五軸加工中刀具非線性誤差的優(yōu)化策略研究

袁志華

摘要：近年來在機床加工的過程中五軸機床得到了廣泛應(yīng)用，在傳統(tǒng)的三軸機床的基礎(chǔ)上增加兩個回轉(zhuǎn)軸，可以提升加工工作的靈活性與自由度，大幅度提升自由曲面精確度，具有重要的意義。但是，在增加兩個回轉(zhuǎn)軸之后，會導(dǎo)致機床運動鏈的形式非常復(fù)雜，很容易在加工期間出現(xiàn)刀具非線性誤差問題，主要因為相關(guān)的數(shù)控系統(tǒng)在使用線性插補形式之后，會在插補期間出現(xiàn)刀軸矢量和回轉(zhuǎn)軸之間的非線性關(guān)系，不能確保刀具按照規(guī)定的軌線運行，出現(xiàn)誤差問題。在此情況下，就應(yīng)該結(jié)合五軸加工過程中的刀具非線性誤差問題發(fā)生特點，采用有效的措施優(yōu)化處理，保證各方面工作的高效化實施，提升刀具加工的準確性。

關(guān)鍵詞：五軸加工;刀具非線性誤差;優(yōu)化策略

0 ?引言

在社會經(jīng)濟不斷發(fā)展下，工業(yè)水平的不斷提升，對機床加工提出較高的要求。而在多軸數(shù)控加工中，非線性誤差是最為典型的加工誤差，在多軸加工屬于一種不可避免的問題。當前我國在五軸加工刀具非線性誤差方面，已經(jīng)提出了前置處理、后置處理的解決措施，但是，這兩種方式都無法有效控制誤差問題。因此，在未來的工作中應(yīng)該結(jié)合五軸加工中刀具的非線性誤差發(fā)生特點，采用有效的措施進行優(yōu)化處理，保證刀具加工的準確性。在對前人工作分析的基礎(chǔ)上，本文綜合分析了五軸加工中刀具非線性誤差問題的原因、五軸加工中刀具非線性誤差的控制現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上，提出了五軸加工中刀具非線性誤差的優(yōu)化策略。

1 ?五軸加工中刀具非線性誤差問題的原因

對于過大的非線性誤差而言，可以通過分析其產(chǎn)生原因，將其分為兩種：其中一種是由于加工生成刀軌本身設(shè)計步長過大，從而導(dǎo)致產(chǎn)生的非線性誤差，另外一種就是由于機床后置處理反解運動學(xué)出現(xiàn)了奇異解，造成了非線性誤差。而在五軸加工的過程中，刀具出現(xiàn)非線性誤差的原因主要表現(xiàn)為：五軸加工期間的曲面曲率處于變化的狀態(tài)，會出現(xiàn)刀軸矢量方面的改變[1]。在此情況下，三軸加工期間能夠形成良好的直線段，而五軸聯(lián)動期間由于其中加入了旋轉(zhuǎn)軸，并且在數(shù)控系統(tǒng)中屬于非連續(xù)軌跡控制形式，相鄰的刀具位置相互的軌跡不能形成直線運動形式，而是空間曲線的運動形式，這樣很容易出現(xiàn)非線性誤差問題。尤其在相鄰刀具位置之間有插補軌跡的現(xiàn)象，不能和理想軌跡之間處于同樣的狀態(tài)，就會誘發(fā)嚴重的非線性誤差問題[2]。

2 ?五軸加工中刀具非線性誤差的控制現(xiàn)狀

目前在五軸加工的過程中，已經(jīng)提出了刀具非線性誤差的控制方式，但是控制的效果不佳，難以起到良好的誤差控制作用。具體為：

2.1 刀具觸點偏執(zhí)處理方式

此類方法在應(yīng)用的過程中，主要目的在于預(yù)防工件加工期間出現(xiàn)過切現(xiàn)象或者是欠切現(xiàn)象，可以使得刀具沿著相關(guān)的刀觸點法線方向偏執(zhí)，在偏執(zhí)一定區(qū)域之后能夠形成誤差分布的改善作用，可以形成良好的誤差控制模式。但是，此類方式在應(yīng)用的過程中，不能保證偏執(zhí)以后的刀具加工誤差在合理范圍之內(nèi)，難以有效控制加工的精確度，如果不能確保偏執(zhí)以后刀具加工的誤差符合要求，也會出現(xiàn)嚴重的加工誤差問題[3]。

2.2 線性化法控制措施

此類方式是對插補段進行線性的分割處理，增加刀具行走的步數(shù)，預(yù)防因為刀具行走的步長度過高誘發(fā)非線性誤差問題。但是，在應(yīng)用此類方式過程中，如果零部件的加工過程中曲面形式非常復(fù)雜，數(shù)控程序的數(shù)量較多，很容易會導(dǎo)致插補性能與譯碼性能降低，不能保證在密度較高的加工程序中有效控制誤差問題，不能確保加工工作效率與質(zhì)量。

2.3 前置與后置處理方式

目前在五軸加工中的刀具非線性誤差控制期間，還有前置和后置的處理方式，①前置處理方式。將GPU作為基礎(chǔ)的刀具可達性檢測檢驗，在刀具可行空間之內(nèi)，研究刀軸的可行性情況，計算刀具可達方向椎的數(shù)據(jù)值;利用等弧長逼近的方式先將加工軌跡制作出來，針對加工軌跡調(diào)整處理，預(yù)防出現(xiàn)誤差問題;利用構(gòu)造可行域的形式，嚴格開展刀軸矢量的平滑過渡控制工作。②后置處理方式。在實際工作中將前置文件當做是基礎(chǔ)部分，實現(xiàn)刀具位置點的線性加密處理，可以有效控制誤差值，插入中間點，減少誤差問題;將前置文件當做是基礎(chǔ)部分，使用線性插補的形式，采用專業(yè)化的后置軟件處理，預(yù)防出現(xiàn)刀具姿態(tài)誤差的問題，這樣可以控制非線性誤差，尤其在曲率半徑較高的工件加工期間，曲率變化較小的情況下，自由曲面的誤差控制效果就很高。但是，在應(yīng)用此類方式的過程中，如果曲面率很大、半徑很小，就會受到一定的局限，難以將誤差控制在合理范圍之內(nèi)[4]。

2.4 自適應(yīng)線性控制措施

此類方式在應(yīng)用的過程中，需要先計算每個程序階段的線性誤差數(shù)據(jù)值，對于已經(jīng)超出誤差標準范圍的程序段，利用線性分割、折半分割的方式，縮短各個刀具位置點之間的距離，減少刀軸矢量的改變，這樣不僅能夠確保誤差在允許范圍之內(nèi)，還能預(yù)防出現(xiàn)刀具位置密度過高的問題，可以在復(fù)雜曲面加工期間保證精確度，不會對機床的插補能力、譯碼能力造成影響，可以保證機床加工工作效率，提升加工工作質(zhì)量和效果。此類方式屬于五軸加工期間的刀具非線性誤差控制新形式，需要利用軟件前置的方式，整合刀位源文件，按照誤差的限制性標準使用線性插補的方式，獲取到初始刀軸的矢量，之后利用投射的方式獲取到最新的刀具矢量，投射平面屬于插補之前的相鄰刀軸矢量所形成的平面，然后按照相關(guān)原理進行插補、誤差控制，這樣不僅可以有效解決誤差問題，還能通過增加新刀具位置的方式，靈活開展五軸加工工作，嚴格控制刀具的運行軌跡與精確度，預(yù)防出現(xiàn)刀具加工的誤差問題，保證各方面加工工作的嚴格實施和合理開展[5]。

由此可見，目前在五軸加工中刀具非線性誤差控制措施方面，自適應(yīng)線性控制方式的應(yīng)用效果較高，可以嚴格控制誤差問題，使得誤差在允許的范圍之內(nèi)，因此，在實際工作中必須積極采用先進的自適應(yīng)線性控制方式，預(yù)防五軸加工的過程中刀具出現(xiàn)非線性的誤差問題。

3 ?五軸加工中刀具非線性誤差的優(yōu)化策略

在分析五軸加工中刀具非線性誤差問題的原因基礎(chǔ)上，從目前五軸加工中刀具非線性誤差的控制現(xiàn)狀看，雖然在五軸加工的過程中，已經(jīng)提出了關(guān)于刀具非線性誤差的控制方式，但在實際應(yīng)用中，無論是刀具觸點偏執(zhí)處理方式、線性化法控制措施還是前置與后置處理以及自適應(yīng)線性控制措施，其實際應(yīng)用效果并不理想，這使得對形成誤差的問題沒有發(fā)揮出有效控制作用。因此，這就需要在實際工作中全面分析誤差問題的發(fā)生特點和實際情況，在此基礎(chǔ)上，篩選最佳的策略解決當前的問題，從而有效提升五軸加工中刀具非線性誤差控制效果。具體的優(yōu)化措施為：

3.1 自適應(yīng)非線性誤差的應(yīng)對措施

五軸加工期間增設(shè)了兩個旋轉(zhuǎn)軸，很難準確預(yù)測刀具和工件的接觸位置，加之刀具位置的數(shù)據(jù)信息中，只涉及到觸點、軸矢量的信息，難以將刀具形狀和工件情況展現(xiàn)出來，很容易出現(xiàn)非線性誤差的問題。在此情況下，就應(yīng)該結(jié)合實際情況采用自適應(yīng)非線性誤差控制方式，開展最大非線性誤差位置的預(yù)測工作與仿真驗證工作，選擇相鄰刀具位置點的中點區(qū)域，當做是新刀具的插入位置，假設(shè)相鄰刀具位置的數(shù)據(jù)值是（Pi+R1）、（RI+1+R1+1），應(yīng)該先將相鄰刀具位置之間的誤差計算出來，如若誤差超過就要插入新的刀具位置點（PW+RW），之后分別計算（Pi+R1）、（PW+RW）與（RI+1+R1+1）、（PW+RW）的誤差，如若出現(xiàn)了超出誤差范圍的現(xiàn)象，就必須繼續(xù)在其中插入新的刀具位置，直到將誤差控制在合格的范圍之內(nèi)才可以完成相關(guān)的工作。需要注意的是，在實際工作中應(yīng)該建立相關(guān)的非線性誤差模型，主要因為五軸加工期間，原本的平動軸運作情況可以了解，但是，增設(shè)的旋轉(zhuǎn)軸運動情況很難控制，不容易采用視圖顯示的方式了解實際情況，這就需要在誤差控制期間，建立相關(guān)的非線性誤差模型，按照五軸加工的刀具運行特點和實際情況建立相關(guān)的模型，便于準確開展誤差的計算工作，保證誤差計算的合理性，為誤差控制提供幫助。[6]

3.2 采用MATLAB軟件開展控制工作

五軸加工的工作中可以采用MATLAB軟件嚴格控制和預(yù)防刀具的非線性誤差，對算法進行仿真驗證處理，保證可以有效控制誤差問題。例如：選擇橄欖曲面開展相關(guān)的加工工作，通過軟件驗證分析減小線性誤差方式的應(yīng)用效果，可以先利用PRO/E生成刀具位置的文件，選擇其中十個采樣點，開展誤差的計算和分析工作，獲取到誤差的分布圖，通常情況下，沒有利用誤差補償方式的部分，非線性誤差較高，平均0.016毫米左右。而利用減小非線性誤差算法，主要就是在相鄰的兩個刀具位置點之間插入新的刀具位置點，這樣在一定程度上能夠形成誤差的控制作用。所以在控制五軸加工刀具非線性誤差期間，就可以結(jié)合自適應(yīng)線性控制的原理和特點有效開展誤差管理工作[7]。

4 ?結(jié)語

綜上所述，五軸加工中刀具非線性誤差問題控制的過程中，應(yīng)該積極采用自適應(yīng)線性優(yōu)化控制方式，按照五軸聯(lián)動的原理，計算非線性誤差的數(shù)據(jù)值，然后選擇誤差高出規(guī)定范圍的加工段技能型處理，將相鄰刀具位置的數(shù)據(jù)值、刀軸矢量數(shù)據(jù)值作為基礎(chǔ)，采用插補的方式增加新的刀具位置，不僅可以有效控制和預(yù)防誤差問題，還能提升加工的效率和質(zhì)量，具有非常重要的應(yīng)用意義。因此，在五軸加工的刀具非線性誤差優(yōu)化控制的過程中，必須注重自適應(yīng)線性控制方式的應(yīng)用，歸納總結(jié)豐富的經(jīng)驗，保證將誤差控制在合理范圍之內(nèi)，提升機床加工的精確度，滿足當前的加工誤差控制根本需求。

參考文獻：

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