面向轮廓精度控制的五轴后处理

本文摘要：

本文主要针对五轴加工中心加工过程中影响复杂曲面零件轮廓精度的非线性误差，跟随误差，以及后置处理开发方面进行了研究。通过对机床运动链的分析，建立了双转台式五轴加工中心和五轴钻攻中心的运动学模型并进行了求解和验证；对非线性误差产生机理进行了分析，建立了非线性误差模型并通过区域误差补偿法对非线性误差进行补偿，最后通过MATLAB仿真验证了优化算法的可行性；对跟随误差的产生机理进行了分析，然后通过区域跃度优化法对跟随误差进行了约束并通过MATLAB仿真验证了优化算法的可行性；基于eclipse平台，利用JAVA语言建立可交互界面来实现所提出的算法功能；以某型透平叶片为试件，通过UG加工编译和本文后置处理软件处理后，采用VERICUT软件进行仿真加工，然后在实际机床上进行真实切削实验，最后通过CMM三坐标测量仪对叶片进行实际加工测量和分析。论文主要内容总结如下：

（1）分析了现有四种求解姿态角度的方法得出：欧拉角法存在奇异解问题；方向余弦法虽然可以全姿态求解但求解过程相对复杂；四元数法也可以全姿态求解但几何特性不明显；三角函数法可以全姿态求解且几何特性明显；对比后本文采用三角函数法对运动学进行求解。在运动学建模过程中可以对平移转换进行简化，并利用向量加减的几何特性对刀位点和刀具姿态进行求解，最后将运动学求解后的NC数据导入至CIMCO刀路仿真软件中得出，仿真刀路与工艺规划刀路一致，验证了所建立运动学模型的正确性。

（2）分析了非线性误差产生机理并对比传统针非线性误差补偿方法的优劣得出，单一的非线性误差补偿方法对复杂零件的整体补偿效果相对较差，因此本文提出了一种综合传统方法的区域非线性优化算法来控制非线性误差，首先通过旋转轴角度变化幅度大小对刀路进行分区，然后通过谐波函数法和刀轴矢量插补法分别对刀轴矢量变化平缓和急促的区域进行非线性误差补偿，最后通过MATLAB进行了数据仿真分析。结果表明，区域优化算法在刀轴变化平缓区的非线性误差值明显小于线性插补非线性误差值；在刀轴矢量变化急促区域，非线性误差趋近于0。

（3）分析了跟随误差的产生机理，并采用区域跃度约束来对跟随误差进行约束。首先根据刀位点间的向量夹角大小和夹角变化幅度确定拐角点和拐角区域，然后基于跃度约束对各轴跃度进行优化，之后推导至各轴的加速度和速度，并通过平均所有轴的优化速度求出优化后刀具的总进给速度，最后通过MATLAB对所提出的算法进行仿真。结果表明，优化后的跃度满足各轴的运动特性要求，且各轴跃度、加速度、速度曲线相对未优化曲线无剧烈突变。

（4）在所建立的运动学求解模型以及区域非线性误差补偿、区域跃度优化算法的基础上，基于eclipse平台并利用JAVA语言开发出了一款多功能专用后置处理软件。软件包括文件管理，精度优化、零点偏移、关键字设置、机床参数设置等功能，可以实现人机参数交互，让用户可以针对不同的加工环境设置与之对应的参数并输出相应的NC代码。

（5）为验证所开发后置处理软件和算法的可行性和正确性，以某型透平叶片为试件进行了仿真和实际切削验证。仿真分析结果表示，所开发的后置处理软件可以导出机床可识别且正确的NC代码，综合优化补偿算法相对于传统线性插补算法可以避免叶片在进出汽边圆角处的过切现象，并及大地减少零件的残留量，相对线性插补算法残留数减少了122，最大残留值减少了0.063687mm；相对线性插补算法过切数减少了228，最大过切值减少了0.230206mm。实际切削后结果分析表示，提出的综合优化算法可以同时满足刀具的运动精度和位置精度，加工过程中刀具轨迹光滑，无剧烈震动且无报警、干涉和碰撞等现象，加工后的零件经过三坐标测量仪的测量结果显示最大厚度精度的偏差相对于线性插值法减小0.0376mm；进、出汽边轮廓的上偏差值分别减小了0.0054mm和0.0062mm，下偏差值分别减小了0.2254mm和0.1107mm，验证了本文所开发后置处理软件的正确性和可行性。

展望

（1）在速度控制方面，本文采用的是分区域并基于跃度约束对非线性优化后的刀位点进行动态速度优化。该方法在跃度优化时，优化后的总进给速度曲线虽然变化量相对总的进给速度大小并不大，但总体曲线并不平缓。因此，之后的研究可以在当优化后总进给速度的变化超过一定范围时，通过插补刀位点来缓和总进给速度的变化，然后再将新的刀位点进行非线性误差补偿，实现功能的循环补偿，直至各参数最优。

（2）在后置处理开发方面，本文是通过eclipse平台和JAVA语言进行实现，目前适用的机床只有AC和BC双转台两种类型，数控系统关键字的设置也只有几种主要功能。此外当新的优化算法需要写入至软件时，需要重新进行开发。因此，之后的研究可以集中在后置处理的兼容性和二次开发的简易性方面。

宇匠数控备注：为保证文章的完整度，本文核心内容由PDF格式显示，如未有显示请刷新或转换浏览器尝试，手机浏览可能无法正常使用！