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三维直线和圆弧组合多坐标数控加工插补技术
H. Liang
H. Hong
J. Svoboda
蒙特利尔,加拿大康科迪亚大学,工业控制中心
在复杂曲面的多轴数控加工中,线性插补技术已被用于生成沿直线段连接各个连续数据点的位置指令信号。由于多轴数控加工中平移和旋转运动的叠加,)点沿一条空间曲线移动的同时线性插值技术沿着直线路径生成位置。非线性曲线段偏离了线段的线性插值所造成的线性误差通常导致难以获得高精度加工。由此提出了一种插补设计技术以解决多轴数控加工机床的非线性问题。三维直线和圆弧组合插补原理是在三维直线和圆弧插补原理的基础上发展起来的。新设计的插补方法能够驱动旋转运动轴沿着预先设计的三维曲线路径运动,使切割点的运动轨迹通过直线连接机床接数据点。因此,所提出的插补设计技术消除了非线性误差,并提供了一个解决多轴数控加工问题非线性误差的方法。
介绍
许多零件上都有复杂曲面,如汽轮机叶片,汽车部件和飞机发动机风扇和螺旋桨压缩机。对于这些复杂的曲面加工,多轴数控加工比传统的三轴加工有更多的优势,如更好的切割能力,较高的金属切除率,更好的表面光洁度和更精确的零件表面配置。在多轴数控加工中,刀具位置和其轴线方向,被称为刀位数据(CLDATA),它的取值根据工件的位置而不同。五轴数控机床加工中心包含至少两个旋转轴,以使其能够更好的实现刀位的空间变化。五轴数控加工包含同步平移和旋转动作,因为每一个新的刀轴位置需要至少一个(或更多)其它轴的运动。此外,旋转运动和平移运动之间有耦合效应,改变刀具轴方向将影响刀具的位置。同步耦合的运动将会产生非线性加工运动轨迹。结果使得非线性加工误差出现在每一个运动步骤从而产生加工精度问题。
加工误差的产生有许多因素。因素之一是由于加工方法。在多轴数控加工中最常用的方法是“轮廓位置”的方法。基本上,该方法通过使用直线逼近所需切割的曲线来实线两个连续数控代码的连接,如图a和图b所示的凹面和凸面,线性插补技术用于协调各线段的中间点。需要切割的曲线是加工表面的设计曲线(或凸或凹)。直线段与设计曲线段的偏移是加工误差的一部分。这种线性逼近产生的误差被称为线性误差,它取决于步向前的尺寸大小和已加工表面的局部几何形状。除了五轴数控加工的线性误差外,每步移动中产生的其他加工误差,称为非线性误差(见图1。)。非线性误差产生的实质是曲线段偏离直线段(刀具计算长度是恒定的,机器控制点是沿着线段插补)。当设计表面是凹曲面时(如图1(a)),总加工误差等于线性误差和非线性误差的差值:(在设计表面是凹面的情况中,非线性误差通常小于线性误差)。由于非线性误差可以补偿总加工误差。因此,线性插补技术适用于凹曲面加工。相反,适用于凸曲面加工,如图1(b),每个加工步骤产生的加工误差之和等于线性误差和非线性误差的总和。也就是说,由于非线性误差、线性误差和总加工误差的影响,而导致难以确保超精密加工的要求。平均而言,总加工误差的5%~15%是由于系统的非线性误差引起的。非线性误差取决于实际加工运动轨迹,它是一个机器的配置和旋转运动的函数。同步耦合的旋转和平移运动产生非线性运动轨迹,线性插补加工方法没法弯曲拟合非线性路径。因此,非线性加工误差的问题根源是由于旋转运动和线性插
补方法的使用。
五轴数控加工方法中减少非线性误差问题的方法是离线操纵刀具位置。后处理生产商和研究人员所使用的离线方法,称为'“线性化过程”,这种方法是通过插入其他的刀位数据来处理非线性误差。另一种间接方法是''最小误差刀具路径生成方法'',它是通过修改刀具坐标来获得加工精度从而实现减少非线性误差的目的,中间不用插入任何数据点。虽然消除非线性误差是最理想的方法,但以现在的方法只能做到减少这些误差。因为这个问题的来源之一是线性插补方法的使用,另一种解决方案的途径是设计新的在线插补技术。在这篇研究中人们提出了组合三维直线和圆(立体L&C)的插值求解多轴数控加工的非线性误差问题。
在第二节中,我们对解决多坐标联动数控加工插补误差问题和设计方法进行了文献综述。三维直线和圆弧组合插补原理的发展在第三节进行了论述。在第4节中介绍了用来解决五轴数控加工非线性误差问题的插补设计技术。第5节介绍了计算机运用该插补技术模拟加工典型涡轮机叶轮机翼表面的情况,它阐明非线性误差的消除过程,并且验证了所提出的插补技术。
图1 多轴数控加工误差
文献回顾
为了解决多轴数控加工中的非线性误差问题,对于解决多轴数控加工的非线性误差问题人们做过很多努力。Takeuchi和cho曾使用所谓的“线性过程”去修改多轴数控加工中的
数控代码。线性过程的功能是将额外的数据点插入到相邻的数控代码中,这些相邻的数控代码是在总的加工误差超过规定的公差范围的地方。Takeuchi通过等分直线段和连续插入位置