CN113282057A - 面向多工序加工过程的误差补偿方法 - Google Patents

面向多工序加工过程的误差补偿方法 Download PDF

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Abstract

一种面向多工序加工过程的误差补偿方法，建立了多轮廓点的微分运动矢量集的特征偏差表示方法，因此能够更加精确地建立考虑实际基准轮廓的基准所致误差模型；进一步建立适用于任意不规则特征的基于多轮廓点微分运动矢量集的多工序误差传递模型，用以描述在多工序加工过程中任意不规则特征的基准所致误差和夹具所致误差以及加工所致误差的产生和传递过程，基于相应的误差补偿的方法，通过等效刀具路径模型将三类误差综合转换成等效的机床刀具路径误差，从而得到机床每个运动轴的补偿值，用于对机床刀具路径进行优化，实现面向多工序加工过程的误差补偿，可达微米级的高精度，能以较低成本实现零件精度的显著提升。

Description

面向多工序加工过程的误差补偿方法
技术领域
本发明涉及的是一种机械加工领域的技术，具体是一种面向多工序加工过程的误差补偿方法。
背景技术
随着机械加工技术的高速发展，机械零件的功能日益多样化，零件结构也趋向复杂化。大多零件的生产，往往需要经过多道工序才能加工成形，尤其是国家航空航天、汽车、3C等重点领域的复杂薄壁零件的加工。区别于单工序加工，在多工序加工过程中，除在本道工序中有误差产生之外，还存在上下游工序间误差的传递和累积。而现有的多工序加工过程误差传递模型是基于单点的微分运动矢量特征表示法，从而导致其无法用于不规则零件特征。且现有的误差补偿技术是针对于单台机床的单工序加工过程，尚未考虑工序间的误差传递及耦合关系，从而导致其无法用于多工序加工过程。
发明内容
本发明针对现有的多工序误差传递模型是基于单点微分运动矢量的特征偏差表示方法，无法描述不规则特征的偏差产生及传递过程，也无法考虑实际不规则的基准轮廓所致的基准误差，并且现有的误差补偿技术只是针对单台数控机床的单工序加工过程，尚未考虑工序间的误差传递及耦合关系，无法适用于多工序加工过程等缺陷，提出一种面向多工序加工过程的误差补偿方法，能够适用于任意不规则特征，更加准确且通用地描述多工序加工过程中基准所致误差和夹具所致误差以及加工所致误差的产生及传递过程，而且率先提供了误差补偿方法，实施方便，操作简单，可达微米级的高精度，能以较低成本实现零件精度的显著提升。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种面向多工序加工过程的误差补偿方法，通过多轮廓点的微分运动矢量集表示任意不规则轮廓特征的偏差，从而能够考虑加工过程中实际的基准面轮廓，建立考虑实际基准轮廓的基准所致误差模型，结合传统的基于单点微分运动矢量的多工序误差传递模型，进一步建立适用于任意不规则特征的基于多轮廓点微分运动矢量集的多工序误差传递模型，用以描述在多工序加工过程中任意不规则特征的基准所致误差和夹具所致误差以及加工所致误差的产生和传递过程；通过等效刀具路径模型将三类误差综合转换成等效的机床刀具路径误差，从而得到机床每个运动轴的补偿值，用于对机床刀具路径进行优化，实现面向多工序加工过程的误差补偿。
所述的多工序加工过程的误差补偿，包括：多工序加工过程中本道工序产生的夹具所致误差与加工所致误差以及前道工序传递过来的基准误差，是适用于更加复杂的多工序加工过程的误差补偿。
所述的多轮廓点微分运动矢量集是指：将不规则的零件特征划分为若干个近似规则的小特征，以每个小特征上的某轮廓点为原点建立局部坐标系，用以表征该小特征的位置和姿态，由加工过程中复杂误差源造成的理想局部坐标系与实际局部坐标系之间的六自由度偏差，记为该小特征的微分运动矢量，用来表征该小特征的偏差。多个小特征的微分运动矢量共同组合成矩阵化的多轮廓点的微分运动矢量集，用以表征整个不规则特征的偏差。
所述的实际基准轮廓，是指加工基准面的实际轮廓，由于实际加工过程中存在复杂误差源，基准面并非理想平面，实际基准面而是由夹具上定位钉接触的特征轮廓点所构成的平面。
所述的考虑实际基准轮廓的基准所致误差模型为
Figure BDA0003048554830000021
Figure BDA0003048554830000022
，其中：k为工序序号；X(k)为工件重定位后第k道工序下考虑实际基准轮廓的基准所致误差；A2(k)为考虑实际基准轮廓的基准所致误差相关的系统矩阵；x(k-1)为第k-1道工序下的特征微分运动矢量；Q为第k-1道工序下的特征微分运动矢量在工件重定位后转换到第k道工序下的变换矩阵；
Figure BDA0003048554830000023
分别为主基准面三个接触轮廓点M1,M2和M3的坐标位置偏差；(xN，yN，zN膘为实际主基准面的法向量。
所述的基于多轮廓点微分运动矢量集的多工序误差传递模型为
Figure BDA0003048554830000024
Figure BDA0003048554830000025
其中：x(k)为第k道工序的特征微分运动矢量；I(k)为单位矩阵；A1(k)和A2(k)为考虑实际基准轮廓的基准所致误差相关的系统矩阵；A3(k)为夹具所致误差相关的系统矩阵；A4(k)为加工所致误差相关的系统矩阵；A5(k)为选择矩阵；uf(k)为由于定位钉磨损等原因所致的夹具偏差；um(k)为机床误差等原因所致的加工误差。
所述的等效刀具路径模型为
Figure BDA0003048554830000026
其中：
Figure BDA0003048554830000027
Figure BDA0003048554830000028
和
Figure BDA0003048554830000029
分别为基准所致误差、夹具所致误差和加工所致误差的等效刀具路径误差。
技术效果
与现有技术相比，本发明建立了多轮廓点的微分运动矢量集的特征偏差表示方法，因此能够适用于任意不规则特征，从而能够考虑加工过程中实际的基准面轮廓，更加精确地建立考虑实际基准轮廓的基准所致误差模型，结合传统的基于单点微分运动矢量的多工序误差传递模型，进一步建立适用于任意不规则特征的基于多轮廓点微分运动矢量集的多工序误差传递模型，用以描述在多工序加工过程中任意不规则特征的基准所致误差和夹具所致误差以及加工所致误差的产生和传递过程；而且率先提供了相应的误差补偿的方法，通过等效刀具路径模型将三类误差综合转换成等效的机床刀具路径误差，从而得到机床每个运动轴的补偿值，用于对机床刀具路径进行优化，实现面向多工序加工过程的误差补偿，实施方便，操作简单，可达微米级的高精度，能以较低成本实现零件精度的显著提升。
附图说明
图1为本发明方法的总体实施流程图；
图2为实施例中零件产品示意图；
图3为数控机床的几何误差数据图；
图中：a～i分别为机床X轴、Y轴和Z轴的各误差项；
图4为零件产品的多工序加工过程示意图；
图5为基于多轮廓点的微分运动矢量集的特征偏差表示方法示意图；
图6为考虑实际基准轮廓的基准所致误差示意图；
图7为等效的刀具路径误差示意图；
图8为误差补偿后的刀具路径示意图；
图9为多工序制造过程补偿前后方形槽误差数据对比图；
图中：a～d分别为方形槽四条侧边S1、S2、S3和S4。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种面向多工序加工过程的误差补偿方法，包括：
1)如图2所示，本实施例为250mm×250mm×40mm的铝合金零件的多工序加工过程，要求保证方形槽的加工精度。
2)实验在标准恒定温度环境下进行，使用三轴立式数控机床进行切削加工，预先进行机床热机，使机床达到热平衡状态。使用激光干涉仪测量并记录机床主要的几何误差项，包括X轴的定位误差，X轴在Y方向的直线度误差，X轴在Z方向的直线度误差，Y轴的定位误差，Y轴在Z方向的直线度误差，Y轴在X方向的直线度误差，Z轴的定位误差，Z轴在X方向的直线度误差，Z轴在Y方向的直线度误差，测量数据如图3所示，及X轴和Y轴的垂直度误差，Y轴和Z轴的垂直度误差，Z轴和X轴的垂直度误差测得分别为152μrad，-291μrad和-561μrad。
3)如图4所示，为铝合金零件多工序加工过程的工序流程，分为三道工序进行加工，具体的切削参数与过程描述如下：
Figure BDA0003048554830000041
4)从第一道工序出发，由于夹具在多次使用过程中难免因磨损等原因会产生定位钉长度的改变，测量夹具上六个定位钉的长度偏差，以六维向量形式记录下夹具偏差：uf(k)＝[0,0,0.01,0.02,0.02,0]。
5)由于单点的微分运动矢量只能描述规则特征的偏差，无法适用于不规则特征。此实施例将待加工特征划分为多个近似规则的小特征，并且对每个小特征建立相应的局部坐标系，所有小特征的微分运动矢量共同组合成多轮廓点的微分运动矢量集，如图5所示。
6)按照预先设计的工艺流程，选定好加工基准面，将待加工的工件在夹具上进行正确的安装固定。如图6所示，夹具上的定位钉与特征表面实际接触的轮廓点构成实际的加工基准面，记录下所接触的主基准面轮廓点的位置：M1(15,15,0)，M2(15,285,0)，M3(285,150,0)。
7)运行机床加工代码，进行实际的切削加工，完成后进入下一道工序，重新定位工件，按照设计好的工艺流程，选定新的加工基准面，重复上述步骤直到进行方形槽加工。
8)考虑实际的基准轮廓，通过基于多轮廓点微分运动矢量集的误差模型描述误差传递过程，如图7所示，基于等效的刀具路径误差模型，将基准所致误差、夹具所致误差及加工所致误差转换成等效的机床刀具路径误差，得到在机床加工路径上位置点处相应的运动轴坐标位置的误差量：
Figure BDA0003048554830000042
9)基于运动轴坐标位置的误差量，如图8所示，计算出机床每个运动轴的补偿值，通过数控系统补偿相关的坐标原点偏移功能，写入相应的补偿值，进而改变原有的机床刀具路径，达到预期的路径轨迹，从而实现了面向多工序加工过程的误差补偿。
10)如图9所示，运用面向多工序加工过程的误差补偿技术后，被加工特征方形槽的外侧边直线度误差显著降低，多工序加工过程所加工的零件特征精度提升75％以上。
本方法建立了多轮廓点的微分运动矢量集的特征偏差表示方法，因此能够适用于任意不规则特征，从而能够考虑加工过程中实际的基准面轮廓，更加精确地建立考虑实际基准轮廓的基准所致误差模型，结合传统的基于单点微分运动矢量的多工序误差传递模型，进一步建立适用于任意不规则特征的基于多轮廓点微分运动矢量集的多工序误差传递模型，用以描述在多工序加工过程中任意不规则特征的基准所致误差和夹具所致误差以及加工所致误差的产生和传递过程；而且率先提供了相应的误差补偿的方法，通过等效刀具路径模型将三类误差综合转换成等效的机床刀具路径误差，从而得到机床每个运动轴的补偿值，用于对机床刀具路径进行优化，实现面向多工序加工过程的误差补偿，实施方便，操作简单，可达微米级的高精度，能以较低成本实现零件精度的显著提升，对特征偏差降低和产品质量提升具有重要意义。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种面向多工序加工过程的误差补偿方法，其特征在于，通过多轮廓点的微分运动矢量集表示任意不规则轮廓特征的偏差，从而能够考虑加工过程中实际的基准面轮廓，建立考虑实际基准轮廓的基准所致误差模型，结合传统的基于单点微分运动矢量的多工序误差传递模型，进一步建立适用于任意不规则特征的基于多轮廓点微分运动矢量集的多工序误差传递模型，用以描述在多工序加工过程中任意不规则特征的基准所致误差和夹具所致误差以及加工所致误差的产生和传递过程；通过等效刀具路径模型将三类误差综合转换成等效的机床刀具路径误差，从而得到机床每个运动轴的补偿值，用于对机床刀具路径进行优化，实现面向多工序加工过程的误差补偿；
所述的多工序加工过程的误差补偿，包括：多工序加工过程中本道工序产生的夹具所致误差与加工所致误差以及前道工序传递过来的基准误差，是适用于更加复杂的多工序加工过程的误差补偿。
2.根据权利要求1所述的面向多工序加工过程的误差补偿方法，其特征是，所述的多轮廓点微分运动矢量集是指：将不规则的零件特征划分为若干个近似规则的小特征，以每个小特征上的某轮廓点为原点建立局部坐标系，用以表征该小特征的位置和姿态，由加工过程中复杂误差源造成的理想局部坐标系与实际局部坐标系之间的六自由度偏差，记为该小特征的微分运动矢量，用来表征该小特征的偏差，多个小特征的微分运动矢量共同组合成矩阵化的多轮廓点的微分运动矢量集，用以表征整个不规则特征的偏差。
3.根据权利要求1所述的面向多工序加工过程的误差补偿方法，其特征是，所述的实际基准轮廓，是指加工基准面的实际轮廓，由于实际加工过程中存在复杂误差源，基准面并非理想平面，实际基准面而是由夹具上定位钉接触的特征轮廓点所构成的平面。
4.根据权利要求1或3所述的面向多工序加工过程的误差补偿方法，其特征是，所述的考虑实际基准轮廓的基准所致误差模型为
Figure FDA0003048554820000011
Figure FDA0003048554820000012
Figure FDA0003048554820000013
其中：k为工序序号；X(k)为工件重定位后第k道工序下考虑实际基准轮廓的基准所致误差；A2(k)为考虑实际基准轮廓的基准所致误差相关的系统矩阵；x(k-1)为第k-1道工序下的特征微分运动矢量；Q为第k-1道工序下的特征微分运动矢量在工件重定位后转换到第k道工序下的变换矩阵；
Figure FDA0003048554820000021
分别为主基准面三个接触轮廓点M1,M2和M3的坐标位置偏差；(xN，yN，zN)为实际主基准面的法向量。
5.根据权利要求1所述的面向多工序加工过程的误差补偿方法，其特征是，所述的基于多轮廓点微分运动矢量集的多工序误差传递模型为
Figure FDA0003048554820000022
Figure FDA0003048554820000023
其中：x(k)为第k道工序的特征微分运动矢量；I(k)为单位矩阵；A1(k)和A2(k)为考虑实际基准轮廓的基准所致误差相关的系统矩阵；A3(k)为夹具所致误差相关的系统矩阵；A4(k)为加工所致误差相关的系统矩阵；A5(k)为选择矩阵；uf(k)为由于定位钉磨损等原因所致的夹具偏差；um(k)为机床误差等原因所致的加工误差。
6.根据权利要求1所述的面向多工序加工过程的误差补偿方法，其特征是，所述的等效刀具路径模型为
Figure FDA0003048554820000024
其中：
Figure FDA0003048554820000025
和
Figure FDA0003048554820000026
分别为基准所致误差、夹具所致误差和加工所致误差的等效刀具路径误差。
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