五軸數控機床加工葉片的刀具軌跡規劃與誤差補償

任成高，龍華，申曉龍

（湖南工業職業技術學院，湖南長沙，410208）

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五軸數控機床加工葉片的刀具軌跡規劃與誤差補償

任成高，龍華，申曉龍

（湖南工業職業技術學院，湖南長沙，410208）

［摘要］針對五軸數控機床加工復雜薄壁葉片的要求，分析了刀位點對應的接觸點及其曲面法矢量形成的葉片刀具路徑軌跡規劃，應用沿體對角線快速進行數控機床誤差的高效測量，提出了一種分步解耦補償方法。

［關鍵詞］五軸數控機床；薄壁葉片；軌跡規劃；體對角線測量；誤差補償

The Tool Path Planning and Error Compensation for Five-Axis CNC Machine Tool Processing Blade

REN Cheng-gao，LONG Hua，SHEN Xiao-long
（Hunan Industry Polytechnic, Changsha 410208, Hunan）

［Abstract］According to processing requirements of complex thin-walled leaves of five axis NC machine tool, this paper analyzes the contact point of cutter location point, and the trajectory planning of the blade cutting tool path formed by the hook face vector, and efficiently measures the error of NC machine tool by using the body diagonal, and proposes a distributed decoupling compensation method.

［Key words］five-axis CNC machine tools; thin blade; trajectory planning; the diagonal measurement; error compensation

1.前言

隨著現代制造業升級和數控加工技術的發展，三軸聯動數控機床已經廣泛普及，我國制造企業正在大量引進，使用四軸、五軸數控聯動機床實現復雜曲面零件的高精度、高速加工。

五軸數控機床通常是指具有三個線性移動軸、二個轉動軸由旋轉/擺動工作臺來實現的數控機床，旋轉/擺動工作臺通常水平或垂直安裝在機床工作臺面上，實現各種回轉分度工作。在回轉工作臺面上可安裝板、盤或利用與它相配套的尾座安裝棒放置形狀復雜的加工零件，可避免因多次裝夾造成的安裝誤差，從而可以達到一次裝夾就完成幾何形狀復雜的復合曲面加工，保證零件形位精度、提高加工質量，滿足現代制造產業“多軸、工藝復合、精密、高效”的加工要求。

2.葉片加工刀具接觸點軌跡規劃

2.1國內葉片加工現狀

葉片是葉輪的關鍵零件，葉片型面復雜，形狀多為自由曲面或空間直紋面等復合曲面，葉根圓角由多個變直徑的圓弧組成。我國在多軸精密數控制造技術方面起步較晚，雖然最近幾年來引進不少先進的精密數控設備，但由于在變形預測和補償理論上的不完善，我國目前制造企業在復合曲面高精密制造技術方面還無法取得實質性的突破進展[1]。如何實現對數控機床加工葉片復合曲面的刀具路徑軌跡規劃與誤差補償，有效提高葉片加工的精度和表面質量已成為制約我國高精密制造產業發展的“瓶頸”問題。

2.2葉片刀具路徑軌跡規劃

對葉片復合薄壁曲面的受力變形分析，可得到葉片在多軸數控機床加工過程中銑削力作用點的位置，即刀具路徑軌跡，從而做到研究力、葉片變形量及徑向切深間的相互作用。描述空間復合薄壁型面常用B曲面或非均勻三次有理B樣條曲線，直紋面葉片的母線是直線，其引線為三次B樣條曲線。直紋面一般采用側銑加工方式來保證加工精度和表面質量，自由曲面通常為B曲線，可以采用點銑方式加工提高加工效率[2]。

葉片型面可采用B樣條法、插值法、NURBUS曲線法等多種造型方法，利用MATLAB計算曲面密化后的數據點，再導入CAD/CAM軟件生成葉片型面三維圖。由于葉片曲面通常具有較大的扭曲度，葉片流道開粗加工一般采用鍵槽銑刀，精加工采用球頭銑刀。假若刀軸矢量不恰當，因球頭銑刀底部無切削刃，如果球頭銑刀底部參與切削，會對葉片加工質量產生不良影響，葉輪加工中的刀具過切工藝問題和刀具干涉是合理規劃刀具路徑的關鍵點[3]。

圖1葉片加工刀具軌跡圖

注意做到正確規劃刀具軌跡、制定合理加工工藝、消除刀具過切和干涉，保證加工精度和表面質量、提高加工時效。葉輪有側刃銑削和點銑兩種加工方式。側刃銑削通常適合于直紋面加工，但在加工自由曲面時易造成欠切或過切；球頭刀因法矢自適應性、刀軸控制方便，故自由曲面常采用球頭刀點銑加工。葉輪的流道開粗采用自上而下的順序，為提高葉輪的加工精度和表面質量，其葉片在半精加工、精加工中采用順銑方式[4]。刀具加工軌跡規劃包含刀軸矢量、刀心點坐標信息，如圖2所示。將刀尖點P沿刀矢量N偏置刀具半徑，知刀心點坐標O，求O點U切矢、V切矢，叉乘得刀心法矢n，將O點沿法矢n偏置刀具半徑R，可得刀觸點T[5]。

圖2刀具接觸點計算

圖3葉輪的CAD/CAM幾何造型

3.葉片加工誤差補償原理與數控機床誤差的高效測量

3.1葉片加工誤差補償原理

葉片加工離線控制修正刀位補償法，通過分析、計算加工過程銑削力大小和變形量，該法對自由曲面補償效果明顯，見圖4所示。因實際加工存在變形，最終補償軌跡與理想曲線仍會存在相應誤差，該誤差雖然不斷減小、但很難全部消除。刀具路徑補償的刀位點鏡面補償法，是指當切削力施加在工件上，因工件變形而引起的加工誤差，對刀位點實施變形量的反方向過程的補償。如圖5所示[6]。

圖4變形補償原理

圖5刀具路徑補償

薄壁葉片曲面的銑削過程中，刀具的剛度遠大于工件的剛度，該方法綜合考慮銑削力、徑向切深和變形量經過多次迭代耦合平衡狀態的影響，適合于加工精度較高的場合。即：

3.2數控機床誤差的高效測量

誤差補償的前提是對數控機床存在的空間定位誤差進行測量，高精度的激光干涉儀是數控機床定位誤差最常用的測量工具。

3.2.1機床誤差體對角線測量法

國際標準ISO230-6[7]是一種沿體對角線進行機床精度檢驗方法，分步對角線測量原理如圖6所示。假設P0和P1是對角線兩個測量點，沿對角線方向X、Y、Z軸進給增量Dx、Dy、Dz分步測量，機床工作空間的4條體對角線測得12組數據，包含了各軸運動時產生的所有誤差，從而可以獲得更多信息，測量時實際安裝位置見圖7。

圖6分步體對角線測量法

圖7測量時實際安裝位置圖

3.2.2旋轉軸轉角誤差分步測量法

雙轉臺旋轉軸五軸機床由于實際加工中轉角與理論值存在一個差值，即轉角的定位誤差。旋轉軸轉動一個角度θ，可測量實際的轉角θ′，其差值就是轉角定位誤差，通過線性插補繪制出0～360°誤差曲線作為轉角誤差補償依據[8]。

圖8旋轉軸轉角定位誤差分步測量

圖9五軸機床旋轉軸的布置形式

雙轉臺布置的兩個轉軸存在主次依賴關系，A軸的軸線是虛擬的，其旋轉角度與反射鏡的旋轉角度相同，利用分步測量法測得各位置轉角定位誤差值，為誤差補償實施做準備。

4.五軸數控機床誤差補償的實施與應用

五軸機床誤差補償的實施，即通過對各運動軸輸入一個相應的補償值來調整運動軸上的刀具和工件的實際姿態和位置來實現的，也就是先進行姿態調整補償，再進行位置調整補償。

圖10實施誤差補償的五軸數控機床現場

圖10為在雙轉臺五軸機床XHK716/5進行空切削狀態下空間誤差的測量和補償試驗。在五軸機床上對葉片曲面輪廓零件進行實際加工，先應用CAD/CAM軟件進行仿真分析，實體造型生成刀位數據文件。然后在加工輪廓表面選擇10個采樣點，計算得到該點的零件尺寸誤差[9]。

圖11采樣誤差補償結果

5.結論

基于B曲面理論，分析了刀位點對應的接觸點及其曲面法矢量，在修正刀位離線控制刀具路徑誤差補償方法的基礎上，沿用體對角線快速進行數控機床誤差的高效測量，針對五軸數控機床提出了一種分步實施的解耦補償方法。

[參考文獻]

[1]陳天福,張平,饒宇輝.五軸聯動數控3D刀具半徑補償后置處理的實現[J].機床與液壓，2013,41(5):56-58.

[2]蔡永林.任意曲面三元葉輪多坐標數控加工關鍵技術的研究[D].西安交通大學，2002.

[3]劉雄偉等.航空發動機薄壁葉片精密數控加工技術研究[J].機械科學與技術，2004，(3):329-331.

[4]孫晶.閉式葉輪數控粗加工的刀具軌跡規劃研究[D].北京交通大學，2009.

[5]梁全.葉輪五坐標數控銑削CAM和CNC關鍵技術的研究[D].哈爾濱工業大學，2009.

[6]林立.復雜薄壁葉片加工誤差分析與研究[D].北京交通大學，2011.

[7]ISO 230-6: 2002 Test code for machine tools - Part 6: Determination of positioning accuracy on body and face diagonals（Diagonal displacement tests）,an International Standard, by International Standards Organization, 2002.

[8]張宏韜,楊建國等.雙轉臺五軸數控機床誤差實時補償[J].機械工程學報，2010,46(21):143-148.

[9]張宏韜.雙轉臺五軸數控機床誤差的動態實時補償研究[D].上海交通大學，2011.

［作者簡介］任成高(1966- )，女，湖南岳陽人，湖南工業職業技術學院副教授，研究方向：機械工程，機械制造與自動化；龍華(1972- )，女，湖南常德人，湖南工業職業技術學院副教授，研究方向：數控技術，機械制造與自動化。

［基金項目］湖南省科技廳科技計劃項目（項目編號：2013GK3048）。

［收稿日期］2015-11-3

［中圖分類號］TG661

［文獻標識碼］A

［文章編號］1671-5004（2016）01-0001-04