復雜曲面的加工誤差分析

湯慧，陳岳坪，陳大偉，周曉慧，李書平

（廣西科技大學機械工程學院，廣西柳州545006）

復雜曲面的加工誤差分析

湯慧，陳岳坪*，陳大偉，周曉慧，李書平

（廣西科技大學機械工程學院，廣西柳州545006）

針對數控加工復雜曲面零件的加工誤差評定問題，采用離線檢測方案坐標測量法進行評定.利用超高精度三坐標測量機進行檢測，可以獲得測量點的坐標值.建立復雜曲面加工誤差坐標測量的數據處理模型，再進行計算，得到復雜曲面加工誤差的大小及其分布.通過一個復雜曲面的零件實例分析證明，提出的坐標測量法是一種快速而有效的評定復雜曲面加工誤差的方法.

加工誤差；復雜曲面；坐標測量；誤差評定

0　引言

在使用數控機床加工的過程中，加工誤差不可避免.為了獲得數控加工高質量的曲面零件，對零件曲面的加工誤差進行分析是關鍵環節之一.數控加工誤差產生的原因很多，主要是由加工方法、被加工的零件固定與否、零件熱變形誤差及刀具尺寸誤差等引起［1-3］.加工誤差分析有在線和離線2種方案，在線檢測是將加工和檢測集成在一起，避免二次裝夾引起的誤差，減少了測量時間，但是現有的在線檢測系統發展還不成熟，存在檢測精度不夠等問題［4-5］.離線檢測方案發展的比較成熟，具有測量精度高、應用廣泛的特點［6-8］.本文采用離線檢測方案——坐標測量法，利用高精度三坐標測量機對零件曲面進行測量，獲得測量點坐標值后進一步處理，通過計算，可確定加工誤差的值.

1　復雜曲面加工誤差理論分析

復雜曲面加工誤差一般用曲面上理論點沿著法向方向上的誤差進行描述，即加工曲面到理論曲面之間的法向距離，從而轉換為實際測量點到理論曲面的最小距離.假設實測點坐標為p（XA，YA，ZA），其對應的法線為n，n與理論曲面相交于點p*，即實測點在理論曲面上的對應點，設理論點的坐標為p*（XT，YT，ZT），p與p*之間的距離為實測點p到理論曲面的最小距離（即曲面加工誤差ε），如圖1所示，曲面加工誤差ε可表示為［9］：

其中，ε是曲面上每個點的加工誤差；XT，YT，ZT是理論點p*的坐標值；XA，YA，ZA是實際測量點p的坐標值.

圖1　點到曲面最小距離Fig.1 The minimum distance from point to surface

2　復雜曲面加工誤差實驗研究

本文提出的坐標測量法求取加工誤差的方法，通過一個復雜曲面零件實例進行驗證.

2.1研究實驗準備

實驗所需軟硬件配置如圖2所示.

·一臺集成數控機床和三坐標測量機端口連接的計算機，且安裝了Quindos測量軟件；

·M-VD85三軸立式加工中心，數控系統為Fanuc 0i-MD系統；

·海克斯康Leitz Reference HP三坐標測量機，尺寸測量的最大允許示值誤差MPEE為0.9+L／400μm［9］.

2.2建立零件幾何模型

被加工零件的幾何模型由UG所生成，如圖3所示.

圖2　實驗研究設備Fig.2 Research stand scheme

圖3　三維復雜曲面Fig.3 3D complex surface

2.3編程與加工

將建好的幾何模型轉換成對應的格式導入Master-cam軟件中，建立工件坐標系后，設定參數，具體加工參數設置如表1所示.實驗零件材料為鋁合金，毛坯尺寸為80mm×80mm×17mm.加工設備采用型號為M-VD85三軸立式加工中心，其數控系統為Fanuc 0i-MD系統.通過Mastercam軟件生成零件加工的刀具路徑，如圖4所示.

表1　加工參數設置Tab.1 Processing parameters setting

圖4　刀具路徑Fig.4 Tool paths

在模擬數控加工后，利用Mastercam的后置處理程序生成NC代碼.通過計算機端口，利用數據線相連，將NC代碼直接從計算機傳輸到數控機床，并裝夾好工件和設置好刀具參數，執行NC代碼，進行零件加工，如圖5所示.

2.4復雜曲面檢測

將加工完成的零件移至高精度三坐標測量機工作臺進行檢測.將被測零件的幾何模型通過UG轉換為IGES格式的文件導入Quindos軟件中，運用3－2－1法建立工件坐標系再進行檢測.利用Quindos檢測軟件對零件曲面分布測點和規劃測量路徑，在零件曲面上采集900個數據點，如圖6所示.曲面的測量過程如圖7所示.

圖5　曲面零件數控加工Fig.5 NC machining of curved surface part

圖6　檢測點分布Fig.6 Distribution of detection points

圖7　曲面檢測Fig.7 Surface detection

2.5實驗結果

在完成檢測后，獲得了每個測量點的坐標值.將每個點的坐標值代入公式（1）中，就可以得到每個點的加工誤差ε.

該曲面零件加工誤差分布圖和加工誤差直方圖分別如圖8和圖9所示.由圖8~圖9可見，零件曲面的加工誤差的分布接近正態分布，呈現“兩頭小，中間大”的趨勢，其最大加工誤差是39.8μm，平均誤差是7.9μm，標準差是1.2μm.針對這些誤差進行加工誤差補償，以提高數控加工復雜曲面的加工精度.

圖8　零件加工誤差分布圖Fig.8 Machining error distribution of part

圖9　零件加工誤差直方圖Fig.9 Histogram of machining error

3　結論

坐標測量法是一種快速而有效的評定曲面加工誤差的方法，尤其對復雜曲面加工誤差的評定.根據檢測獲得每個測量點的坐標值，通過計算可以得到加工誤差，從而對加工數控代碼進行修改補償，再加工，就能獲得精度更高的零件產品.總之，坐標測量法應用于現代工業，對獲得高質量的產品至關重要.

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（學科編輯：黎婭）

Analysis of machining error of complex surface with CNC machine tool

TANG Hui,CHEN Yue-ping*,CHEN Da-wei,ZHOU Xiao-hui,LI Shu-ping
（School of Mechanical Engineering,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006,China）

Aiming at machining error in machining complex surface parts with CNC machine tools,the off-line detection scheme coordinate measuring method is used.Coordinate measuring point values can be obtained through inspection with high precision coordinate measuring machine.The values and distribution of machining errors of complex surfaces can be obtained by using the data processing model,which is based on the measurement of complex surface profile errors.The coordinate measuring method is proved to be a fast and effective method to evaluate the machining errors of complex surface by analyzing the part with a complex curved surface.

machining error;complex surface;coordinate measurement;error evaluation

T H161

A

2095-7335（2016）03-0017-04

10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2016.03.003

2016-05-07

國家自然科學基金資助項目（51565006）；廣西自然科學基金資助項目（2014GXNSFAA118337）；廣西高校科研資助項目（2013ZD048）；廣西高校重點實驗室主任基金（2014JZKG005）；廣西工學院博士基金資助項目（院科博12Z15）資助.

＊陳岳坪，博士，副教授，研究方向：精密檢測技術，chenyueping99＠126.com.