裝配圖柴油機機體加工自動線上,裝配,柴油機,機體,加工,自動,線上 用改變加工工具方向的方法來減少五軸聯(lián)動數(shù)控加工中的非線性誤差 摘要 五軸聯(lián)動數(shù)控加工通過改變軸在三維空間位置和方向，從而改變刀具的位置，為加工工件表面提供了一種靈活的方法。五軸聯(lián)動加工通常運用直線來連接待加工的連貫數(shù)據(jù)點，通過直線插補來生成從起點到終點的指令代碼，由于加工過程中軸的旋轉(zhuǎn)運動和直線進(jìn)給運動是同時進(jìn)行的，所以實際的運動軌跡是非線性的。曲線部分偏離線性插補部分使每個加工步驟中存在著非線性加工誤差。除了線性加工誤差，非線性加工誤差同樣也會影響到工件加工的高精度。在這篇文章中介紹了一套新的系統(tǒng)的方法來解決五軸聯(lián)動數(shù)控加工中存在的非線性誤差問題。這套方法是在特定加工運動和加工軌跡下，在不另增加插補點，通過改變加工工具方向來實現(xiàn)。通過處理一系列的工具在加工表面輪廓偏離加工路徑的數(shù)據(jù)表明上述方法能提高加工精度。 關(guān)鍵詞 非線性誤差；機構(gòu)運動；加工運動軌跡； 導(dǎo)論 在傳統(tǒng)的五軸聯(lián)動加工中，刀具的路徑是由三維空間中切削工具的位置數(shù)據(jù)（CLDATA）來決定的，而這些位置數(shù)據(jù)是由軸的方向和工具的位置所組成的。位置數(shù)據(jù)的生成是依據(jù)加工表面和加工工具以及加工表面的幾何特性,而這些位置數(shù)據(jù)在特定加工輪廓下又進(jìn)一步的處理了成數(shù)控代碼，然后運用直線插補原理將各個數(shù)據(jù)點用直線相連并生成所需的位置指令。在五軸聯(lián)動加工中，所有工具軸的方向的確定至少需要一根軸的運動，那么直線運動和旋轉(zhuǎn)運動是同時進(jìn)行的。如此，改變工具軸的方向產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)動作和直線動作的合成運動效應(yīng)同樣會影響到工具的位置，合成運動使得切削工具連接點會沿著非直線運動。所以，每個加工動作存在的加工誤差包括直線部分的近似誤差和額外的加工誤差，在圖1中，用直線連接二個連貫的加工數(shù)據(jù)點，不論加工是凹面還是凸面（大部分是軸的加工控制點），直線插補沿著直線生成中間位置點。假設(shè)設(shè)計所需的曲面（凹面或者凸面）。用直線近似地去逼近所設(shè)計的曲面而造成線性誤差，δt，除了線性誤差，非線性工具連接點的軌跡偏離直線部分（加工控制點是沿直線進(jìn)行插補的，所以工具計量長度是連續(xù)的，）造成額外的加工誤差，如非線性誤差δn。在圖1a中，所需的曲面是凹面，總的誤差等于線性誤差減去非線性誤差，即: δtotal=δt-δn。那么，非線性誤差縮小了總的誤差。相反的在圖1b中加工的凸面中，總的加工誤差是線性誤差與非線性誤差的和，就擴大了總的誤差，即δtotal=δt+δn (AIGP Post-processor,1996;Liu,1994).。因此，非線性誤差嚴(yán)重地阻礙了對高加工精度的要求，例如，在加工螺旋槳表面的邊緣就遇到了麻煩，加工表面曲率變化很大，工具從一個加工位置到另一個位置方向變化頻繁，方向的頻繁變化就是一個典型的非線性誤差問題。 為了解決五軸聯(lián)動數(shù)控加工中的誤差問題，許多研究人員在對生成數(shù)控代碼中出現(xiàn)的非線性誤差問題付出了諸多的努力。一些研究者和后續(xù)工作者采用“線性處理”來達(dá)到這一目標(biāo)，“線性處理”基本的功能就是在總的加工誤差超出特定公差范圍的數(shù)控代碼中插入加工數(shù)據(jù)點Takeuchi et al. (1990)插入點沿空間直線平均分布Cho et al. (1993)用于限制最大加工誤差的插入數(shù)據(jù)點應(yīng)在公差范圍內(nèi)，并且數(shù)據(jù)點和插入點的設(shè)置能使工具順利地實現(xiàn)線性方向的改變。在智能自動化后續(xù)處理概論中(AIGP)(1996)，“線性處理”計算相鄰數(shù)控代碼之間的中間點，然后在數(shù)控代碼中插入額外的中間數(shù)據(jù)點。插入點在連續(xù)的數(shù)控代碼中是有效的，除非各連貫的數(shù)據(jù)點中所有點超出加工公差或插入點多于63個。當(dāng)代的后續(xù)工作者，如Vanguard Custom Post-processor Generator (1996) , the Ominimill Custom Postprocessor(1992),the AIX Numerical Control Post Generator(1996)，在智能自動化后續(xù)處理概論都有類似的“線性處理”。在現(xiàn)在的CAD/CAM軟件中，Unigraphics(2001) UG /post postprocessors在相鄰的數(shù)控代碼中插入數(shù)據(jù)點，用一系列的直線來模擬曲線。插入點是數(shù)量是由最大允許偏離量和自身動作的方法來決定的。如果拱形和直線的偏離量在循環(huán)20次后仍然超出特定的公差極限，就需要采取新的處理辦法。 以上所討論的“線性處理”通過插入額外的加工數(shù)據(jù)點能熟練的操作數(shù)控代碼。盡管生成的數(shù)控代碼能夠滿足加工的要求，但是它們在連續(xù)或改變加工方向中仍存在著大量不平衡的空間數(shù)據(jù)點。因此，“線性處理”會帶來一下問題： 在加工具有復(fù)雜外部輪廓的表面時，工具位置從一個加工點變化到另一個點時，變化量不宜太小，以避免沖擊或隨機轉(zhuǎn)動。大量加工葉輪的螺旋槳的過程中，常運用“線性處理”來減少非線性誤差。在數(shù)控代碼中插入許多數(shù)據(jù)點導(dǎo)致工具方向變化劇烈而位置的變化卻接近于0，結(jié)果使得旋轉(zhuǎn)運動迅速變化，進(jìn)給率無限增大，從而損壞工件。 插入的加工數(shù)據(jù)點在沿著曲面加工時也會出現(xiàn)進(jìn)給不連續(xù)是問題。而插入的額外加工數(shù)據(jù)點，在加速和減速的動作會導(dǎo)致空間部分的不平衡，因此，每個部分的進(jìn)給率不能達(dá)到理想的要求，反而使已加工的表面不平滑，總體加工時間過長。此外，插入的工具方向連續(xù)變化使得粗糙度增大。而工具方向的線性變化卻能保證良好的表面質(zhì)量，但是插入的工具方向不精確也會使工具方向變化不呈線性。 由于存在非線性誤差問題，五軸聯(lián)動加工動作的軌跡線通常是曲線，多軸之間同時做旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)化動作使得合成的軌跡是非線性的，因此，直線插補技術(shù)不適用于與曲線和非線性完全重合的路徑。一種解決的方案就是設(shè)計新的插補方法。Liang et al.(2002)出版的 《結(jié)合三維直線和圓的插補技術(shù)》。這種新的三維直線和圓曲線的插補方法能用事先設(shè)定的偏離曲線路徑來遠(yuǎn)程操控旋轉(zhuǎn)運動，因此非線性誤差是能夠計算的，五軸聯(lián)動加工動作是與加工數(shù)據(jù)點相關(guān)的。換而言之，非線性動作的軌跡取決于生成路線中工具的方向誤差和非線性誤差。因此，另一種解決非線性誤差問題的方法是依據(jù)需要生成的工具路徑，消除工件與工具之間的干涉，減少加工誤差。 在工具路徑生成的問題上，CAD/CAM有一攬子生產(chǎn)方法用于對不同表面要求的技術(shù)。CLDATA,1996;Unigraphics, 1990)和研究者. Huang and Oliver (1992) . Bedi et al.(1997) 出版的《五軸聯(lián)動數(shù)控加工中的直線和曲線處理原則》Liu (1995)出版的 基于不同的幾何特性和分析幾何特性下，對側(cè)邊銑削路徑的生成。Morishge et al.(1999)出版的《五軸聯(lián)動數(shù)控加工中工具路徑的生成》。它運用空間輪廓方法來避免工具位置和方向之間的沖突。他們研究的都是依據(jù)加工表面和加工工具的幾何特性生成工具路徑，而不考慮特定的加工運動。因此，生成的工具路徑基本上都會阻礙對加工高精度的要求，尤其是在五軸聯(lián)動加工中方向的生成上。因此，真正的加工路線實際上是不包括生成的非線性路徑。為了保證加工精度，加工工具方向的變化不僅取決于加工表面的幾何特性，還取決于特定的加工運動。 在這篇文章中介紹了一種能系統(tǒng)的解決五軸聯(lián)動數(shù)控加工中存在的非線性問題的方法，它能優(yōu)化在特定加工運動和加工運動軌跡的工具位置數(shù)據(jù)，在工具和工件之間沒有干涉的基礎(chǔ)上，通過改變工具方向的辦法來減少非線性誤差。比起現(xiàn)在的智能自動化后續(xù)處理的辦法，用實例的軟件程序來實現(xiàn)上述方法更能提高加工精度。 工具路徑生成辦法 在實際中，工具聯(lián)系點的軌跡決定了加工中的非線性誤差，而這些點的軌跡是旋轉(zhuǎn)加工運動的參數(shù)，而每個點的軌跡是由旋轉(zhuǎn)加工運動變化的極限公差確定的，以保證工具和工件之間沒有干涉。此外，由于旋轉(zhuǎn)加工變化參數(shù)取決于工具方向的變化，所以，非線性誤差問題是由工具決定的。上述辦法是在旋轉(zhuǎn)加工參數(shù)允許的范圍下引入加工運動軌跡的模型，通過改變運動工具相關(guān)的方向來解決非線性問題。需要強調(diào)的是加工運動特性和加工軌跡都是在特定的條件下。因此，工具位置數(shù)據(jù)點的數(shù)據(jù)是用一組組的加工參數(shù)來轉(zhuǎn)化為改變的方向參數(shù)。 以上介紹的方法從引入特定機械反向類比運動模型開始，將工具位置點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成數(shù)控代碼，在一系列的加工參數(shù)中，實際的加工軌跡是由采用的特定的加工運動軌跡模型所決定的，所以，加工誤差是可以測定的。線性誤差是切削表面的局部曲率和加工距離的函數(shù)，從加工立方齒形的曲率函數(shù)能夠確定表面局部的曲率，那么，在每個加工動作中產(chǎn)生的線性誤差就能夠通過局部曲率和相鄰的工具連接點計算出來。我們已知的線性誤差，而非線性允許誤差的確定是不同于線性誤差的，不能用指定的加工公差。用加工軌跡模型和線性方程能夠確定最大的偏移量。在工具連接點非線性曲率和直線間取采樣點，得到的弦的最大偏移量就是最大的非線性誤差，如果非線性誤差超出允許范圍，前面提到的，可用改變加工方向的參數(shù)來實現(xiàn)。改變參數(shù)是在工具原來的水平下，在控制矢量上加大或減少一個小角度來增加或減少旋轉(zhuǎn)參數(shù)，然后計算新參數(shù)所產(chǎn)生的非線性誤差，看它是否超出非線性誤差范圍。因此，在可調(diào)范圍內(nèi)，反復(fù)調(diào)整加工中加工旋轉(zhuǎn)參數(shù)使非線性誤差達(dá)到允許的范圍是解決非線性誤差和改變非線性誤差的一個準(zhǔn)則。最后，改變旋轉(zhuǎn)加工的參數(shù)，工具方向要與前面步驟中轉(zhuǎn)化的加工運動保持一致。為了避免加工工具與工件之間的干涉，所調(diào)整的角度不能大于原來旋轉(zhuǎn)角度的一半，并且加工工具方向的變化也不能大于原方向角度的一半。相比現(xiàn)在的“線性處理”，在不考慮干涉問題的前提下，在工具方向中插入額外的數(shù)據(jù)點將導(dǎo)致線性變化或旋轉(zhuǎn)平均角度的變化。另外，在原先的方法上改變加工旋轉(zhuǎn)角度產(chǎn)生的誤差是角度變化的一半，這樣就能使在指定的工具方向范圍內(nèi)保證不會發(fā)生干涉。用下列法則能夠解決工具位置數(shù)據(jù)變化的問題。 工具路徑變化準(zhǔn)則 1. 用特定的反向加工運動模型將原有是工具位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的數(shù)控加工代碼。 2. 引入加工運動軌跡模型確定相應(yīng)的控制連接點。 3. 在工具位置數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上用立方函數(shù)計算所需是工具路徑和加工路徑中加工點的曲率Kf。 4. 用Faux and Pratt(1979)的配方法計算出線性誤差： δt =1/8 Kf (Δs)2 這里，Kf。表示步驟3得到的曲率，Δs表示步驟2得到連貫的控制連接點之間的距離。 5. 計算出非線性誤差允許的變化值：δa,n=公差-δt. 6. 確定點在直線運動和加工軌跡中最大的弦的偏移量； 7. 用步驟6中的點計算出最大的非線性誤差，δmax； 8. 修正旋轉(zhuǎn)角度的變化：如果δmax>δa,n，增加或減少非線性誤差ΔBm 和ΔCm以滿足(δn1-δa,n)<0; 9. 在步驟8的旋轉(zhuǎn)角度修正基礎(chǔ)上，計算出加工數(shù)控代碼的Bm,i+1 和Cm,i+1 Bm,i+1= Bm,i±ΔBm Cm,i+1=Cm,i±ΔCm 這里Bm,i, Cm,i是當(dāng)前旋轉(zhuǎn)修正變量，Bm,i+1 Cm,i+1是下步的旋轉(zhuǎn)修正變量，ΔBm ΔCm是旋轉(zhuǎn)角度的修正量，+或–是由下步旋轉(zhuǎn)修正變量的增加或減少確定的。 10. 在所給定的加工運動模型，修改數(shù)控加工代碼以優(yōu)化工具方向。 計算機輔助制造系統(tǒng) 工具路徑的生成是基于加工表面的幾何特性 預(yù)先處理 工具方向的改變是基于 加工運動和運動軌跡 處理 通過處理方法將工具位置數(shù)據(jù)點轉(zhuǎn)化成數(shù)控加工代碼 結(jié)論 文章介紹用新的路徑生成辦法來解決五軸聯(lián)動數(shù)控加工中的誤差問題，這種方法對于工具偏離線性的修改在工具旋轉(zhuǎn)動作允許的變化范圍內(nèi)，減少非線性誤差來保證加工公差。比較現(xiàn)在智能自動化后續(xù)處理的”線性處理”, 這種新的方法引入特定加工運動和加工運動軌跡模型，不插入額外的工具位置點下保證了加工精度。利用軟件程序能夠?qū)⑦@種方法運用到五軸聯(lián)動銑削中心，以擴大五軸聯(lián)動加工中心的加工范圍。