轴上的坐标相关；

所述加工的机床上两侧加工头的各自位置误差Δx1为，两侧电机的左电机、右电机造成的位置误差各自为5微米，所述各自位置误差Δx1的值为10微米；

所述配合叶片厚度的间距误差Δx2为，由转角θ的误差Δθ引起，误差Δθ与左侧加工轨迹、右侧加工轨迹上加工点到所述加工截面e转角中心的转动半径表示为R_e1，2，所述配合叶片厚度的间距误差Δx2的近似计算公式为：

Δx2≈R_e1，2×sinθ

其中，左侧加工区域上的加工点到所述加工截面e转角中心的转动半径R_e1约等于右侧加工区域上的加工点到所述加工截面e转角中心的转动半径R_e2，用R_e1，2表示，在所述左侧加工区域上的加工点到所述加工截面e转角中心的转动半径R_e1等于右侧加工区域上的加工点到所述加工截面e转角中心的转动半径R_e2，e1，2表示所述转动半径的下标；加工区域包含左侧加工区域、右侧加工区域以及其他区域。