鐘利+馬強

摘 要：五軸聯(lián)動加工為三個直線軸和兩個旋轉(zhuǎn)軸同時運動，基于機床實際性能和運動的限制，加工過程中往往偏離目標(biāo)曲線，從而形成五軸聯(lián)動加工中所特有的非線性誤差，這一直是困擾加工制造行業(yè)的一大難題。本文針對五軸聯(lián)動加工中出現(xiàn)的非線性誤差問題，提出一種在五軸后置處理器中添加補償?shù)姆椒ǎㄟ^相應(yīng)的算法推導(dǎo)，最終憑借JAVA語言得以在后置處理軟件中實現(xiàn)。并通過對比補償前后的實驗可以發(fā)現(xiàn)，在后置處理器中添加非線性誤差補償?shù)姆椒ň哂辛己玫膽?yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：五軸加工；非線性誤差；后置處理；誤差補償

中圖分類號：TP391 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：

0、前言

隨著五軸聯(lián)動加工中心在機械制造行業(yè)中的廣泛應(yīng)用，大大提高了復(fù)雜零部件的加工質(zhì)量及精度。但是在五軸聯(lián)動加工過程中，由于切削軌跡受直線軸和擺動軸的控制，機床在加工曲面過程中其直線軸和擺動軸插補得到的合成運動會導(dǎo)致實際刀位軌跡偏離理論曲線，從而造成非線性誤差。由于非線性誤差是五軸聯(lián)動加工所特有的誤差，因而，如何對它進行有效控制是實現(xiàn)曲面五軸高質(zhì)量加工的關(guān)鍵問題之一。

目前，解決五軸聯(lián)動加工中非線性誤差的問題主要有兩種方法：一是在后置處理中添加如非線性誤差補償功能，通過相應(yīng)的線性加密來補償超出誤差范圍的數(shù)據(jù)點；二是由機床的控制系統(tǒng)進行修正，即通過機床系統(tǒng)自帶的RTCP功能來降低非線性誤差給加工精度帶來的影響。第二種方法則多數(shù)應(yīng)用在一些進口的先進五軸機床上，針對國內(nèi)目前五軸機床發(fā)展現(xiàn)狀，通過后置處理進行非線性誤差補償更具有工程應(yīng)用價值。

1 、非線性誤差產(chǎn)生機理

如圖1所示，此圖直觀地反映了非線性運動誤差的產(chǎn)生機理。在五軸聯(lián)動數(shù)控機床加工過程中，工作臺沿直線軸X、Y、Z進行移動，刀具圍繞X、Z軸進行擺動。在實際加工中，刀具實際運動軌跡應(yīng)為圖中的“實際直線”，而在理想狀態(tài)下，認為刀具的理想軌跡應(yīng)該為圖中的“理想空間直線”。這是因為通用CAD/CAM軟件前置處理生成刀位源文件，是根據(jù)具體的機床運動模型經(jīng)后置處理變換得到的機床坐標(biāo)系下各坐標(biāo)軸的運動坐標(biāo)。而五軸聯(lián)動加工中的刀心軌跡以及刀軸矢量在時刻變化，連續(xù)相鄰的兩刀位點的運動軌跡是一段空間曲線，由于五軸聯(lián)動加工時的非線性運動轉(zhuǎn)換為各運動軸的線性運動，所以其實際運動軌跡為各軸插補運動的合成直線。這就導(dǎo)致了五軸聯(lián)動加工過程中實際的加工直線與理想的空間曲線之間有一定的差值，而這個差值的最大值Emax即為最大非線性運動誤差值。

2、 后置處理中的補償算法

圖2為非線性運動誤差補償原理示意圖，如圖所示，刀具實際運動軌跡應(yīng)為Qw0、Qw、Qw1之間的直線，刀具的理想軌跡應(yīng)該為點Qw0、Qw、Qw1之間的曲線.刀具上旋轉(zhuǎn)中心經(jīng)過UI、UK1、UM曲線。由于機床的控制系統(tǒng)只能進行線性插補，所以，導(dǎo)致刀具旋轉(zhuǎn)中心的實際運動軌跡為經(jīng)過的UI、UK、UM直線，而非線性誤差應(yīng)該為Qw及其所對應(yīng)的Qww間的距離。為合理的計算非線性誤差，假設(shè)連續(xù)相鄰前后兩刀具點分別為Qw1（x1，y1，z1，u1，v1，w1）、Qw0（x0，y0，z0，u0，v0，w0）。通過機床運動模型變換，得出兩刀具點的刀心坐標(biāo)Qw0（X0，Y0，Z0，A0，C0）、Qw1（X1，Y1，Z1，A1，C1）。由于機床運動是直線插補，刀具從Qw0運動到Qw1的過程中，某一時刻機床運動狀態(tài)為：Qt=Q0+t（Q1-Q0）根據(jù)分線性誤差的分布情況，綜合考慮取t=0.5時計算，可得：

即在兩刀心點之間取一個中間點，在跟據(jù)機床運動模型反推回機床的原始刀位點Qw0.5（x0.5，y0.5，z0.5，u0.5，v0.5，w0.5）。計算非線性誤差Emax，如圖2中采用直線三角形代替空間曲線得：

當(dāng)Emax超過原先設(shè)定誤差值時，則在兩刀兩原始刀位點Qw0、Qw1中間插入一個新的刀具點Qwm：

將新插入的原始刀位點Qwm再次進入機床運動模型處理計算，得到刀心坐標(biāo)Qwm（Xm，Ym，Zm，Am，Cm）。在重復(fù)上面步驟判斷Qw0與Qwm和Qwm與Qw1之間的Emax是否大于原先設(shè)定的值，如果大于設(shè)定值，在次插入新點，直到插入該新的刀具點與前后兩刀具點的Emax小于誤差設(shè)定值為止。

3、非線性誤差補償功能的驗證

本文基于JAVA語言，通過對上述問題的分析和補償算法的推導(dǎo)，開發(fā)出一款具有非線性誤差補償功能的五軸后置處理軟件，并進行的補償實驗。

（1）實驗內(nèi)容

①將經(jīng)過非線性誤差處理的和未經(jīng)過非線性誤差處理NC代碼在Vericut仿真軟件中仿真加工；

②將經(jīng)過非線性誤差處理的和未經(jīng)過非線性誤差處理NC代碼在BV100雙擺頭五軸加工中心上加工葉輪；

（2）實驗步驟

①建模模塊建立葉輪模型，制定程序工藝卡片并編制操作程序，并導(dǎo)出刀位源文件；

②將導(dǎo)出的刀位源文件經(jīng)上述編寫的后置處理軟件處理成兩種NC文件。文件A為未經(jīng)非線性誤差補償，文件B的非線性誤差補償值為0.02；

③在Vericut中分別仿真加工經(jīng)過非線性誤差校核與補償?shù)腘C文件和未經(jīng)過非線性誤差校核與補償?shù)腘C文件；

④在VMC850F加工中心上選擇執(zhí)行上述文件。

（3）實驗結(jié)果

①由表3-1可知，經(jīng)過非線性誤差校核與補償?shù)腘C文件跟原來的相比，行數(shù)顯著增加，而加工時間增加不明顯。

②模擬加工結(jié)果如圖3、圖4所示，可以明顯看出，經(jīng)過非線性誤差補償與校核處理的NC程序仿真加工過切量和殘留量明顯比未經(jīng)過非線性誤差補償與校核處理的NC程序少。

③實際加工結(jié)果如圖5、圖6所示。經(jīng)過非線性誤差補償與校核處理的NC程序加工出來的流道表面和葉片表面，比未經(jīng)過非線性誤差補償與校核處理的NC程序加工出來的要更順滑，過切的地方更少。

4、結(jié)論

本文通過分析五軸加工中非線性誤差產(chǎn)生的原因，推導(dǎo)出一種適用于后置處理器中的非線性誤差補償方法，并通過補償前后的對比實驗可以得到以下結(jié)論：

①經(jīng)過非線性誤差校核與補償?shù)某绦?，其程序量會有較大幅度增加，但加工時間不會明顯增加；

②本后處理軟件的非線性誤差校核與補償功能達到預(yù)期要求，具有實際應(yīng)用價值。

參考文獻

[1]唐清春，范超，張健，等.葉片五軸加工中非線性誤差控制的研究[J].機床與液壓，2014，2， 22-24.

[2]唐清春，張仁斌，何俊，賴玉活.基于VB BV100五軸聯(lián)動加工中心后置處理的研究[J].機械設(shè)計與制造，2012（2）：73-75.

[3] 周玉龍.滿足非線性誤差要求的五軸進給速度控制方法[J].機械工程學(xué)報，2014（4）：209-212.

[4]葛振紅，姚振強，趙國偉.非正交五軸聯(lián)動數(shù)控機床后置處理算法[J].機械設(shè)計與研究，2006， 2，79-81

[5]王宏志，楊慶東，邢濟收，等.五軸數(shù)控機床虛擬模型的開發(fā)[J].機械設(shè)計與制造，2013，9， 203-205

作者簡介：鐘利，1987年，男，本科，助理工程師，單位：高密市檢驗檢測中心，研究方向：機械設(shè)計制造及其自動化。

馬強，1974年，男，本科，工程師，單位：高密市檢驗檢測中心，研究方向：機械設(shè)計制造及其自動化。