CN105252342A - 检测五轴数控机床曲面加工能力的检测试件及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了检测五轴数控机床曲面加工能力的检测试件及检测方法，其试件包括基座和设于基座上的曲面缘条，曲面缘条设有A面和B面两个S形的加工面，A面是由圆弧和直线段拼接而成的曲面，在恒曲率下具有不同的曲率连续性；B面为三次B样条曲面，其曲率不断连续变化。本发明相比较现有技术，通过构建不同曲率连续性的曲面轮廓试件，反映机床在复杂曲面加工中抗冲击能力的强弱，同时可以有效解决综合试件的解耦困难，通过加工后的轮廓误差测量，直接实现对加工误差重要因素的评判。

Description

检测五轴数控机床曲面加工能力的检测试件及检测方法

技术领域

本发明属于数控机床技术领域，具体涉及一种检测五轴数控机床对不同曲率连续性的曲面加工能力的检测试件及检测方法。

背景技术

随着制造业的发展，企业选用五轴数控机床进行各种复杂曲面的加工已是大势所趋。机床的精度直接决定了所加工零件的精度，如何判断五轴数控机床的加工精度是否满足加工要求一直是国内外研究的热点话题。常用的数控机床精度检测方法主要分为两类：一是利用仪器直接对机床的精度进行检测。二是通过机床加工具有特定几何特性的试件，测量加工后试件的误差从而间接反映机床的精度。然而应用仪器来对机床的精度进行检测，多是在机床静止状态或低速无载荷下进行，无法真实地反映机床在实际工作中产生的伺服***误差、多轴联动误差以及热变形和振动误差，因此具有一定的局限性。在机床实际运动过程中，机床受到材料、环境温度、刀具性能以及切削工况等的影响，极易造成加工误差，而对具有特定几何特性试件的加工，能够客观真实地反映机床的加工性能，更好地检测机床的精度，这种间接检测机床精度的方法受到青睐。

目前常用的五轴机床检测试件有美国航空航天局(NASA)于1969年提出的NAS979标准中的圆锥台试件和由中航工业成都飞机工业(集团)有限责任公司提出的中国“S”形试件，另外，其他一些国家也提出可用于检测数控机床精度的试件，其中比较典型的有日本提出的四角锥台试件和德国提出的德国“S”形试件。对这些试件进行几何特性和加工特性分析，可知检测试件之所以能够检测机床动态精度，最关键的原因在于其具备特殊的几何特性。然而，上述试件都具有综合的几何特性，只能对机床的性能进行综合评估，难以实现对误差因素的解耦及和机床误差的溯源。五轴数控机床主要用于复杂曲面加工，目前关于机床复杂曲面加工能力的检测尚缺乏有效手段。

发明内容

本发明的目的是为了检测数控机床的曲面加工能力，提供一种检测五轴数控机床曲面加工能力的检测试件，该试件构型简单，具备不同曲率连续性的曲面。

本发明的另一个目的是提供一种检测五轴数控机床曲面加工能力的检测方法，不仅可以反映五轴机床加工不同曲率连续性曲面的能力，而且可以反映五轴机床的联动精度。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种检测五轴数控机床曲面加工能力的检测试件，包括基座和设于基座上的曲面缘条，曲面缘条设有A面和B面两个S形的加工面，A面是由圆弧和直线段拼接而成的曲面，在恒曲率下具有不同的曲率连续性；B面为三次B样条曲面，其曲率不断连续变化。

优选的，所述基座的一侧面上部向曲面缘条的方向下凹形成台阶，该台阶面为测量基准面。

优选的，所述基座上还设有夹紧孔，两个夹紧孔分别位于曲面缘条的两侧。

优选的，所述曲面缘条的A面和B面与基座平面的夹角相等。

优选的，所述基座的厚度与曲面缘条的高度相等。

一种检测五轴数控机床曲面加工能力的检测方法，包括以下步骤：

步骤一、对检测试件进行几何建模；

步骤二、通过通用CAM软件对已建的模型进行后置处理，加工流程分为三步：粗加工、半精加工和精加工；

步骤三、利用五轴联动数控机床按照步骤二中编制的数控程序对检测试件进行加工；

步骤四、在检测试件的A面上取至少三条截面线，在B面上取至少三条截面线，在每条截线上取至少25个测量点，利用三坐标测量机进行误差测量；

步骤五、根据步骤四的测量结果对机床曲面加工能力进行评价。

在步骤二中，通过粗加工快速去除毛坯余量，使加工余量在3mm左右；半精加工对粗加工后的残留加工面加工平滑，使加工后能够留下0.1mm-0.5mm厚度的均匀加工余量；最后通过精加工使工件的尺寸和精度达到设计要求。

优选的，所述A面上具有五个G1连续处，五个G1连续处均设有测量点。

优选的，所述B面上具有一个G1连续处，该处设有测量点。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

1、相比中国“S”形试件复杂多变的扭曲角，开闭角特性，本发明造型简单，几何特性单一，没有开闭角转换和扭曲角特性，通过检测加工后的型面轮廓误差，可直接对加工误差存在的问题进行溯源；

2、本发明能够检测五轴数控机床在不同曲率连续性曲面的加工能力，相比圆锥台试件和四角锥台试件单一的G2连续(曲率连续)曲面，本发明增加了曲面G1连续(切线连续)的功能，相比德国“S”形试件只有恒曲率和中国“S”形件只有变曲率的特性，本发明增加了恒曲率和变曲率特性，基本覆盖所有的曲面连续性特征，能够完全检测机床不同曲率连续性曲面的加工能力；

3、本发明综合了变曲率与恒曲率特性，通过对比机床加工恒曲率与变曲率曲面后的轮廓误差，可用于检测机床在不同曲率下的曲面加工能力。

附图说明

图1是本发明检测试件的立体图；

图2是本发明检测试件的俯视图；

图3是本发明A面和B面的曲率连续性分布图；

图4是本发明加工过程中刀具位姿图；

图5是本发明A面误差测量点分布示意图；

图6是本发明B面误差测量点分布示意图；

图7是本发明A面的轮廓误差图；

图8是本发明B面的轮廓误差图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

如图1所示，本发明的一种检测五轴数控机床曲面加工能力的检测试件，包括基座1和设于基座1上的曲面缘条2，曲面缘条2设有A面和B面两个S形的加工面，A面是由圆弧和直线段拼接而成的曲面，在恒曲率下具有不同的曲率连续性；B面为三次B样条曲面，其曲率不断连续变化。基座1的一侧面上部向曲面缘条2的方向下凹形成台阶，该台阶面为测量基准面4，测量基准面4主要用于机床加工时的精度测试以及对A面和B面进行误差测量时作为基准面；基座1上还设有夹紧孔3，两个夹紧孔3分别位于曲面缘条2的两侧，夹紧孔3为沉头孔，用于固定检测试件。具体的，基座1的厚度和曲面缘条2的高度相等，曲面缘条2的A面和B面与基座1平面的夹角相等。

如图2和图3所示，A面由A1段、A2段、A3段、A4段、A5段和A6段依次连接组成，其中A2段、A3段、A4段和A5段为圆弧曲面，A1段和A6段为直线曲面，这六段曲面的连接处均为G1连续，其中A3段和A4段的连接处为有拐点的G1连续；B面由B1段和B2段连接组成，B1段和B2段均为圆弧曲面，它们的连接处为有拐点的G1连续，上述的A2段、A3段、A4段、A5段、B1段和B2段均为G2连续；因此曲面缘条2的曲面包含了曲面的变曲率与恒曲率的所有特点，即变曲率G1(G1有拐点切线连续)、G2连续(恒曲率曲率连续)、恒曲率G1(切线连续)、G2连续(变曲率曲率连续)，这些特性能够检测机床抗冲击能力的强弱。

研究表明，曲面构型中不同曲率连续性下的加工会对机床造成很大的冲击，同时也是导致曲面加工质量好坏的重要因素。本发明的检测试件通过构建不同曲率连续性的曲面轮廓试件，反映机床在复杂曲面加工中抗冲击能力的强弱，同时可以有效解决综合试件的解耦困难，通过加工后的轮廓误差测量，直接实现对加工误差重要因素的评判。

本发明提供一种基于上述检测试件的五轴数控机床曲面加工能力的检测方法，包括以下步骤：

步骤一、对检测试件进行几何建模；

步骤二、通过通用CAM软件对已建的模型进行后置处理生成NC代码，加工流程分为三步：粗加工、半精加工和精加工；通过粗加工快速去除毛坯余量，使加工余量在3mm左右；半精加工对粗加工后的残留加工面加工平滑，使加工后能够留下0.1mm-0.5mm厚度的均匀加工余量；最后通过精加工使工件的尺寸和精度达到设计要求；

步骤三、利用五轴联动数控机床按照步骤二中编制的数控程序对检测试件进行加工；

步骤四、在检测试件的A面上取至少三条截面线，在B面上取至少三条截面线，在每条截线上取至少25个测量点，利用三坐标测量机进行误差测量；如图5和图6所示，A面上具有五个G1连续处，这五个G1连续处分别对应Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ这五个区域，五个G1连续处均设有测量点；B面上具有一个G1连续处，该处设有测量点。

步骤五、根据步骤四的测量结果对机床曲面加工能力进行评价。根据步骤四的测量结果对机床加工不同曲率连续性曲面的能力进行评价，误差越小表明机床抗冲击能力越强，从而可以反映出不同曲率连续性的曲面加工中抗冲击能力的强弱。

以下通过具体的实施例来说明本发明检测方法的工作原理和优点：

实施例1

对型号为V51030ABJ的五轴联动数控机床曲面加工能力的检测方法，包括以下步骤：

步骤一、通过通用CAD软件对检测试件进行几何建模，基座1的厚度和曲面缘条2的高度均为40mm，曲面缘条2的A面和B面与基座1平面的夹角均为105°。

步骤二、在步骤一所建立的试件模型中，设定铣削路径，铣削过程分为粗加工、半精加工和精加工，通过精加工产生前置指令(x、y、z、i、j、k)，生成本试件加工过程中各坐标轴的NC代码(X、Y、Z、A、B)。

步骤三、毛坯材料为7075-t7451铝合金，毛胚尺寸为300mm×200mm×80mm，选用直径为20mm的立铣刀，沿刀具轴线方向，从上至下按每层10mm的深度进行加工；在型号为V51030ABJ的双摆头五轴数控机床对检测试件进行加工，加工过程中保持侧刃5始终与曲面贴合，如图4所示。

步骤四、型号为V51030ABJ的双摆头五轴数控机床完成了该检测试件的加工，选用三坐标测量机对A、B面上选取的三条截面线上的点进行测量，如图5和图6所示，A面被三条截面线分为1#，2#，3#三层，各层的z坐标分别为45mm、60mm和75mm，每条线上取25个点。B面被三条截面线分为4#，5#，6#三层，各层的z坐标分别为45mm、60mm和75mm，每条线上取25个点。A面的测量重点观察五个G1连续处(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ区域)，最终将A面、B面的测量结果分别记录于测量结果记录中的表1和表2。

步骤五、对步骤四中的测量结果进行整理，得到图7和图8所示的轮廓误差图，从图中可知，A、B两面的轮廓误差都在0.05mm之内(处于允差范围内)，说明在G1(切线连续)连续情况下机床抵抗冲击的能力不错。图7中，因为G1连续处(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ五个区域处)出现曲率的突变，导致加速度的跳变，故这五个区域处均有较大的误差突变，其中跳变较大的区域为Ⅲ区域，其原因在于此处服从G1连续但有拐点，加工时会导致运动轴加速度的反向；图8中，误差不断变化，其原因在于B面不断变化的曲率会导致加速度的不断变化，曲率越大加速度越大，对机床造成的冲击越大，其中误差最大处也位于G1连续但有拐点处，此处会导致运动轴加速度的反向；对比分析A面与B面的轮廓误差大小，可得到机床在相同条件下，加工恒曲率曲面的能力较加工变曲率曲面能力强，即变曲率更考验机床的抗冲击能力。

测量结果记录：

(1)进给速度_________，主轴转速_________。

(2)曲面型面外观：

接刀痕迹：无□有□(刀痕数量：A面______，B面______)

切伤痕迹：无□有□(伤痕数量：A面______，B面______)

(3)曲面型面粗糙度：

允许值：≤Ra3.2，实测最大值：A面______，合格□不合格□

B面______，合格□不合格□

(4)型面轮廓误差：

表1

平均误差最大区域：______

表2

允许误差值：________

平均误差值：________合格□不合格□

G1连续(有拐点)处误差跳变值：________

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种检测五轴数控机床曲面加工能力的检测试件，其特征在于：包括基座(1)和设于基座(1)上的曲面缘条(2)，曲面缘条(2)设有A面和B面两个S形的加工面，A面是由圆弧和直线段拼接而成的曲面，在恒曲率下具有不同的曲率连续性；B面为三次B样条曲面，其曲率不断连续变化。

2.根据权利要求1所述的检测试件，其特征在于：所述基座(1)的一侧面上部向曲面缘条(2)的方向下凹形成台阶，该台阶面为测量基准面(4)。

3.根据权利要求1所述的检测试件，其特征在于：所述基座(1)上还设有夹紧孔(3)，两个夹紧孔(3)分别位于曲面缘条(2)的两侧。

4.根据权利要求1所述的检测试件，其特征在于：所述曲面缘条(2)的A面和B面与基座(1)平面的夹角相等。

5.根据权利要求1所述的检测试件，其特征在于：所述基座(1)的厚度与曲面缘条(2)的高度相等。

6.一种检测五轴数控机床曲面加工能力的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、对检测试件进行几何建模；

步骤二、通过通用CAM软件对已建的模型进行后置处理，加工流程分为三步：粗加工、半精加工和精加工；

步骤三、利用五轴联动数控机床按照步骤二中编制的数控程序对检测试件进行加工；

步骤四、在检测试件的A面上取至少三条截面线，在B面上取至少三条截面线，在每条截线上取至少25个测量点，利用三坐标测量机进行误差测量；

步骤五、根据步骤四的测量结果对机床曲面加工能力进行评价。

7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于：在步骤二中，通过粗加工快速去除毛坯余量，使加工余量在3mm左右；半精加工对粗加工后的残留加工面加工平滑，使加工后能够留下0.1mm-0.5mm厚度的均匀加工余量；最后通过精加工使工件的尺寸和精度达到设计要求。

8.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于：所述A面上具有五个G1连续处，五个G1连续处均设有测量点。

9.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于：所述B面上具有一个G1连续处，该处设有测量点。