CN115562161A - 一种基于在线监测的刀具切削路径加工误差补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于在线监测的刀具切削路径加工误差补偿方法，建立加工过程的机床坐标系与工件坐标系；计算机床实际位置坐标与理论位置坐标，计算系统架构瞬态误差δ1；将刀具轨迹离散为若干刀位点，根据铣削力计算模型计算工件切削时产生的力，基于有限元模型计算变形量并调整，确定最终工件理论误差δ2；根据系统架构瞬态误差δ1和理论误差δ2补偿刀具轨迹后，开展试验并监测力及振荡信息，计算并调整刀具磨损误差δ3，直至满足误差要求，得到补偿后的刀具轨迹，以用于刀具切削路径加工，完成误差补偿。可减小加工产生的变形量，实现高效高精度加工，对控制零件加工误差、保证加工精度具有指导意义。

Description

一种基于在线监测的刀具切削路径加工误差补偿方法
技术领域
本发明属于铣削加工技术领域，具体涉及一种基于在线监测的刀具切削路径加工误差补偿方法。
背景技术
数控铣削工艺系统包括机床、刀具和工件三个部分，零件的机械加工是在这个系统内完成的。因此，在实际加工时，由于工艺系统的误差产生累计，使得零件的加工误差在不同程度上加以显现。切削力的作用会导致零件在加工时发生弹性变形，加工结束后，弹性变形恢复，造成部分材料未被切除，从而影响零件的尺寸精度。在实际加工过程中，随着刀具不断磨损，刀具的实际切削位置与理论切削位置产生一定的偏差，使得刀具切削刃的实际切削轨迹将会与理论切削轨迹产生差值，进而引起加工误差。刀具切削路径补偿就是采用修改刀具切削轨迹来抵消刀具磨损引起的切削轨迹的偏差，达到误差补偿的目的。
随着计算机技术的快速发展和普及，有限元仿真分析在机械行业的应用越来越广泛，尤其是在机械加工中起到至关重要的作用。为保证加工的零件符合要求，在加工之前需进行预测分析从而确定零件加工后的变形。由于难加工材料在加工过程中会产生较大的切削力和较高的切削温度，极易导致刀尖钝化、刀具磨损。在以往的切削加工中，刀具状态的识别主要通过定量切削时间后卸载刀具，在显微镜头下测量其磨损值，或者通过切屑和加工过程中的噪声等人为经验判断。这些磨损识别方法有很大的局限性，前者耗费时间，影响加工效率，后者通过人为经验判断，此方法缺乏准确性。尤其是在一些复杂零部件的加工过程中，精度要求高，相应的刀具及工件材料也昂贵，因此考虑刀具磨损条件下的加工补偿显得尤为重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于在线监测的刀具切削路径加工误差补偿方法。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于在线监测的刀具切削路径加工误差补偿方法，包括：
步骤一、建立加工过程的机床坐标系与工件坐标系；
步骤二、计算机床实际位置坐标与理论位置坐标，计算系统架构瞬态误差δ1；
步骤三、将刀具轨迹离散为若干刀位点，对于任一刀位点，根据铣削力计算模型计算工件切削时产生的力，基于有限元模型计算变形量并调整，确定最终工件理论误差δ2；
步骤四、根据系统架构瞬态误差δ1和理论误差δ2补偿刀具轨迹后，开展试验并监测力及振荡信息，计算并调整刀具磨损误差δ3，直至满足误差要求，得到补偿后的刀具轨迹，以用于刀具切削路径加工，完成误差补偿。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的步骤一所述机床坐标系为机床的硬件系统坐标系，工件坐标系为编程时使用的坐标系；
所述机床坐标系以及固定于机床自身的光栅或者编码器的零点建立。
上述的步骤二根据机床光栅尺采集的实际加工位置坐标与NC程序驱动位置坐标比对得出系统架构瞬态误差，具体的，将机床各轴线性光栅尺或圆形光栅尺采集到的轴位置坐标通过分线器传输至编码器，在计算机端得到机床实际位置参数，与NC程序进行对比获得系统架构瞬态误差。
上述的步骤二中，将机床各轴线性光栅尺或圆形光栅尺采集到的轴位置坐标导入分线器将信号一分为二，一路信号返回至机床数控系统，另一路信号传输至编码器，基于LABVIEW平台通过一个触发信号同时存储机床位置和测量值，从而搭建在机测量系统，在机测量过程中，实时记录机床各轴坐标，包括平移轴X、Y、Z、旋转轴B、C五路信号，将位置信号和测量信号在PC端通过自开发的软件界面进行集成并显示，计算机床实际位置坐标与理论位置坐标，得到系统架构瞬态误差δ1。
上述的步骤三所述基于有限元模型计算变形量并调整，确定最终工件理论误差δ2的过程如下：
将工件部件导入有限元仿真分析软件，创建材料的密度、弹性模量和泊松比材料属性，然后对工件进行网格划分，基于实际工况创建分析步，按照实际装夹对工件进行约束以及载荷力的加载，最后提交作业，求解各节点的理论变形量δ2，若变形量满足小于给定值的要求，则确定最终工件理论误差δ2，若不满足，则修改调整δ2并修改刀具位置之后再执行如上过程，直至满足要求。
上述的基于有限元模型通过提取加工时的刀具切削参数、余量分布与理论加工刀位点信息，建立加工误差静态模型，计算工件理论变形量；
所述加工误差静态模型融合包括工艺参数数据库、材料属性与刀具角度在内的刀具切削参数、基于毛坯数据与理论模型的加工余量分布、理论加工程序，可对理论误差提供完整的数据支撑；所述理论加工程序基于UG建立理论模型与毛坯形状，参考刀具尺寸与角度建立刀具模型，根据实际加工情况定义切削参数与加工路径，利用加工模块生成刀具轨迹cls模型。
上述的步骤四具体为：
将系统架构瞬态误差δ1和理论误差δ2补偿在刀具轨迹中，并据此粗加工毛坯，然后通过监测加工过程中的振动以及力信号，计算刀具磨损误差δ3并加以补偿，将加工测量数据应用于半精加工，测量半精加工过程中的振动以及力信号，计算当前时间下刀具磨损误差δ3，若不满足δ3小于设定值的要求，则继续计算刀具磨损误差δ3并加以补偿，直至满足要求，若满足要求，则整理所有刀位点的刀具位置信息，得到补偿后的刀具轨迹，使用补偿后的刀具轨迹进行加工，即可完成刀具切削路径加工误差补偿。
本发明具有以下有益效果：本发明建立机床坐标系与工件坐标系，根据机床光栅尺采集的实际加工位置坐标与NC驱动位置坐标进行对比分析，计算偏差得出系统架构瞬态误差δ1；根据加工时的刀具切削参数、余量分布与理论加工刀位点信息，进行加工误差静态分析，计算工件理论变形量δ2；根据加工中心的数据模型，通过在线监测加工过程中的振动等信号，预测评估出刀具变形与磨损，进行面向动态负载的误差预测，计算刀具磨损变形量δ3，综合以上误差，可根据表现在零件加工结果上的加工误差进行刀具切削路径补偿，将上述过程遍布所有刀位点，直至加工误差在可接受范围内，完成成品零件加工。极大地减小了加工产生的变形量，实现了高效高精度加工，对控制零件加工误差、保证加工精度具有指导意义。
附图说明
图1是基于在线监测的刀具切削路径加工误差补偿方法流程图；
图2是加工误差的形成与分布；
图3是数控机床几何误差补偿示意图；
图4是有限元模型载荷施加示意图；
图3中的附图标号为：1-分线器，2-光栅尺，3-激光传感器，4-刀柄，5-无线网络通信，6-机床数控系统，7-计算机。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
如图1和2所示，一种基于在线监测的刀具切削路径加工误差补偿方法，包括：
步骤一、建立加工过程的机床坐标系与工件坐标系。
机床坐标系是机床的硬件系统建立的坐标系统，是固定于机床自身的光栅或者编码器的零点建立起来的。工件坐标系是编程时使用的坐标系，又称编程坐标系，该坐标系是人为设定的。
步骤二、计算系统架构瞬态误差δ1。
如图3所示，机床实时将光栅尺2采集的数据通过分线器1传输至机床数控系统6与计算机端7，与此同时，加持在刀柄4上的激光传感器3测得数据通过无线网络通信5发送至计算机端，通过在计算机端进行对比获得系统架构瞬态误差δ1。
所述步骤二根据机床光栅尺采集的实际加工位置坐标与NC程序驱动位置坐标比对得出系统架构瞬态误差，具体的，将机床各轴线性光栅尺或圆形光栅尺采集到的轴位置坐标通过分线器传输至编码器，在计算机端得到机床实际位置参数，与NC程序进行对比获得系统架构瞬态误差。
具体的，将机床各轴线性光栅尺2或圆形光栅尺2采集到的轴位置坐标导入分线器1(一分为二)，一路信号返回至机床数控系统，另一路信号传输至编码器，基于LABVIEW平台通过一个触发信号同时存储机床位置和测量值，从而搭建在机测量系统。
在机测量过程中，需实时记录机床各轴坐标，如平移轴X、Y、Z、旋转轴B、C等五路信号，因此需要五个IBV 6072分线器；
而EIB 741最多只能同时读取四个信号，因此需要两个位置存储器；
此外，激光传感器通过设计夹具装于刀柄上，实现与机床主轴的快速拆装；
最后位置信号和测量信号在PC端通过自开发的软件界面进行集成并显示，计算机床实际位置坐标与理论位置坐标，得到系统架构瞬态误差δ1。
步骤三、计算理论误差δ2。
基于所选参数开展基础试验，利用测力仪测出切削力，再将实验数据利用Origin等软件进行线性回归等处理，得到切削力的经验公式。常用切削力经验公式类型为指数型经验公式，其标准形式为：
Figure BDA0003893770050000041
式中：CF为铣削力系数，与加工条件与切削材料有关；XF为切削深度ap对切削力影响的指数；YF为进给量f对切削力影响的指数；ZF为切削速度vc对切削力影响的指数；KF为修正系数，与刀具磨损、刀具参数等有关。
在式(1)两边分别取对数得：
lgF＝lgCF+XF·lgap+YF·lgf+ZF·lgvc (2)
利用origin软件数据分析工具中的回归功能，分析得到各系数的数值，即可建立三个方向下切削力和切削参数对数值之间的多元回归模型，工况不同，加工参数不同，铣削力模型也会不同。
进行加工误差补偿时，基于所选加工参数，根据上述铣削力计算模型计算工件切削时产生的力，基于有限元模型计算变形量。
基于有限元仿真分析软件计算变形量的过程如下：
如图4所示，将工件部件导入Abaqus软件，创建材料的密度、弹性模量和泊松比等材料属性，然后选用六面体网格对工件进行网格划分，基于实际工况创建分析步，按照实际装夹对工件进行约束以及载荷力的加载，最后提交作业，求解各节点的理论变形量δ2，若变形量满足小于给定值，则确定仿真误差补偿值，若不满足，则调整δ2之后再执行如上过程，直至满足要求。
所述基于有限元模型通过提取加工时的刀具切削参数、余量分布与理论加工刀位点信息，建立加工误差静态模型，计算工件理论变形量；所述加工误差静态模型融合包括工艺参数数据库、材料属性与刀具角度在内的刀具切削参数、基于毛坯数据与理论模型的加工余量分布、理论加工程序，可对理论误差提供完整的数据支撑；所述理论加工程序基于UG建立理论模型与毛坯形状，参考刀具尺寸与角度建立刀具模型，根据实际加工情况定义切削参数与加工路径，利用加工模块生成刀具轨迹cls模型。
步骤四、计算刀具磨损误差δ3。
在实际加工中，将系统架构瞬态误差δ1和理论变形误差δ2补偿在刀具轨迹中，并据此粗加工毛坯，然后通过监测加工过程中的振动以及力信号，计算刀具磨损误差δ3并加以补偿，将测量数据应用于半精加工，重复以上过程，计算当前时间下刀具磨损误差δ3，重复上述过程，若不满足误差值小于某一给定值这一条件，则继续计算刀具磨损误差δ3并加以补偿，直至满足要求，若满足误差值小于某一给定值这一条件，则整理所有刀位点的刀具位置信息，得到补偿后的刀具轨迹，使用补偿后的刀具轨迹进行加工，即可完成刀具切削路径加工误差补偿。即通过安装在机床上的传感器测得工件实际加工过程中的加速度以及力等信号，在线分析加工工程中的振动、变形与刀具磨损，建立融合三者的加工变形表征，通过对时变加工信号进行提取分析，计算当下刀具磨损，并根据刀具磨损进行加工误差补偿，即反向误差补偿。
所述反向误差补偿是可对刀具轨迹离散刀位点进行加工误差补偿，对比理论刀具中心轨迹与加工误差曲线，阶段性修正刀具中心轨迹，以理论刀具中心轨迹为基线，实际刀具中心轨迹为与极限存在一定的距离x的曲线，因此在加工误差补偿时，在基线的基础上进行-x长度的偏移即可得到修正后的刀具中心轨迹，完成基于在线监测的刀具切削路径加工误差补偿。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于在线监测的刀具切削路径加工误差补偿方法，其特征在于，包括：
步骤一、建立加工过程的机床坐标系与工件坐标系；
步骤二、计算机床实际位置坐标与理论位置坐标，计算系统架构瞬态误差δ1；
步骤三、将刀具轨迹离散为若干刀位点，对于任一刀位点，根据铣削力计算模型计算工件切削时产生的力，基于有限元模型计算变形量并调整，确定最终工件理论误差δ2；
步骤四、根据系统架构瞬态误差δ1和理论误差δ2补偿刀具轨迹后，开展试验并监测力及振荡信息，计算并调整刀具磨损误差δ3，直至满足误差要求，得到补偿后的刀具轨迹，以用于刀具切削路径加工，完成误差补偿。
2.根据权利要求1所述的一种基于在线监测的刀具切削路径加工误差补偿方法，其特征在于，步骤一所述机床坐标系为机床的硬件系统坐标系，工件坐标系为编程时使用的坐标系；
所述机床坐标系以及固定于机床自身的光栅或者编码器的零点建立。
3.根据权利要求1所述的一种基于在线监测的刀具切削路径加工误差补偿方法，其特征在于，所述步骤二根据机床光栅尺采集的实际加工位置坐标与NC程序驱动位置坐标比对得出系统架构瞬态误差，具体的，将机床各轴线性光栅尺或圆形光栅尺采集到的轴位置坐标通过分线器传输至编码器，在计算机端得到机床实际位置参数，与NC程序进行对比获得系统架构瞬态误差。
4.根据权利要求1所述的一种基于在线监测的刀具切削路径加工误差补偿方法，其特征在于，所述步骤二中，将机床各轴线性光栅尺或圆形光栅尺采集到的轴位置坐标导入分线器将信号一分为二，一路信号返回至机床数控系统，另一路信号传输至编码器，基于LABVIEW平台通过一个触发信号同时存储机床位置和测量值，从而搭建在机测量系统，在机测量过程中，实时记录机床各轴坐标，包括平移轴X、Y、Z、旋转轴B、C五路信号，将位置信号和测量信号在PC端通过自开发的软件界面进行集成并显示，计算机床实际位置坐标与理论位置坐标，得到系统架构瞬态误差δ1。
5.根据权利要求1所述的一种基于在线监测的刀具切削路径加工误差补偿方法，其特征在于，步骤三所述基于有限元模型计算变形量并调整，确定最终工件理论误差δ2的过程如下：
将工件部件导入有限元仿真分析软件，创建材料的密度、弹性模量和泊松比材料属性，然后对工件进行网格划分，基于实际工况创建分析步，按照实际装夹对工件进行约束以及载荷力的加载，最后提交作业，求解各节点的理论变形量δ2，若变形量满足小于给定值的要求，则确定最终工件理论误差δ2，若不满足，则修改调整δ2并修改刀具位置之后再执行如上过程，直至满足要求。
6.根据权利要求1所述的一种基于在线监测的刀具切削路径加工误差补偿方法，其特征在于，所述基于有限元模型通过提取加工时的刀具切削参数、余量分布与理论加工刀位点信息，建立加工误差静态模型，计算工件理论变形量；
所述加工误差静态模型融合包括工艺参数数据库、材料属性与刀具角度在内的刀具切削参数、基于毛坯数据与理论模型的加工余量分布、理论加工程序，可对理论误差提供完整的数据支撑；所述理论加工程序基于UG建立理论模型与毛坯形状，参考刀具尺寸与角度建立刀具模型，根据实际加工情况定义切削参数与加工路径，利用加工模块生成刀具轨迹cls模型。
7.根据权利要求1所述的一种基于在线监测的刀具切削路径加工误差补偿方法，其特征在于，所述步骤四具体为：
将系统架构瞬态误差δ1和理论误差δ2补偿在刀具轨迹中，并据此粗加工毛坯，然后通过安装在机床上的传感器监测加工过程中的振动以及力信号，计算刀具磨损误差δ3并加以补偿，将加工测量数据应用于半精加工，测量半精加工过程中的振动以及力信号，计算当前时间下刀具磨损误差δ3，若不满足δ3小于设定值的要求，则继续计算刀具磨损误差δ3并加以补偿，直至满足要求，若满足要求，则整理所有刀位点的刀具位置信息，得到补偿后的刀具轨迹，使用补偿后的刀具轨迹进行加工，即可完成刀具切削路径加工误差补偿。
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