五轴铣削加工精度预测系统开发研究

五轴联动数控加工运动复杂,影响零件加工精度的误差因素很多,针对目前五轴加工误差模型比较单一,还没有将多个误差因素综合考虑起来进行分析及预测的现状,提出了基于多体系统理论建立工艺系统综合误差模型的统一方法,详细研究了工艺系统综合误差模型的计算机映射方式,基于VS2010与OpenGL开发了具有可视化交互界面的五轴铣削加工精度预测系统,可在加工前对零件的加工精度进行预测。实际切削加工试验证实了该系统对零件加工精度预测的准确性和有效性,表明基于多体系统理论的精度预测方法是可行的。     

复杂曲面零件加工精度原位检测系统的残余误差补偿

复杂曲面零件数控加工后直接进行原位加工精度检测和误差补偿,是实现精密产品闭环制造模式的有效途径。原位检测系统的误差来源于测量系统误差和机床运动系统误差,经相关的误差分离与误差补偿后,仍存在较大的残余误差,影响检测精度及其推广应用。针对原位检测系统的检测精度问题,开展检测系统残余误差的回归建模与补偿研究,在机床几何误差、测头半径误差以及预行程等基本误差补偿的基础上,建立基于偏最小二乘回归分析算法的误差回归模型,实现曲面零件测点法矢方向的检测数据二次补偿。在算法实现的基础上,列举复杂曲面零件进行数控加工与在线检测的试验研究。试验结果表明,二次误差补偿方法可以进一步提高原位检测系统的检测精度。     

考虑机床几何误差的球头刀三坐标NC铣削刀位控制

机床的各种误差是影响机床加工精度的重要因素,其中机床几何误差是主要的误差来源之一。为消除机床几何误差对加工精度的影响,以球头刀三坐标数控(numerical control,NC)铣削加工为研究背景,基于齐次坐标变换理论与刚体运动学方法,结合机床运动链拓扑结构分析,将机床几何误差映射到球头刀刀心的位置误差上。根据球头刀铣削工件表面成形原理,考虑机床几何误差与球头刀刀心位置间的映射关系,构建出刀心曲面与工件表面/设计曲面之间的正逆向计算模型。通过该模型求解出消除机床几何误差的编程刀心曲面,将该曲面导入CAM软件,即可获得消除机床几何误差的NC加工程序。通过曲面实例进行计算和仿真,佐证了该方法的可行性。     

螺杆泵转子砂带成型磨削机床的设计与误差研究

在油田开采过程中所用的螺杆泵转子属于长轴类螺旋曲面零件,其表面加工精度要求较高,采用砂带成型磨削加工能够有效提高转子曲面的加工精度。通过分析加工过程中的运动构成,提出加工机床构型的设计方案。依据运动单元相对位置关系,得到相邻单元之间的坐标变换矩阵,从而建立机床运动的综合误差模型,得出各误差分量,为后续运动控制的研究提供前期基础。     

刀具轨迹曲率对自由曲面轮廓误差影响机理分析

文章从影响机床精度的动态误差因素出发,建立了运动轴进给系统的数学模型,理论推导出刀具轨迹曲率对零件轮廓误差的影响规律,基于Matlab仿真平台及Simulink模型,最终通过设计变曲率的机床多轴联动运动试验予以验证。刀具轨迹曲率对于曲面轮廓误差的影响机理分析,有助于探求曲面造型与制造精度的相生关系,建立机床加工工艺因素、动态性能参数与零件型面精度的映射规律,为关键曲面零件的高精度制造控制提供依据。     

基于机床几何误差模型的数控加工形位误差预测

影响加工形位误差的因素众多,机床几何误差是其中最关键的因素。其影响零件的功能要求、配合性质和自由装配性,是评估机床加工精度的重要指标。本文通过构建机床几何误差和零件形位误差之间的映射关系对加工形位误差预测方法进行研究,建立了基于机床几何误差模型的三轴机床刀具位姿误差模型,并以刀具位姿误差为中间量建立了平面度误差和圆柱度误差预测模型。使用TH6920型镗铣床进行试验验证,与零件形位误差检测值对比,圆柱度预测误差为9.3%,平面度预测误差为4.8%,预测效果较好,验证了预测方法的有效性。     

五轴数控机床进给系统刚度对自由曲面轮廓误差影响机理研究

五轴数控机床进给系统组成结构复杂,特别是在复杂曲面加工过程中其动态刚度不断发生变化,成为制约其加工精度的主要因素。研究过程中以五轴机床运动产生的弹性变形为出发点,建立了A/C双摆头机床进给系统动力学模型,推导了因进给系统弹性变形导致的轮廓加工误差,并基于一种新型的自由曲面检验试件,给出了其数控加工过程的运动控制策略,分析了轮廓度误差与试件曲率间的关系,得到了数控机床进给系统刚度特性对自由曲面轮廓误差的影响机理,最后在机床上进行了切削验证。上述研究成果有助于完成复杂曲面加工过程中机床工作性能评估,为利用检验试件分析机床动态刚度特性提供了原理性支持。     

铣削加工力-位误差的综合建模与补偿

基于铣削加工特点,建立铣削加工过程中的力-位综合误差模型,并基于原点偏移法建立了力-位综合误差在线补偿系统。根据铣削过程中的剪切和犁切机制,建立刀具微元切削力模型,通过积分得到切削力模型。依据变形理论,提出刀具及工件的切削力所致误差模型,并结合机床几何误差模型,利用齐次坐标变换,建立力-位综合误差模型。基于Fanuc数控系统的原点偏置功能开发误差在线补偿系统,实现力-位综合误差的在线补偿。利用立式加工中心对工件进行铣削加工实验,并对无误差补偿、仅补偿机床几何误差、仅补偿切削力所致变形误差、补偿力-位综合误差四种加工方式的加工精度进行对比,结果表明,力-位综合误差补偿的加工精度大大优于各单项误差补偿及无补偿的加工精度。     

微细铣削加工表面位置误差的分析与预测

微细铣削系统的动态不稳定性会导致零件表面几何精度的偏差,以微细铣削加工表面位置误差为分析对象,在不考虑可再生颤振效应的加工条件下,建立了微细铣削系统动态切削力模型,确定了表面位置误差的分析方法。采用数值分析并结合前期的铣削试验,得到了微细铣削加工的稳定域叶瓣图和表面位置误差的解析解。对比了顺铣、逆铣加工的表面位置误差,详细分析了主轴转速和轴向切削位置对表面位置误差的影响。最后,通过把稳定域叶瓣图和表面位置误差数据组合在同一个图里面进行综合分析,预测表面位置误差并优化选择加工条件。     

五轴数控机床伺服跟随误差对S形试件法向轮廓误差影响

以圆柱铣刀侧铣加工包络特征线求解模型为基础,建立刀具运动误差与侧铣加工曲面法向误差的微分关系,为机床误差与侧铣切削试件表面轮廓误差映射关系研究提供基础。以AC双摆头机床为研究对象,搭建机床伺服轴模型,仿真分析加工S形试件时机床伺服驱动轴跟随误差特性。建立侧铣加工法向轮廓误差微分模型,研究伺服跟随误差在S形试件法向轮廓误差的影响。     

侧铣加工刀具回转轮廓误差预测技术研究

在侧铣加工中，刀具磨损和变形引起的刀具回转轮廓误差在实际加工前难以准确预测。提出一种工件形状刀具轮廓映射的辨识试验方法来获取加工过程刀具回转轮廓误差，并通过多因素正交试验获取了不同工况下刀具回转轮廓误差数据库。基于误差数据，采用最小二乘支持向量机（LS-SVM）技术建立了刀具回转轮廓误差预测模型。运用遗传算法优化对所提模型有重要影响的核函数参数和错误惩罚因子, 建立了基于遗传算法优化的最小二乘支持向量机(GA-LS-SVM)模型，并与未经遗传算法优化的LS-SVM模型进行了对比，试验结果表明，GA-LS-SVM预测模型能更好地适用于刀具回转轮廓误差预测。     

空间凸轮廓面侧铣加工及最小二乘优化刀位方法

通过对空间凸轮非等价加工方式下理论刀轴轨迹曲面微分几何特性的研究，表明加工空间凸轮工作廓面必然存在法矢异向误差。为寻求加工误差最小的最佳刀轴矢量，提出了数控侧铣加工空间凸轮廓面的方法。根据实际刀轴轨迹面是直纹面的性质，以NURBS直纹面重构理论刀轴轨迹面，采用最小二乘优化方法确定侧铣加工刀位，给出了理论加工误差模型，并通过实例的数值计算和加工实验结果证明了该方法的有效性。     

基于解析法的整体式叶轮侧铣高精加工技术

提出了加工非可展直纹面刀轴矢量的解析解法,给出了解析解法的加工误差,并将其与“R偏置法”的侧铣加工方法的误差进行了比较。计算结果证明,该方法减小了理论误差。应用MATLAB绘制了依据该方法计算出的叶片刀轴轨迹。最后,通过数控加工试验验证了所提出方法的正确性。加工结果表明,加工误差在允许加工误差范围内,叶轮加工表面质量好。     

Prediction of cutting forces and machining error in ball end milling of curved surfaces -I theoretical analysis

This paper presents a theoretical model by which cutting forces and machining error in ball end milling of curved surfaces can be predicted. The actual trochoidal paths of the cutting edges are considered in the evaluation of the chip geometry. The cutting forces are evaluated based on the theory of oblique cutting. The machining errors resulting from force induced tool deflections are calculated at various parts of the machined surface. The influences of various cutting conditions, cutting styles and cutting modes on cutting forces and machining error are investigated. The results of this study show that in contouring, the cutting force component which influences the machining error decreases with increase in milling position angle; while in ramping, the two force components which influence machining error are hardly affected by the milling position angle. It is further seen that in contouring, down cross-feed yields higher accuracy than up cross-feed, while in ramping, right cross-feed yields higher accuracy than left cross-feed. The machining error generally decreases with increase in milling position angle.     

从测量的散乱数据点云直接生成数控刀具路径的研究

提出了一种直接从测量的散乱数据点云用球头刀对自由曲面进行三轴数控加工时生成刀具路径的方法。不同于现有散乱点云基于逆向工程的刀具路径生成方法,本法考虑并估计了曲面加工误差和粗糙度。将散乱数据点云向XY平面投影,以获得的投影边界为刀具路径的主方向,然后根据曲面所需的加工误差和残留高度要求划分该投影数据点云,得到一系列刀位网格单元。通过最小化每个刀位网格单元的加工误差以确定每个刀位网格的节点位置,加权平均相关联刀位网格节点来对齐相邻刀位网格单元的边缘。为了缩短加工时间,裁去刀位路径上多余的线段,最终生成高效合理的数控加工刀具路径。已用实测的数据点云验证了本法直接生成刀具路径的有效性。     

靶准直传感器封装误差检测模型与修正方法

利用三个面阵电荷耦合元件(charge-coupled device,CCD)构成的靶准直传感器实现柱状腔靶高精度姿态检测时,靶准直传感器中CCD封装误差等因素的存在会给柱状靶姿态检测及定位带来不确定影响,针对此,提出了靶准直传感器的标定模型与实验方法。将直径为0.8mm的微型球靶作为检测参考目标,利用微型球靶在靶准直传感器中不同位置时CCD上成像的图像点来构建位置矩阵,利用位置矩阵,通过归一化线性优化方法求解表示CCD位姿关系的单应性矩阵,通过单应性矩阵修正因靶准直传感器封装误差给柱状靶姿态检测带来的影响。考虑到利用图像检测方法提取微型球靶中心点位置时误差的存在,在构建的位置矩阵中加入均值μ=0、方差σ=0.5的高斯噪声,模拟检测点位置误差对单应性矩阵求解的影响,分析结果显示位置误差对单应性矩阵中各个参数影响较小,从而证明了该优化方法求解单应性矩阵的鲁棒性。为验证靶准直传感器对腔靶姿态检测的准确性,实验以0.02°的步距角绕X轴旋转柱状靶,利用靶准直传感器检测柱状靶姿态变化并与实际的姿态变化进行对比分析,实验结果显示最大误差小于0.009°,证明了修正方法的可行性。     

薄壁件加工变形误差预估及补偿的集成

针对薄壁件数控加工过程中产生的力致变形误差,提出了一种将变形误差预测与误差补偿进行集成的方法。在提出高效的误差计算迭代算法基础上,采用APDL的方式开发了集迭代计算、刀具走刀、材料去除于一体的误差动态仿真程序,实现全过程加工误差的自动计算。借助UG二次开发工具UG/Open开发的应用程序实现了UG和ANSYS之间的数据通信,根据预测变形误差自动修正CAD模型,继而利用UG CAM生成考虑误差补偿因素的加工代码。研究了涉及误差离线预测及补偿的集成方法的多个关键技术。算例表明：误差预测值逼近实验值,精度可靠;集成软件能够自动生成误差补偿的加工代码,实现了误差离线预测和补偿全过程的CAD/CAE/CAM集成,集成程度高。     

一种基于手眼视觉的并联机器人标定方法

提出了一种基于手眼视觉的并联机器人标定方法。基于环路增量法，建立了平面2-DOF冗余驱动并联机器人运动学误差与标定模型；设计了一种标定实验靶板，利用相机采集靶板图像并对其进行分割、识别、旋转补偿的处理，获取机构末端目标位置和实际位置的像素误差值；针对机构自身结构的限制，利用边界曲线识别特征角点，提出了一种基于特征角点确定检测点旋转角度的方法，在补偿相机旋转角度的基础上，再利用简化后的相机针孔模型，将像素误差值通过转换得到机构末端执行器的真实位置误差值；最后利用标定模型和通过视觉系统获取的误差值进行运动学标定。经过4次迭代，机构误差减小为原来的1/3，验证了该方法的可行性。同时该方法具有标定过程用时短、数据量小、实验成本低等优点。     

Prediction of simultaneous dynamic stability limit of time�Cvariable parameters system in thin-walled workpiece high-speed milling processes

A method for predicting simultaneous dynamic stability limit of thin-walled workpiece high-speed milling process is described. The proposed approach takes into account the variations of dynamic characteristics of workpiece with the tool position. A dedicated thin-walled workpiece representative of a typical industrial application is designed and modeled by finite element method. The curvilinear equation of modal characteristics changing with tool position is regressed. A specific dynamic stability lobe diagram is then elaborated by scanning the dynamic properties of workpiece along the machined direction throughout the machining process. The results show that, during thin-walled workpiece milling process, material removing plays an important part on the change of dynamic characteristics of system, and the stability limit curves are dynamic curves with time?Cvariable. In practical machining, some suggestion is interpreted in order to avoid the vibrations and increase the chatter free material removal rate and surface finish. Then investigations are compared and verified by high-speed milling experiments with thin-walled workpiece.     

Error Compensation of Thin Plate-shape Part with Prebending Method in Face Milling

Low weight and good toughness thin plate parts are widely used in modern industry, but its flexibility seriously impacts the machinability. Plenty of studies focus on the influence of machine tool and cutting tool on the machining errors. However, few researches focus on compensating machining errors through the fixture. In order to improve the machining accuracy of thin plate-shape part in face milling, this paper presents a novel method for compensating the surface errors by prebending the workpiece during the milling process. First, a machining error prediction model using finite element method is formulated, which simplifies the contacts between the workpiece and fixture with spring constraints. Milling forces calculated by the micro-unit cutting force model are loaded on the error prediction model to predict the machining error. The error prediction results are substituted into the given formulas to obtain the prebending clamping forces and clamping positions. Consequently, the workpiece is prebent in terms of the calculated clamping forces and positions during the face milling operation to reduce the machining error. Finally, simulation and experimental tests are carried out to validate the correctness and efficiency of the proposed error compensation method. The experimental measured flatness results show that the flatness improves by approximately 30 percent through this error compensation method. The proposed method not only predicts the machining errors in face milling thin plate-shape parts but also reduces the machining errors by taking full advantage of the workpiece prebending caused by fixture, meanwhile, it provides a novel idea and theoretical basis for reducing milling errors and improving the milling accuracy.