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复杂曲面数控加工误差复杂曲面数控加工误差【1】摘要：复杂曲面数控加工中存在的误差，降低了数控加工的精度。导致加工误差产生的原因较多，如加工刀具的几何误差、工艺系统的制造误差、热力变形误差等。复杂曲面数控加工误差主要包括刀轴转动误差和直线逼近误差。控制或补偿这些误差，能够有效地提高复杂曲面数控加工的质量。关键词：复杂曲面;数控加工;误差补偿;三轴数控近年来，复杂曲面在模具、汽车、宇航等行业的应用越来越广泛。随着工业技术的日新月异，工业生产对复杂曲面的尺寸精度与复杂形状零件的质量要求越来越高，对数控加工的要求也越来越高。通常情况下，复杂曲面的加工均需要采用数控加工技术，以确保加工的精度与效率。影响复杂曲面数控加工精度的因素较多，如刀具材料、CNC机床、曲面模型、曲面加工方法等。在实际的复杂曲面数控加工中，刀具的理论运动轨迹和插补运动轨迹之间会存在着一些误差，从而造成理论曲面和实际加工曲面之间误差的产生。在控制不严格的情况下，甚至会产生较大的复杂曲面数控加工误差，严重降低了数控加工的效率。1数控加工分析目前，复杂曲线的加工大多采用五坐标联动数控加工、三坐标联动数控加工的方法。虽然数控机床的精密度较高，但是也不可避免地存在着一定的加工误差。分析研究数控加工误差，是控制复杂曲面数控加工质量，提高数控加工效率的必然要求。数控加工通常采用的是端铣刀、环形刀与球形刀。复杂曲面的加工采用球形刀具时，由于被加工曲面和球面上任意一点之间有着相同的接触效果，采用三轴联动数控加工装置就能够完成复杂曲面加工。通常而言，球形刀具在三轴数控加工与五轴数控加工中均较为适用，而端铣刀具与环形刀具一般只适用于五轴数控加工，尤其是环形刀具，是经常用的五轴数控加工刀具。由于现阶段数控机床一般为直线插补运动，控制刀具在两个相邻刀位点之间走直线运动，使得零件表面的曲率度被忽略了，每一条刀具沿着轨迹进行切削时均会产生一定的误差，即走刀运动误差。以三轴数控复杂曲面加工为例，其在复杂凸曲面加工时，曲面和刀位之间产生了一定的误差，当用直线逼近曲面时，球形刀具的中心从P1处移至相邻的P2处，刀具走了一个步长。在这个过程中，沿着插补直线方向，插补段L内加工表面法向矢量的转动角不断变化，位于P1处的θ/2变化至插补中点0，在P2点为-θ/2，从而产生了法向矢量转动误差δn。与此同时，直线向曲线逼近时也会产生一定的误差δ1，所以总误差δ等于δn与δ1之和。而运用球形刀具加工凹曲面时，其总误差δ等于δ1与δn的差。2复杂曲面数控加工误差分析复杂曲面数控加工误差产生的原因主要包括加工刀具的几何误差、加工曲面和加工刀具间的几何运动误差、工艺系统的制造误差、热力变形误差以及编程计算误差等。通常，复杂曲面数控加工误差可以分为刀轴摆动误差和直线逼近误差。在复杂曲面数控加工的过程中，产生误差最大的部位是插补段的中点附近，此处的误差主要由最大转动误差与最大直线逼近误差构成。转动误差指的是法向矢量转动误差，影响转动误差大小的因素主要有刀具半径、加工步长经过的曲面弧长、加工曲面的法曲率。直线逼近误差主要受数控加工的复杂曲面形状的影响，而和加工刀具没有太大关联。总而言之，刀具半径、走刀线路、走刀步长、被加工曲面的几何形状以及多轴联动机构的结构形式等，是影响复杂曲面数控加工误差的主要因素。在复杂曲面数控加工中，补插段内的中点附近往往会产生最大的加工误差。插补弦长直接决定着直线逼近误差，如果要降低直线逼近误差，就需要合理控制刀具进给速度和插补周期。3复杂曲面数控加工误差控制3.1刀轴转动误差补偿如果复杂曲面数控加工过程中，加工表面沿着走刀方向是凸曲线的话，刀具切触点的运行轨迹就是凹曲线。这种情况下会产生较大的加工误差，刀轴转动误差和直线逼近误差的和较大，若是采用刀具切触点偏置法，就能够在一定程度上补偿刀轴转动误差，进而降低总误差。沿着加工表面外法向矢量方向，把刀具切触点A移动至A'点，将A'点当作新的刀具切触点，从而改变复杂曲面数控加工误差的分布，实现复杂曲面数控加工误差补偿的目的，详细情况见图2。如果复杂曲面数控加工的加工表面沿着走刀方向是凹曲线，直线逼近误差δ1大于刀轴转动误差δn时，将不会产生超差，因此不用进行加工误差补偿。刀轴转动误差补偿需要根据加工时的具体情况，采用恰当的方法加以控制。3.2直线逼近误差控制在复杂曲面数控加工中，会存在直线向曲面逼近的情况，而只要存在这种情况，就会产生直线逼近误差δ1，即插补运动会不可避免地产生直线逼近误差δ1。通常情况下，只能降低或控制直线逼近误差，而无法完全消除直线逼近误差或补偿直线逼近误差。直线逼近误差的控制方法主要包括插补弦长控制、插补周期控制以及刀具进给速度控制。首先，插补弦长控制。在复杂曲面数控加工的加工曲面保持不变时，插补段内沿进给方向的法曲率就是一个定值。