CN108563186A - 一种五轴球头铣削几何误差补偿方法 - Google Patents

一种五轴球头铣削几何误差补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种五轴球头铣削几何误差补偿方法，属于机床误差补偿领域。包括：考虑五轴数控机床结构参数，建立五轴数控机床正向运动学方程和后处理程序；根据工件加工代码，结合正向运动学方程，得到工件理想刀具位姿文件；建立球头铣刀刀具位姿与代表工件纹理的刀触点之间的转换关系；根据指数积理论，建立五轴球头铣削综合几何误差解析模型；建立五轴球头铣削几何误差补偿中刀触点保障措施；应用群体智能优化算法得到补偿的旋转轴角度；计算补偿的旋转轴角度的平动轴运动量；读取工件理想刀具位姿文件，计算补偿加工代码。该发明在补偿几何误差的同时保证工件纹理质量，可进一步提高五轴机床加工精度和工件表面质量。

Description

一种五轴球头铣削几何误差补偿方法
技术领域
本发明涉及数控加工误差补偿领域，尤其涉及铣削加工几何误差补偿技术。
背景技术
五轴铣削在复杂曲面加工制造方面具有独特优势，已经广泛用于航天、航空、航海、汽车、国防等各个领域内复杂零部件的加工。五轴铣削高精度制造也成为衡量一个国家先进制造水平的重要标志之一。五轴铣削的加工精度受很多因素影响，其中几何误差和热误差是主要误差源之一，占总制造误差的60％左右。由于几何误差具有***性高、重复性好、长时间内稳定和易测量的特点，几何误差补偿成为提高五轴铣削精度的一种经济有效的重要手段。
现有的几何误差补偿技术通过不同手段调整刀具位姿使得机床几何误差影响下的实际刀具位姿尽可能接近于设计的刀具位姿，从而提高五轴加工精度。很多误差补偿技术在理论及仿真验证阶段效果很明显，但是由于忽略了实际铣削中刀具切削机理，实际加工效果远远小于预期。理论上，误差补偿应首先保证曲面原始刀触点轨迹不变，需要在刀具位姿调整时必须以原始刀触点作为旋转支点。
曲面纹理形貌是衡量工件表面质量的重要指标之一。曲面纹理直接影响到工件的物理性能、机械性能以及使用寿命等，如零件结合部的接触状态、摩擦表面的磨损、润滑状态、振动、噪声、密封、涂层质量、抗腐蚀性、导电性、导热性和反射性。在误差补偿过程中，不加约束地随意调整加工代码或刀具位姿可能引发曲面加工纹理的不规则改变也可能会造成旋转轴的大角度变化，使得实际切削时刀具在工件表面留下坑洼痕迹。目前对五轴铣削误差补偿中因修正运动轴运动量而造成曲面纹理改变的研究很少，也缺乏相应的应对措施。
发明内容
本发明的目的是提供一种五轴球头铣削几何误差补偿方法，它能有效地解决从代表工件
纹理的刀触轨迹出发，实现工件纹理约束的补偿几何误差的技术问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种五轴球头铣削几何误差补偿方法，包括如下步骤：
步骤1、考虑五轴数控机床结构参数，建立五轴数控机床正向运动学方程和后处理程序；
步骤2、根据工件加工代码，结合五轴数控机床正向运动学方程，得到工件理想刀具位姿文件；
步骤3、结合工件坐标系下刀具姿态角，建立球头铣刀刀具位姿与代表工件纹理的刀触点之间的转换关系；
步骤4、根据指数积理论，引入理想刀具位姿，建立五轴球头铣削综合几何误差解析模型；
步骤5、根据球头铣刀刀具位姿与代表工件纹理的刀触点之间的转换关系和五轴数控机床正向运动学，建立五轴球头铣削几何误差补偿中刀触点保障措施；
步骤6、应用群体智能优化算法，建立五轴球头铣削几何误差补偿的适应度函数、群体初始化策略，得到补偿的旋转轴角度；
步骤7、根据刀触点保障措施，计算补偿的旋转轴角度的平动轴运动量，得到补偿加工代码；
步骤8、读取工件理想刀具位姿文件，根据步骤4到步骤7计算每个刀具位姿的补偿加工代码。
作为优选，所述步骤1中五轴数控机床结构参数为两个旋转轴轴线在机床坐标系的位置参数；建立的五轴后处理程序包括旋转轴运动量双解解决策略，得到所有运动轴相对于其零位置的真实运动量；
作为优选，所述步骤3中结合工件坐标系下刀具姿态角，建立球头铣刀刀具位姿与代表工件纹理的刀触点之间的转换关系，具体步骤包括：
步骤3.1、建立工件上刀触点局部坐标系，坐标系原点为刀触点，x轴为刀触点处刀触轨迹切线向量f，z轴为刀触点处工件法向向量n，y轴向量b通过右手准则建立；
步骤3.2、定义刀触点坐标系下刀具姿态角，建立围绕z轴旋转的刀具旋转角θ和相对于z轴的刀具倾斜角φ；
步骤3.3、结合工件上刀触点局部坐标系定义和刀具姿态角，根据球头铣刀几何结构参数，依据坐标系转换关系，建立球头铣刀刀具位姿与代表工件纹理的刀触点之间的转换关系，得到球头铣刀刀具姿态向量和球头铣刀刀具中心位置表达式为：
其中T表示球头铣刀刀具姿态向量，P表示球头铣刀刀具中心位置，R2表示球头铣刀半径，C表示代表工件纹理的刀触点坐标。
作为优选，所述步骤4中根据指数积理论，引入理想刀具位姿，建立五轴球头铣削综合几何误差解析模型，具体步骤包括：
步骤4.1、根据指数积理论建立各个运动轴几何误差旋量和指数矩阵，结合五轴数控机床拓扑结构，建立几何误差作用下刀具相对于工件的实际指数积矩阵，得到刀具相对于工件的实际刀具位姿；
步骤4.2、根据五轴数控机床正向运动学方程，引入理想刀具位姿，五轴球头铣削综合几何误差模型表示为刀具相对于工件的实际刀具位姿减去理想刀具位姿；
步骤4.3、结合五轴数控机床几何误差数学表达式，建立五轴球头铣削综合几何误差解析模型。
作为优选，所述步骤5中根据球头铣刀刀具位姿与代表工件纹理的刀触点之间的转换关系和五轴数控机床正向运动学，建立五轴球头铣削几何误差补偿中刀触点保障措施，具体步骤包括：
步骤5.1、根据球头铣刀刀具位姿与代表工件纹理的刀触点之间的转换关系，分析球头铣刀刀具中心位置表达式，将刀触点保障转化为球头铣刀刀具中心位置保障；
步骤5.2、读取刀具位姿中球头铣刀刀具中心位置；
步骤5.3、依据五轴数控机床正向运动学，输入旋转轴角度，计算球头铣刀刀具中心位置处旋转轴角度对应的平动轴运动量。
作为优选，所述步骤6应用群体智能优化算法，建立五轴球头铣削几何误差补偿的适应度函数、群体初始化策略，得到补偿的旋转轴运动量，具体步骤包括：
步骤6.1、根据五轴球头铣削综合几何误差解析模型，采用综合球头刀刀具中心位置误差，建立五轴球头铣削几何误差补偿的适应度函数；
步骤6.2、采用旋转轴角度作为群体；
步骤6.3、以理想旋转轴角度为中心定义群体矩形可行域，并建立群体初始化策略为：
其中p表示群体，(αo,γo)表示理想旋转轴角度，αl和γl分别表示群体矩形可行域长和宽的一半，r1和r2∈[0,1]表示两个随机数。
步骤6.5、根据五轴球头铣削几何误差补偿中刀触点保障措施，计算群体的平动轴运动量，代入五轴球头铣削几何误差补偿的适应度函数计算群体适应度。
步骤6.6、设置群体适应度精度要求和群***置更新最大次数，根据群体智能优化算法，得到补偿的旋转轴角度。
作为优选，所述步骤6中群体智能优化算法为：粒子群优化算法、鸡群算法、蚁群算法。
本发明是一种五轴球头铣削几何误差补偿方法，具体的有益效果是：本发明在几何误差补偿过程中考虑工件纹理的约束，通过球头铣刀刀具位姿与代表工件纹理的刀触点之间的转换关系，建立刀触点保障策略，在降低几何误差影响的同时保证工件纹理质量。该方法可进一步提高五轴机床加工精度和工件表面质量。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为鼠标型工件图；
图3为本发明一般铣刀刀具位姿与代表工件纹理的刀触点之间的转换关系示意图；
图4a为粒子群初始化示意图；
图4b为粒子群位置更新示意图；
图5为未补偿与补偿后工件加工代码；
图6a为补偿前后工件误差比较图；
图6b为补偿前后工件误差提升程度图。
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说明。
附图1所示为本发明一种五轴球头铣削几何误差补偿方法流程图，附图2所示为鼠标型工件，以SmartCNC500_DRTD五轴数控机床球头铣削加工此工件为例阐述五轴球头铣削几何误差补偿方法。
步骤1、考虑五轴数控机床结构参数，SmartCNC500_DRTD五轴数控机床结构参数为A轴和C轴旋转轴线在机床坐标系中的位置；建立五轴数控机床正向运动学方程和后处理程序，五轴后处理程序提出旋转轴运动量双解解决策略，得到了所有运动轴相对于其零位置的真实运动量；
步骤2、根据附图5a所示的鼠标型工件理想加工代码，结合五轴数控机床正向运动学方程，得到该工件理想刀具位姿文件；
步骤3、结合工件坐标系下刀具姿态角，建立球头铣刀刀具位姿与代表工件纹理的刀触点之间的转换关系，具体步骤包括：
步骤3.1、建立工件上刀触点局部坐标系，坐标系原点为刀触点，x轴为刀触点处刀触轨迹切线向量f，z轴为刀触点处工件法向向量n，y轴向量b通过右手准则建立，附图3所示为一般铣刀刀具位姿与代表工件纹理的刀触点之间的转换关系示意图；
步骤3.2、定义刀触点坐标系下刀具姿态角，建立围绕z轴旋转的刀具旋转角θ和相对于z轴的刀具倾斜角φ；
步骤3.3、结合工件上刀触点局部坐标系定义和刀具姿态角，根据球头铣刀无平底部分只有球头刀刃的特点，依据坐标系转换关系结合附图3所示关系，建立球头铣刀刀具位姿与代表工件纹理的刀触点之间的转换关系，得到球头铣刀刀具姿态向量和球头铣刀刀具中心位置表达式为：
其中T表示球头铣刀刀具姿态向量，P表示球头铣刀刀具中心位置，R2表示球头铣刀半径。展开公式得到球头铣刀刀具姿态向量和球头铣刀刀具中心位置为：
步骤4、根据指数积理论，引入理想刀具位姿，建立五轴球头铣削综合几何误差解析模型，具体步骤包括：
步骤4.1、根据指数积理论建立各个运动轴几何误差旋量和指数矩阵，结合五轴数控机床拓扑结构，建立几何误差作用下刀具相对于工件的实际指数积矩阵，得到刀具相对于工件的实际刀具位姿；
步骤4.2、根据五轴数控机床正向运动学方程，引入理想刀具位姿，五轴球头铣削综合几何误差模型表示为刀具相对于工件的实际刀具位姿减去理想刀具位姿，表示为：
其中[pex,pey,pez]T表示五轴球头铣削刀具中心位置综合几何误差，[tex,tey,tez]T表示五轴球头铣削刀具姿态综合几何误差，Pr表示刀具相对于工件的实际刀具中心位置，Pi表示刀具相对于工件的理想刀具中心位置，Tr表示刀具相对于工件的实际刀具姿态，Ti表示刀具相对于工件的理想刀具姿态。
步骤4.3、结合五轴数控机床几何误差数学表达式，建立五轴球头铣削综合几何误差解析模型，表示为：
步骤5、根据球头铣刀刀具位姿与代表工件纹理的刀触点之间的转换关系和五轴数控机床正向运动学，建立五轴球头铣削几何误差补偿中刀触点保障措施，具体步骤包括：
步骤5.1、根据球头铣刀刀具位姿与代表工件纹理的刀触点之间的转换关系，分析球头铣刀刀具中心位置表达式，发现球头铣刀刀具中心位置只和刀触点相关且与刀具姿态等无关，只要保证球头铣刀刀具中心位置不变，刀具姿态变化对刀触点不会造成影响。根据此发现将刀触点保障转化为球头铣刀刀具中心位置保障；
步骤5.2、读取刀具位姿中球头铣刀刀具中心位置；
步骤5.3、依据五轴数控机床正向运动学，输入旋转轴角度，计算球头铣刀刀具中心位置处旋转轴角度对应的平动轴运动量。
步骤6、应用群体智能优化算法，建立五轴球头铣削几何误差补偿的适应度函数、群体初始化策略，得到补偿的旋转轴角度。本实例采用粒子群优化算法，具体步骤包括：
步骤6.1、根据五轴球头铣削综合几何误差解析模型，采用综合球头刀刀具中心位置误差，建立五轴球头铣削几何误差补偿的适应度函数为：
步骤6.2、采用旋转轴角度作为粒子群；
步骤6.3、以理想旋转轴角度为中心定义粒子群矩形可行域，附图4a所示为粒子群矩形可行域，并建立群体初始化策略为：
其中p表示粒子群，(αo,γo)表示理想旋转轴角度，αl和γl分别表示粒子群矩形可行域长和宽的一半，r1和r2∈[0,1]表示两个随机数。并建立粒子群位置更新策略，如附图4所示。
步骤6.5、根据五轴球头铣削几何误差补偿中刀触点保障措施，计算粒子的平动轴运动量，代入五轴球头铣削几何误差补偿的适应度函数计算粒子群适应度。
步骤6.6、设置粒子群适应度精度要求和位置更新最大次数，根据粒子群优化算法步骤，计算粒子群适应度并进行位置更新，最终得到补偿的旋转轴角度。
步骤7、根据理想刀触点保障措施，计算补偿的旋转轴角度的平动轴运动量，得到补偿加工代码；
步骤8、读取工件理想刀具位姿文件，输入该五轴数控机床结构参数中C轴位置[244.5247,105.9248,0]Tmm和A轴位置[0,105.9232,-237.154]T mm，根据步骤4到步骤7计算每个刀具位姿的补偿加工代码，步骤4中球头铣刀半径R2为3mm，步骤6中αl和γl分别设置为10°，粒子群适应度精度要求为0.0005mm，位置更新最大次数设置为50，读取每个刀具位姿信息，计算得到补偿加工代码，附图5b所示为得到的补偿加工代码。
为了验证本发明一种五轴球头铣削几何误差补偿方法的有效性，分别采用理想加工代码和补偿加工代码在该五轴数控机床上采用球头铣刀加工工件，然后用测量两个工件误差，附图6a所示为补偿前后误差比较图，附图6b所示为补偿后工件误差降低程度，由附图6可知，采用本发明的方法降低了几何误差，观察补偿后工件表面发现工件表纹理与规划刀触轨迹相同，表明本发明可实现工件纹理的约束。综合上述，本发明一种五轴球头铣削几何误差补偿方法可实现在大大提高加工精度的同时可保证工件纹理形貌。

Claims (7)

1.一种五轴球头铣削几何误差补偿方法，包括如下步骤：
步骤1、考虑五轴数控机床结构参数，建立五轴数控机床正向运动学方程和后处理程序；
步骤2、根据工件加工代码，结合五轴数控机床正向运动学方程，得到工件理想刀具位姿文件；
步骤3、结合工件坐标系下刀具姿态角，建立球头铣刀刀具位姿与代表工件纹理的刀触点之间的转换关系；
步骤4、根据指数积理论，引入理想刀具位姿，建立五轴球头铣削综合几何误差解析模型；
步骤5、根据球头铣刀刀具位姿与代表工件纹理的刀触点之间的转换关系和五轴数控机床正向运动学，建立五轴球头铣削几何误差补偿中刀触点保障措施；
步骤6、应用群体智能优化算法，建立五轴球头铣削几何误差补偿的适应度函数、群体初始化策略，得到补偿的旋转轴角度；
步骤7、根据理想刀触点保障措施，计算补偿的旋转轴角度的平动轴运动量，得到补偿加工代码；
步骤8、读取工件理想刀具位姿文件，根据步骤4到步骤7计算每个刀具位姿的补偿加工代码。
2.根据权利要求1所述的一种五轴球头铣削几何误差补偿方法，其特征在于：所述步骤1中五轴数控机床结构参数为两个旋转轴轴线在机床坐标系的位置参数；建立的五轴后处理程序包括旋转轴运动量双解解决策略，得到所有运动轴相对于其零位置的真实运动量。
3.根据权利要求1所述的一种五轴球头铣削几何误差补偿方法，其特征在于：所述步骤3中结合工件坐标系下刀具姿态角，建立球头铣刀刀具位姿与代表工件纹理的刀触点之间的转换关系，具体步骤包括：
步骤3.1、建立工件上刀触点局部坐标系，坐标系原点为刀触点，x轴为刀触点处刀触轨迹切线向量f，z轴为刀触点处工件法向向量n，y轴向量b通过右手准则建立；
步骤3.2、定义刀触点坐标系下刀具姿态角，建立围绕z轴旋转的刀具旋转角θ和相对于z轴的刀具倾斜角φ；
步骤3.3、结合工件上刀触点局部坐标系定义和刀具姿态角，根据球头铣刀几何结构参数，依据坐标系转换关系，建立球头铣刀刀具位姿与代表工件纹理的刀触点之间的转换关系，得到球头铣刀刀具姿态向量和球头铣刀刀具中心位置表达式为：
其中T表示球头铣刀刀具姿态向量，P表示球头铣刀刀具中心位置，R2表示球头铣刀半径，C表示代表工件纹理的刀触点坐标。
4.根据权利要求1所述的一种五轴球头铣削几何误差补偿方法，其特征在于：所述步骤4中根据指数积理论，引入理想刀具位姿，建立五轴球头铣削综合几何误差解析模型，具体步骤包括：
步骤4.1、根据指数积理论建立各个运动轴几何误差旋量和指数矩阵，结合五轴数控机床拓扑结构，建立几何误差作用下刀具相对于工件的实际指数积矩阵，得到刀具相对于工件的实际刀具位姿；
步骤4.2、根据五轴数控机床正向运动学方程，引入理想刀具位姿，五轴球头铣削综合几何误差模型表示为刀具相对于工件的实际刀具位姿减去理想刀具位姿；
步骤4.3、结合五轴数控机床几何误差数学表达式，建立五轴球头铣削综合几何误差解析模型。
5.根据权利要求1所述的一种五轴球头铣削几何误差补偿方法，其特征在于：所述步骤5中根据球头铣刀刀具位姿与代表工件纹理的刀触点之间的转换关系和五轴数控机床正向运动学，建立五轴球头铣削几何误差补偿中刀触点保障措施，具体步骤包括：
步骤5.1、根据球头铣刀刀具位姿与代表工件纹理的刀触点之间的转换关系，分析球头铣刀刀具中心位置表达式，将刀触点保障转化为球头铣刀刀具中心位置保障；
步骤5.2、读取刀具位姿中球头铣刀刀具中心位置；
步骤5.3、依据五轴数控机床正向运动学，输入旋转轴角度，计算球头铣刀刀具中心位置处旋转轴角度对应的平动轴运动量。
6.根据权利要求1所述的一种五轴球头铣削几何误差补偿方法，其特征在于：所述步骤6应用群体智能优化算法，建立五轴球头铣削几何误差补偿的适应度函数、群体初始化策略，得到补偿的旋转轴运动量，具体步骤包括：
步骤6.1、根据五轴球头铣削综合几何误差解析模型，采用综合球头刀刀具中心位置误差，建立五轴球头铣削几何误差补偿的适应度函数；
步骤6.2、采用旋转轴角度作为群体；
步骤6.3、以理想旋转轴角度为中心定义群体矩形可行域，并建立群体初始化策略为：
其中p表示群体，αo,γo表示理想旋转轴角度，αl和γl分别表示群体矩形可行域长和宽的一半，r1和r2∈[0,1]表示两个随机数；
步骤6.5、根据五轴球头铣削几何误差补偿中刀触点保障措施，计算群体的平动轴运动量，代入五轴球头铣削几何误差补偿的适应度函数计算群体适应度；
步骤6.6、设置群体适应度精度要求和群***置更新最大次数，根据群体智能优化算法，得到补偿的旋转轴角度。
7.根据权利要求1所述的一种五轴球头铣削几何误差补偿方法，其特征在于：所述步骤6中群体智能优化算法为：粒子群优化算法或鸡群算法，或者蚁群算法。
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