五轴数控加工中旋转轴运动引起的非线性误差分析及控制

五轴数控(Computer numerical control,CNC)加工中,刀具路径规划阶段与实际加工阶段对旋转轴运动采用的插补方式存在差异,其中刀具路径规划阶段是根据零件的几何信息进行插补,而实际加工中则根据机床信息进行插补,这种差异将引起原理性加工误差。针对五轴数控加工中旋转轴的运动,分析采用线性插补方式控制两个旋转轴进行加工时刀具姿态变化引起的原理性误差,进一步研究不同加工情况下由此产生的在垂直于走刀方向的平面内的非线性误差。通过分析旋转轴运动过程中线性插补引起的刀轴偏差角,证明刀具在相邻两刀位点运动过程的中间时刻处刀轴偏差角取得最大值,并得到由该最大值的显式表达式,在此基础上分析最大偏差角的影响因素。提出通过限制相邻两刀位点间刀轴夹角来控制此非线性误差的方法,并给出实例验证。     

适用于自由曲面高速高精加工的旋转轴位置优化算法

针对自由曲面加工中机床旋转轴角度变化过大导致刀具姿态误差较大和旋转轴频繁加减速问题,在分析刀具姿态误差与旋转轴转动幅度间关系的基础上,提出一种适用于自由曲面高速高精加工的旋转轴位置优化算法。在根据旋转轴转动幅度条件确定初始修正区域后,采用递归扩充原则确定待修正区域,并在保证工件坐标系下刀具切触点坐标不变的情况下,采用等幅旋转法则对各待修正区域的旋转轴坐标值进行优化。仿真和实际加工结果表明,本算法能够对加工中旋转轴角度进行修正,避免大幅旋转轴转动,减少加工中的刀具姿态误差,在提高加工精度的同时缩短了加工时间。     

五轴加工奇异问题分析与非线性误差控制

在计算机辅助制造软件中进行五轴加工编程时,后置处理反求旋转轴角度存在无解,即五轴加工的奇异问题,具体表现为旋转轴运动产生突变、非线性误差增大、加工质量下降。以A-C型五轴机床为例,通过研究刀轴的运动过程,证明C轴的转角是奇异问题产生的原因。基于该结论提出一种新的检测奇异刀位点的刀轴分量k值遍历法和基于刀轴矢量插值与样条曲线拟合的非线性误差控制方案。通过S样件的五轴加工实验表明,相比于线性插值,所提方案在奇异区域内误差显著减小,曲面更加光滑,加工效率有所提高。     

双转台五轴数控机床误差实时补偿

以双转台五轴数控机床为对象,建立各移动轴和旋转轴运动的数学模型,以工件坐标系为基础坐标系,应用齐次坐标系变换理论,推导任一时刻各轴运动在工件坐标系中的位置误差数学表达式.针对五轴机床的移动轴和旋转轴同时运动存在耦合的情况,提出一种分步实施的解耦补偿方法,即在实施误差补偿时首先进行姿态误差补偿,通过旋转轴的旋转运动将工件的实际姿态调整到与理想姿态相同,然后通过移动轴的平移运动进行位置误差补偿,并相应建立五轴机床误差补偿数学模型.通过仿真分析和对曲面零件的实时补偿加工试验,明显提高加工精度,并有效避免直接进行补偿加工过程中可能带来的运动干涉情况,从而验证该五轴机床误差补偿数学模型及其实时补偿的可行性和有效性.     

五轴数控机床旋转轴综合误差测量与辨识

针对五轴数控机床旋转轴的运动误差和几何误差的综合评估问题,在不考虑直线轴运动误差影响的情况下,提出了一种采用R-test测量仪的测量及其辨识方法。首先,测量过程按照参考球的两种不同高度设置进行,仅移动旋转轴,而不移动直线轴。其次,利用R-test测量仪对旋转轴的运动精度进行了测量。此外,假设旋转轴位置几何误差和工作台上参考球的设置误差是影响测量结果的因素,并通过最小二乘法对这些因素进行分离。采用IBS公司的R-test测量仪,对米克朗公司UCP800Duro立式五轴加工中心C轴的运动误差和几何误差进行了测量实验。研究结果表明,该方法能够正确识别旋转轴的运动误差和几何误差,可以有效地综合评估旋转轴的运动精度,并有助于进一步提高旋转工作台的精度。     

考虑热误差的双转台机床工艺误差谱预测方法

五轴数控机床的几何误差和热误差是影响工件加工精度的两个重要因素,对这些误差因素进行分析可以有效提高薄壁件工件的加工精度。本文首先基于齐次坐标变换法,建立了双转台五轴数控机床的旋转轴几何误差模型;然后基于对标准球进行在机接触测量,辩识得出两旋转轴的12项几何误差,这些误差考虑了两旋转轴之间的相互影响和其热误差的影响;最后分析五轴数控机床加工空间的几何误差场,在该加工空间内几何误差从中心到外侧逐渐增加,当A轴旋转角度增加时,误差的最大值也随之增加。与其它位置误差辨识方法相比,本方法的测量精度符合加工要求,测量时间只需要30 min。     

五轴联动刀轴矢量平面插补算法

大多数数控系统仍默认以旋转轴角度线性插补插补方式进行铣削加工,实际刀轴矢量偏离理论刀轴矢量位置,产生极大的非线性误差。在五轴联动数控加工中心圆周铣削倾斜面时,表现为实际刀轴矢量偏离待加工平面,造成过切或欠切误差。而且,机床类型不同,铣削的误差表现形式也不同。经研究表明,此非线性误差完全来源于旋转轴角度的线性插补方式。从研究分析运动学坐标转换开始,从理论上研究旋转轴角度线性插补的原理和产生非线性加工误差的根源,提出刀轴矢量平面插补具体算法,并针对CA型双摆头类型机床进行仿真验证,新算法从根本上解决了该问题。     

五轴机床旋转轴动态反向误差的球杆仪测量方法研究

提出了一种利用球杆仪测量五轴机床旋转轴动态反向误差的新方法,该方法通过一个旋转轴和一个平行于该旋转轴轴线的直线轴进行两轴联动动态测量,测量路径是由球杆仪运动的球面和两联动轴运动的圆柱面相交得到的空间曲线,工作台侧小球设置在圆柱面切线上;通过误差敏感性分析和误差轨迹仿真对比分析,证明了该方法对旋转轴的动态反向误差能够达到充分敏感,并且能够适用于尺寸范围更广的旋转轴;通过在双五轴镜像铣机床上的测量实验,验证了该方法对旋转轴的动态反向误差测量识别的有效性。利用该方法指导旋转轴的伺服调试优化,有利于提高旋转轴的动态反向精度。     

金属切削机床主轴运动误差影响的数学分析

在研究金属切削机床加工误差的基础上,针对机床主轴回转运动误差中的径向跳动误差、角度摆动误差和轴向窜动误差,以车床和镗床主轴为例,建立了主轴回转运动误差数学分析模型,从数学几何角度分别对上述主轴回运动城的加工精度影响结果进行了定量分析,并推导出了由此产生的各类加工几何误差不同的数学表达式。通过这些数学表达式可以定量地计算出机床主轴由于回转运动误差产生的加工几何误差数值。     

五轴数控系统旋转轴快速平滑插补控制策略

在五轴联动加工中,刀轴矢量与旋转轴运动坐标之间存在非线性关系,刀轴矢量的平滑过渡不能保证旋转轴的平滑运动,尤其是当刀轴矢量接近机构奇异点时会引起旋转轴的剧烈震动,导致伺服报警,甚至损伤机床部件.通过分析旋转轴线性插补和矢量插补过程中刀具姿态的变化情况,抽象出刀具姿态误差模型.根据加工允许的刀具姿态误差,在矢量插值段中插入线性插值段,防止靠近奇异点处产生的旋转轴急速转动.结合指令行程和旋转轴性能进行旋转轴插补速度钳制,使用三次样条曲线对矢量插值段和线性插值段进行平滑连接,保证整个插补过程中速度的连续平滑.试验结果表明,本策略可以在满足刀姿误差要求的同时,实现旋转轴的快速平滑插补,并且已经应用于某航空结构件的批量加工生产中.     

基于参数化建模的旋转轴误差快速辨识方法

针对现有旋转轴几何误差辨识方法计算量大且无法避免异常值等问题,提出了一种基于参数化建模的旋转轴位置相关几何误差快速辨识方法。首先,分析了旋转轴位置相关几何误差的特性,建立了测量旋转轴时球杆仪杆长变化的综合模型,并基于约束条件进行化简;其次,使用四阶傅里叶级数对5项位置相关几何误差进行参数化建模,并基于5种测量模式得到位置相关误差的辨识模型;接着,分析了球杆仪安装误差对杆长变化及辨识结果的影响规律并消除其影响;最后,在小型五轴机床的旋转工作台上进行了实验,辨识出旋转轴的5项位置相关几何误差,并通过改变安装位置和安装角度的球杆仪杆长预测实验对辨识方法的正确性进行了验证。     

五轴联动数控加工中的刀具轨迹控制算法

已有的五轴联动数控加工系统往往忽略刀轴矢量插补问题,只是简单地通过对线性轴进行插补、对旋转轴进行跟随的方式来实现刀具轨迹的控制,导致产生非线性误差和刀具碰撞与干涉等问题。为此,提出一种基于刀轴矢量插补的刀具轨迹控制算法。该算法采用大圆弧插补法对加工过程中的刀轴矢量进行控制,同时采用NURBS曲线拟合方法对控制过程中产生的中间点进行处理,并通过对拟合而成的NURBS曲线进行插补来实时计算各运动轴的位置。该算法不仅能够有效地提高五轴联动数控加工的精度,而且可以有效减小数据存储量。仿真和实际加工验证了算法的有效性和实用性,证明算法具有轨迹过渡平稳、非线性误差小的特点。     

五轴联动数控加工的刀具路径优化方法研究

为解决五轴联动加工复杂曲面过程中的刀具路径不连续问题,提出了五轴数控的刀具路径优化方法。通过五轴NC代码的坐标变换还原有效切削路径,对切削路径进行误差约束下的非均匀有理B样条(NURBS)曲线拟合。对旋转轴路径采用五次样条曲线进行插值,建立切削路径和旋转轴路径的参数映射关系,通过机床逆运动变换求解C2连续的平动轴路径。实验表明,经过该方法优化后,切削路径和各驱动轴运动路径具有良好的平滑性,显著提高了五轴加工曲面精度和表面质量。     

数控机床旋转轴误差的快速测量与辨识新方法

根据齐次变换理论推导出旋转轴基本几何误差辨识模型,在此基础上,提出了一种基于球杆仪的旋转轴基本几何误差快速测量和辨识新方法,将球杆仪一端的中心座分别安装在旋转工作台的3个不同位置,通过联动控制球杆仪另一端球心按圆形轨迹运动,分别测量旋转轴圆周每个离散位置点在X、Y、Z方向上的偏差,并根据所建立的辨识模型,辨识出旋转轴的6项基本几何误差。同时,提出了基于系数矩阵灵敏度分析的方法,用于指导测量点的合理分布,减少测量误差的影响,从而提高误差辨识精度。     

基于错位塔形工件的旋转轴几何误差辨识

旋转轴的几何误差直接影响五轴机床的加工精度，但由于其误差项多且高度耦合，因此辨识难度较大。提出了一种工件切削在机测量方法，用于辨识五轴机床旋转轴6项与位置相关的几何误差。设计并加工一种错位塔形工件，它由三层错位叠加的矩形块组成。在工件不同层级的底面与侧面布置测点并进行在机测量，基于空间误差模型推导出每项误差的辨识原理与解析解，并采用蒙特卡洛模拟进行不确定性分析。最后，通过与球杆仪误差辨识方法进行对比验证，线性误差E_XC,E_YC与E_ZC的辨识结果偏差最大为2.7,-1.7与-1.3μm；角度误差E_AC,E_BC与E_CC的辨识结果偏差最大为1.3″，-0.6″与-2.1″，两者辨识平均吻合度达95.4%。本方法通过工件切削与在机测量，每项误差的辨识原理与解析解形式简单，可辨识实际工况下的旋转轴6项位置相关的几何误差。     

五轴线性插补中非线性误差补偿方法

以A-C双摆头五轴数控机床为研究对象,通过对机床的运动学求解,分析了五轴数控机床在加工过程中非线性误差产生机理并建立了非线性误差的数学模型。通过齐次坐标变换的方法,推导出计算加工过程中刀尖点实际位置的数学表达式以及其反计算公式。针对五轴数控机床的旋转轴运动所产生的非线性误差,提出了一种反求插补点的补偿方法。从五轴数控加工旋转中心位置插补算法角度考虑降低非线性误差的方法,通过理论刀尖点位置来反求旋转中心的插补的位置,使实际刀尖点更多地落在理论插补路径上。利用MATLAB进行实际数据的仿真验证,结果表明所提出方法能将非线性误差有效控制在加工允差内,可显著提高五轴数控系统的轨迹控制精度,可见本文所提出方法具有较好的可行性和实际应用价值。     

切点跟踪磨削技术综述

切点跟踪磨削技术是一种通过控制工件的旋转轴和砂轮的进给轴联动,使砂轮与被加工表面始终保持相切的磨削技术。从各种切点跟踪磨削的运动模型出发,阐述了变速曲轴回转的控制方法、加工误差产生的原因和补偿方法的研究现状,以及机床设计,电气系统与控制软件开发,编程插补,工艺参数智能决策和自动定位等相关技术的研究现状。并指出恒当量磨削和恒线速度磨削,在砂轮转速远大于曲轴转速的情况下,两者等效。指出砂轮半径变化引起的加工误差,是在已经进行半径补偿的条件下得到的。     

五轴联动数控机床旋转轴几何误差测量与分离方法

提出一种基于球杆仪的新颖、快速的五轴联动数控机床旋转轴几何误差测量与分离方法,它选择径向和轴向安装测试路径,采用单旋转袖运动或1个旋转轴和2个直线轴联动方式,进行圆度误差测试,给出了旋转轴几何误差与各测试路径的关联图谱.并深入研究了球杆仪虚拟安装偏心技术.简化了旋转轴误差与球杆仪测试值的数学关联模型,并对影响测试结果的因素进行分析,提出采用球杆仪二次测量方法,对直线轴径向耦合误差进行解耦,实现了旋转轴几何误差的辨识和精确测量.     

链轮齿形数控铣削加工的工艺研究

使用圆柱立铣刀数控铣削加工链轮,采用直角坐标系(直线轴)附加旋转轴的控制方式:应用直线轴控制多段曲线的连接,完成链轮轮齿轨迹的数控加工,使用数控回转工作台完成链轮零件的分齿运动,利用子程序来循环重复上述运动。此加工方式相比二维坐标轴数控加工链轮的控制方式,具有更为理想的加工效果。此加工方式,在保证零件设计基准、装夹定位基准和装配基准重合的基础上,应用子程序,有效地保证了链轮各齿形尺寸精度的一致性;使用旋转坐标控制,有效地保证和降低了了链轮轮齿的分齿误差。在数控铣床上使用普通圆盘工作台,利用暂停指令手动进行链轮齿形分齿运动的做法,更加完善和拓宽了数控技术具体应用的实用性。     

数控加工链轮齿形的应用研究

使用圆柱立铣刀数控铣削加工链轮,采用直角坐标系（直线轴）附加旋转轴的控制方式：应用直线轴控制多段曲线的连接。完成链轮各单齿齿形的数控加工,使用数控回转工作台完成链轮零件的分齿运动,利用子程序来循环重复上述运动。此加工方式相比二维坐标轴数控加工链轮的控制具有更为理想的加工效果。并且在保证零件设计基准、装夹定位基准和装配基准重合的基础上,应用子程序有效地保证了链轮各齿形尺寸精度的一致性;使用旋转坐标控制,有效地保证和降低了链轮轮齿的分齿误差。在数控铣床上使用普通圆盘工作台,利用暂停指令手动进行链轮齿形分齿运动的做法．更加完善和拓宽了数控技术具体应用的实用性。