第16卷第9期计算机集成制造系统Vol.16No.92010年9月Computer Integrated Manufacturing SystemsSep.2010文章编号:1006-5911(2010)09-1902-06收稿日期:2009-11-17;修订日期:2010-02-26。
Received 17Nov.2009;accepted 26Feb.2010.基金项目:总装备部预研基金资助项目(51318020202)。
Fou nda tion item:Project supported by the Gen eral Arm am ent Department Pre -researchFoundation,China(No.51318020202).数控加工误差主动补偿方法周 静1,陈蔚芳1,曲绍朋2(1.南京航空航天大学机电学院,江苏 南京 210016;2.北京航空精密机械研究所,北京 100076)摘 要:为提高零件的加工精度,提出了基于公差的局部误差补偿法,并通过修正数控程序主动补偿加工误差。
分析零件加工表面误差的特点,根据实际公差要求找出超出公差范围的变形关键区域,修正其切削深度以实现误差的局部补偿。
得到刀位控制点修正的切深后,重新规划带有误差补偿值的刀具轨迹。
结合实际加工精度确定走刀步距和行距,经过后置处理生成零件修正的数控代码。
通过实例验证了上述方法的可行性。
关键词:误差补偿;数控编程;数控加工;薄壁零件中图分类号:T H 164 文献标志码:AActive error compensation methods for numerical control machiningZH O U J ing 1,CH EN Wei -f ang 1,Q U Shao -p eng 2(1.Colleg e o f M echanical &Electr ical Eng ineer ing,Nanjing U niv er sity of A eronautics &A stro nautics,N anjing 210016,China;2.China P recision Engineering Inst itute for Aircraft Industr y,Beijing 100076,China)Abstract:T o improv e machining accuracy of w orkpieces,a local er ror compensation method based on to ler ance w as pr oposed.A nd the machining erro rs w ere compensated act ively by mo dif ying Numerical Contro l(NC)codes.Err or values of parts surface wer e analyzed,and acco rding to to lerance r equirements,the cr itical deflectio n areas beyond tolerance r ang e wer e obtained,and actual cutt ing depth of t he ar eas w as amended to com pensat e local err or s.T o ol path w ith err or compensated v alues w as re -planned when actually modified cutting depth w as decided.A nd then step and ro w spacing w ere determ ined accor ding to actual machining accur acy.By post -pro cessing ,modified N C codes wer e achiev ed for wo rkpiece machining.A n ex ample w as used to demo nstr ate the feasibility of this approach.Key words:er ro r compensation;numer ical co nt rol prog ramming ;numerical co nt ro l machining ;t hin -w alled par ts0 引言数控加工过程通常分为离线零件编程(加工前)、在线加工与监控(加工中)和检验处理(加工后)三个阶段。
目前,对数控加工质量保证的研究主要侧重于中后期两个阶段[1]。
对于零件加工质量的保证,其主要矛盾是加工过程中的工件由于切削力、夹紧力、切削热和残余应力而产生了变形,薄壁件加工因刚度低,加工变形现象则更为显著。
为了加工出合格的薄壁零件,可以在数字控制(Num er ical Co n -trol,NC)加工的前期阶段采取相应的措施控制工件的变形,如通过修正NC 程序克服薄壁件对基于零件理想几何形状所生成的数控刀具轨迹代码的有效性的限制等。
在对薄壁件进行误差主动补偿之前,应充分分析加工变形预测量,采取合理的补偿方法,以达到有效改进加工质量的目的。
目前,国内外有关误差补偿技术的研究成果很多,也存在一些不足。
DE p PINCE p P 等人针对刀具加工时受力变形引起工件加工误差的问题,提出考虑公差的镜像补偿法[2];KRIS M Y L 等人研究了第9期周 静等:数控加工误差主动补偿方法基于刀杆变形的腔槽加工过程的误差补偿方法[3],但该模型没考虑工件变形,不适合薄壁件加工;Ratchev S 在对薄壁件加工变形预测的基础上,通过修正单个方向的刀具路径来补偿加工变形[4-5];胡韦化提出利用变形等值线偏移铣削路径,来补偿薄壁件腹板加工变形的工艺方法[6];楼文明根据变形轮廓线的不同和变形程度来修正铣削参数,实现加工变形的补偿[7];李益锋针对薄壁矩形板零件,提出了通过刀心位置偏置和刀具轴线偏摆同时控制X ,Z 两轴向变形的策略[8]。
以上文献提出的加工策略都是针对工件的变形进行的全局误差补偿,对整体变形曲线曲面进行统一处理,而实际加工时,可以通过分析得到关键变形区,从而对其进行选择性的误差补偿,在满足加工精度的同时提高数控加工效率。
能产生优质高效加工结果的优化刀轨,不可能由一种统一的算法得到。
因此,本文在分析薄壁件变形规律的基础上,提出了结合实际公差要求的局部误差补偿法,并在Visual Basic 6.0环境下开发出了基于公差的局部误差补偿和全局优化补偿相结合的数控程序自动生成系统,此系统能够自动生成具有误差补偿功能的数控加工程序。
1 误差主动补偿机理的研究生成具有误差补偿功能的数控程序,其核心就是根据加工变形值的大小,在数控编程时让刀具在原有走刀轨迹中按变形程度附加补偿值,来补偿变形引起的加工误差,然后根据不同的变形情况判断切削深度是否合理,在此基础上修正切深。
111 镜像对称补偿法切削力对薄壁零件引起的工件变形较大,变形回弹较严重,致使加工后的实际表面偏离理论表面,形成加工误差,如图1所示。
为减小实际表面和理论表面之间的误差,依据产生误差的大小,将刀具偏移理论轨迹一个距离,即可减少误差[9]。
具体补偿时,刀具偏移量采用镜像对称法得到,假如加工变形的大小为D ,将刀具沿此变形的反方向偏移D 距离,图2以一端固定、一端铰支的悬臂梁为例,阐明了加工变形误差的补偿思路。
图中假设x d 为刀具轨迹上某点的理想刀位,由于工件受力变形,实际加工点位置变为x a ,此时刀具就应反向偏置x d 与x a 的差值D (x d ),调整刀位到x c 的位置。
根据离线补偿原理,只要能够准确预测加工变形的大小,通过修正各个刀位点处的数控加工代码,就可以有效消除工件变形引起的加工误差。
具体进行误差补偿处理的算法如下:(1)在名义刀具轨迹上取n 个关键控制点P i (i =1,2,,,n)。
n 根据加工精度确定,精度高则取较大的n 值。
控制点的密度根据轨迹上的变形程度确定,刚度差的地方变形较大,取较密的控制点。
(2)根据实测值或仿真结果,得到各P i 处的变形量D i 。
(3)按实际加工要求确定补偿量u i 。
通常采取两种方式确定:¹采用镜像补偿法,把变形实测值或仿真变形值直接取作实际补偿量;º采用优化补偿方式[10],根据仿真优化补偿量(结合柔性力学模型多次迭代产生[11-12])得到实际优化补偿量u i ,L i =L c iD c i#D i 。
(1)式中:D i 为第i 个工位的实际变形测量值,D c i 为第i 个工位的仿真变形量,u c i 为第i 个工位的仿真优化补偿量。
(4)按式(2)计算修正后各控制点P c i 的位置:P c i =P i +u i 。
(2)(5)将所有控制点P c i (i =1,2,,,n)进行插值计算,得到修正后的刀具轨迹。
1903计算机集成制造系统第16卷112 基于公差的局部误差补偿法实际加工中,如果对任意位置都进行误差补偿,则会降低加工效率。
实际的加工表面往往因变形而最终变为曲面(如图3),但是只要误差落于公差带T d 范围内,此零件即可满足尺寸要求。
因此在误差补偿时,可以按公差要求进行。
本文提出了基于公差的局部误差补偿法,由于加工零件时,表面轮廓线均是渐变过程,可选取加工后工件表面上的关键点进行刀具轨迹的修正(如图3),找出变形超差的边界点Q 0,Q 1,然后修正超差部分(Q 0-Q 1)刀位的实际切深,以补偿变形,使其满足公差要求。
具体实现过程如下:(1)确定变形的关键区域 设加工面的变形公差带宽为T d ,根据实测或仿真所得的关键控制点的变形值拟合变形分布图,则变形量u 超出公差范围的刀位点即为变形关键点,一系列变形关键点构成变形关键区域。
没有超差的部分命名为原始加工区域,对其保持名义切深。
(2)修改变形关键区域的切深 根据前面得到的关键区域分离出变形量,结合111节的方法确定对应的补偿量,然后修正关键区域的实际切削深度。
(3)修改刀位文件 对于直线加工,原始加工区域仍通过一条G 指令完成,而关键区域由于采用修正的切深,实际加工时按曲线加工进行。
为实现刀轨的光顺,在不同区域的相接处采用圆弧连接,如图3b 所示,在变形关键区域上找出离边界点Q 1最近的关键控制点P j ,按补偿原理确定P j 点修正后的实际刀位P c j ,然后在原始加工区域上确定刀位连接点P jj ,使其与P c j 构成的圆弧加工段相切于原始区域的直线加工段,从而使不同区域的相接尽量平缓过渡,减小因切深突变带来的加工误差。