異形面型芯數控加工幾何誤差補償方法

摘 要：為對異形面型芯數控加工幾何誤差進行實時預測和補償，提高異形面型芯的加工精度，本文提出幾何誤差補償方法研究。根據機床的結構特點和誤差類型布局測量點，離線測量數控機床幾何誤差。根據測量的誤差結果明確補償目標，從直線度誤差、角度誤差和定位精度誤差3個維度計算補償參數。結合測頭半徑補償方法原理，進行誤差補償。試驗結果表明，應用提出的方法進行誤差補償后，加工件的幾何誤差顯著降低，不超過0.02 mm。

關鍵詞：異形面型芯；數控加工；幾何誤差；補償

中圖分類號：V 261" " " 文獻標志碼：A

異形面型芯是復雜零件的代表，在航空、航天和汽車等高端制造領域發揮了至關重要的作用。異形面型芯的精度和質量直接影響產品的性能和壽命，因此，其加工技術的精確性和穩定性成為行業研究的熱點。由于數控加工技術具有高效、精準的特點，因此該技術是異形面型芯加工的主要手段[1]。在實際加工過程中，由于機床、刀具和夾具等多種因素影響，因此幾何誤差難以避免，嚴重影響異形面型芯的加工精度。幾何誤差補償方法是提高數控加工精度的有效手段，可以實時預測誤差和進行補償，并顯著提高異形面型芯的加工精度和效率。傳統的異形面型芯數控加工幾何誤差補償方法在實際工業應用中仍然存在缺陷。其中，文獻[2]提出的方法根據誤差檢測與預測的原理，修改數控加工指令對誤差進行補償，難以全面、準確地反映在加工過程中的實際誤差情況。文獻[3]提出的方法利用自適應濾波技術對異形面型芯參數進行調整，對數控加工誤差進行補償，難以適應在加工過程中誤差的動態變化，補償效果不理想。基于此，本文提出一種適用于異形面型芯數控加工的幾何誤差補償方法，為異形面型芯的高精度加工提供技術支持。

1 異形面型芯數控加工幾何誤差補償方法設計

1.1 離線測量數控機床幾何誤差

在異形面型芯的數控加工過程中，幾何誤差的精確補償是保證加工精度和產品質量的重要環節。其中，離線測量是這個過程中的關鍵步驟，其可以對機床幾何誤差進行全面、準確的評估[4]。為了保證離線測量的準確性和有效性，需要根據機床的幾何特性和誤差類型選擇以下3種合適的測量儀器。1）激光干涉儀。其作用是檢測機床的線性位移誤差。2）直線度測量儀。其作用是評估機床導軌的直線度誤差。3）角度測量儀。其作用是測量機床轉動部件的角度誤差。每種測量儀器都需要經過嚴格校準，保證其具備足夠的精度和準確性[5]，以滿足對機床幾何誤差測量的高要求。查閱機床的結構圖紙和技術文檔十分重要，這些文檔詳細描述了機床的整體結構、關鍵部件的設計以及可能的誤差來源。仔細閱讀這些文檔可以深入了解機床的結構特點、工作原理和誤差產生的機理，確定需要測量的關鍵部位，例如導軌、主軸和軸承等，這些部件的幾何精度直接影響加工件的精度和質量。確定測量部位后，需要設置相應的離線測量參數，見表1。這些參數的設置對保證離線測量的準確性和可靠性具有重要意義。

在機床的離線測量過程中，保證精度和效率的關鍵是合理布局測量點。需要根據機床的結構特點和誤差類型來選擇測量點。選擇機床的1個固定點作為測量起點，起點應該位于機床的關鍵部位，保證位置穩定且易于定位，例如主軸、導軌和工作臺等，以準確反映機床的實際狀態。根據測量目標和機床結構確定測量路徑的終點位置，規劃測量路徑，在測量過程中能夠覆蓋機床的各個關鍵部位和潛在誤差源[6]。測量路徑在關鍵部位之間能夠連續過渡，避免路徑中斷或跳躍，保證測量數據的連貫性和完整性。在滿足測量需求的前提下盡量簡化測量路徑，減少不必要的測量點和步驟，提高測量效率。根據測量點的數量和位置合理安排測量順序。根據異形面型芯整體至局部的原則，先對整體進行測量，再逐步細化至局部細節[7]。按照從高級至低級的順序，先測量主要軸線、中心線和關鍵點，然后逐漸擴展至次要的或更詳細的測量點。

離線測量流程可以顯著提高測量效率，減少誤差累積，保證測量任務順利完成，測量結果準確有效。

1.2 計算補償參數

異形面型芯數控加工幾何誤差離線測量完畢后，根據測量結果明確補償目標，即降低或消除機床在加工過程中產生的幾何誤差，計算誤差補償參數。對直線度誤差來說，可以計算各測量點理論位置與實際位置之差的平均值來確定補償量，如公式（1）所示。

（1）

式中：C為補償量；n為測量點總數；Ti為第i個測量點的理論位置；Ai為第i個測量點的實際位置。角度誤差補償參數計算是對機床旋轉軸或傾斜面的角度偏差進行量化，并確定補償值，如公式（2）所示。

（2）

式中：Cθ為角度誤差補償量；θi為角度測量值，即數控機床旋轉軸或傾斜面的實際角度值；Δθi為角度誤差，反映機床在角度控制方面的偏差。

將補償參數應用于機床的控制系統中，可以降低或消除角度誤差，提高加工精度[8]。定位誤差通常與機床的定位系統有統計學意義。分析定位誤差的分布規律，確定定位系統的偏差量，根據偏差量計算補償參數，如公式（3）所示。

（3）

式中：CP為定位誤差補償量；Pi為定位測量值，即機床定位系統的實際定位值，使用測量設備獲取；ΔPi為定位誤差，反映機床在定位控制方面的偏差。

計算補償參數后需要進行驗證以保證其有效性，在機床進行實際加工測試。比較補償前后的加工測試結果，評估補償參數的準確性和效果[9]。根據測試結果對補償參數進行優化調整。如果補償效果不佳，就需要重新分析誤差分布規律，調整補償參數，逐步提高誤差補償的準確性，增強效果。經過計算，得到異形面型芯數控加工的幾何誤差補償量，為后續誤差補償實施提供有力的數據支持。

1.3 誤差補償

獲取誤差補償參數后，在此基礎上有針對性地進行誤差補償。本文設計的異形面型芯數控加工幾何誤差補償流程如圖1所示。首先，根據異形面型芯的曲面特征確定曲面的邊界線，利用SolidWorks軟件創建相應的曲線。對曲線進行拼接處理，控制軟件執行曲面生成操作，構建相應的模型。將模型導入專業的仿真加工軟件中，進行精細的仿真加工操作，得到數控加工刀具所需的精確加工路徑。其次，將路徑應用于機床，進行實際加工操作，在加工過程中實時監測誤差情況。一旦獲得準確的誤差數值，就按照上述公式立即計算補償參數，進行必要的補償調整，得到更精確的加工刀具路徑，進行補償加工。最后，再次進行檢測，保證加工精度達到預定要求，完成整個加工流程。在此基礎上，為進一步提高數控加工幾何誤差補償的精度，利用測頭半徑補償原理，對異形面型芯數控加工幾何誤差進行進一步補償。在數控加工過程中，接觸式測頭與待測異形面型芯表面接觸軌跡如圖2所示。

測頭半徑補償原理如下：確定測頭中心點坐標在測量方向的法矢，縮減測頭半徑的長度來推算實際測量點的坐標。這個過程可以用數學公式來精確描述：使用測頭中心O處的法矢來近似代表被測物體表面實際測量點g處的法矢，基于近似，推導實測點g的計算公式，如公式（4）所示。

=-×r " " " " " " " （4）

式中：為測頭中心；為實際測量點；r為測頭半徑。

公式（4）將異形面型芯數控加工測頭半徑補償問題轉化為實測點g處曲面對應的單位法矢問題。

2 試驗分析

為了驗證本文提出的異形面型芯數控加工幾何誤差補償方法的可行性與實際補償效果，本文進行試驗，其目的是全面評估補償方法在實際應用中的表現，保證其能夠有效減少加工誤差，提升加工精度，為異形面型芯數控加工提供更為精準的技術支持。

2.1 試驗準備

本次試驗的樣本對象是具有異形曲面的高精度型芯零件，其主要用于高端機械裝備的關鍵部位，對加工精度和表面質量要求很高。該型芯零件材質選用強度和硬度較高的鋁合金材料，以保證零件在復雜工作環境中的穩定性和耐久性。零件尺寸為150 mm×100 mm×50 mm。由于零件表面的幾何特征比較復雜，傳統的數控加工方法難以滿足其高精度加工要求，因此應用本文方法進行幾何誤差補償。試驗采用先進的數控機床進行加工，機床加工參數見表2。

試驗環境保持恒溫恒濕，以降低環境因素對加工精度的影響。利用激光干涉儀對數控機床進行幾何誤差檢測，檢測數據見表3。根據表3數據對數控加工指令進行實時調整，完成誤差補償。

2.2 結果分析

加工完成后，對零件進行精度檢測，包括尺寸測量和表面質量檢測。隨機選取6組不同類型的異形面型芯樣品，每組樣品200個。將應用本文方法、文獻[2]方法和文獻[3]方法的檢測結果與未進行誤差補償的加工結果進行對比，分析誤差補償方法的有效性，對比結果如圖3所示。由圖3可知，應用本文提出方法進行誤差補償后，加工件的幾何誤差顯著降低，不超過0.02 mm，補償后的誤差分布范圍更窄，說明加工件的幾何形狀更穩定，一致性更好。試驗結果表明該方法能夠有效降低誤差，優化加工件性能，使其更符合設計要求。

3 結語

異形面型芯數控加工幾何誤差補償方法的研究是制造業發展中的重要環節，已成為行業內的研究熱點。本文研究異形面型芯數控加工的幾何誤差補償方法并進行對比試驗，試驗結果表明，采用本文提出的誤差補償方法后，異形面型芯的加工精度顯著提升，誤差范圍明顯縮小。本文方法不僅提高了產品合格率，還降低了生產成本，提高了企業的經濟效益。未來還需要繼續深化研究，探索更加高效、精準的補償策略，推動制造業發展。

參考文獻

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