五軸數控加工中非線性誤差補償的研究與實現

鐘利+馬強

摘 要：五軸聯動加工為三個直線軸和兩個旋轉軸同時運動，基于機床實際性能和運動的限制，加工過程中往往偏離目標曲線，從而形成五軸聯動加工中所特有的非線性誤差，這一直是困擾加工制造行業的一大難題。本文針對五軸聯動加工中出現的非線性誤差問題，提出一種在五軸后置處理器中添加補償的方法，通過相應的算法推導，最終憑借JAVA語言得以在后置處理軟件中實現。并通過對比補償前后的實驗可以發現，在后置處理器中添加非線性誤差補償的方法具有良好的應用價值。

關鍵詞：五軸加工；非線性誤差；后置處理；誤差補償

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：

0、前言

隨著五軸聯動加工中心在機械制造行業中的廣泛應用，大大提高了復雜零部件的加工質量及精度。但是在五軸聯動加工過程中，由于切削軌跡受直線軸和擺動軸的控制，機床在加工曲面過程中其直線軸和擺動軸插補得到的合成運動會導致實際刀位軌跡偏離理論曲線，從而造成非線性誤差。由于非線性誤差是五軸聯動加工所特有的誤差，因而，如何對它進行有效控制是實現曲面五軸高質量加工的關鍵問題之一。

目前，解決五軸聯動加工中非線性誤差的問題主要有兩種方法：一是在后置處理中添加如非線性誤差補償功能，通過相應的線性加密來補償超出誤差范圍的數據點；二是由機床的控制系統進行修正，即通過機床系統自帶的RTCP功能來降低非線性誤差給加工精度帶來的影響。第二種方法則多數應用在一些進口的先進五軸機床上，針對國內目前五軸機床發展現狀，通過后置處理進行非線性誤差補償更具有工程應用價值。

1 、非線性誤差產生機理

如圖1所示，此圖直觀地反映了非線性運動誤差的產生機理。在五軸聯動數控機床加工過程中，工作臺沿直線軸X、Y、Z進行移動，刀具圍繞X、Z軸進行擺動。在實際加工中，刀具實際運動軌跡應為圖中的“實際直線”，而在理想狀態下，認為刀具的理想軌跡應該為圖中的“理想空間直線”。這是因為通用CAD/CAM軟件前置處理生成刀位源文件，是根據具體的機床運動模型經后置處理變換得到的機床坐標系下各坐標軸的運動坐標。而五軸聯動加工中的刀心軌跡以及刀軸矢量在時刻變化，連續相鄰的兩刀位點的運動軌跡是一段空間曲線，由于五軸聯動加工時的非線性運動轉換為各運動軸的線性運動，所以其實際運動軌跡為各軸插補運動的合成直線。這就導致了五軸聯動加工過程中實際的加工直線與理想的空間曲線之間有一定的差值，而這個差值的最大值Emax即為最大非線性運動誤差值。

2、 后置處理中的補償算法

圖2為非線性運動誤差補償原理示意圖，如圖所示，刀具實際運動軌跡應為Qw0、Qw、Qw1之間的直線，刀具的理想軌跡應該為點Qw0、Qw、Qw1之間的曲線.刀具上旋轉中心經過UI、UK1、UM曲線。由于機床的控制系統只能進行線性插補，所以，導致刀具旋轉中心的實際運動軌跡為經過的UI、UK、UM直線，而非線性誤差應該為Qw及其所對應的Qww間的距離。為合理的計算非線性誤差，假設連續相鄰前后兩刀具點分別為Qw1（x1，y1，z1，u1，v1，w1）、Qw0（x0，y0，z0，u0，v0，w0）。通過機床運動模型變換，得出兩刀具點的刀心坐標Qw0（X0，Y0，Z0，A0，C0）、Qw1（X1，Y1，Z1，A1，C1）。由于機床運動是直線插補，刀具從Qw0運動到Qw1的過程中，某一時刻機床運動狀態為：Qt=Q0+t（Q1-Q0）根據分線性誤差的分布情況，綜合考慮取t=0.5時計算，可得：

即在兩刀心點之間取一個中間點，在跟據機床運動模型反推回機床的原始刀位點Qw0.5（x0.5，y0.5，z0.5，u0.5，v0.5，w0.5）。計算非線性誤差Emax，如圖2中采用直線三角形代替空間曲線得：

當Emax超過原先設定誤差值時，則在兩刀兩原始刀位點Qw0、Qw1中間插入一個新的刀具點Qwm：

將新插入的原始刀位點Qwm再次進入機床運動模型處理計算，得到刀心坐標Qwm（Xm，Ym，Zm，Am，Cm）。在重復上面步驟判斷Qw0與Qwm和Qwm與Qw1之間的Emax是否大于原先設定的值，如果大于設定值，在次插入新點，直到插入該新的刀具點與前后兩刀具點的Emax小于誤差設定值為止。

3、非線性誤差補償功能的驗證

本文基于JAVA語言，通過對上述問題的分析和補償算法的推導，開發出一款具有非線性誤差補償功能的五軸后置處理軟件，并進行的補償實驗。

（1）實驗內容

①將經過非線性誤差處理的和未經過非線性誤差處理NC代碼在Vericut仿真軟件中仿真加工；

②將經過非線性誤差處理的和未經過非線性誤差處理NC代碼在BV100雙擺頭五軸加工中心上加工葉輪；

（2）實驗步驟

①建模模塊建立葉輪模型，制定程序工藝卡片并編制操作程序，并導出刀位源文件；

②將導出的刀位源文件經上述編寫的后置處理軟件處理成兩種NC文件。文件A為未經非線性誤差補償，文件B的非線性誤差補償值為0.02；

③在Vericut中分別仿真加工經過非線性誤差校核與補償的NC文件和未經過非線性誤差校核與補償的NC文件；

④在VMC850F加工中心上選擇執行上述文件。

（3）實驗結果

①由表3-1可知，經過非線性誤差校核與補償的NC文件跟原來的相比，行數顯著增加，而加工時間增加不明顯。

②模擬加工結果如圖3、圖4所示，可以明顯看出，經過非線性誤差補償與校核處理的NC程序仿真加工過切量和殘留量明顯比未經過非線性誤差補償與校核處理的NC程序少。

③實際加工結果如圖5、圖6所示。經過非線性誤差補償與校核處理的NC程序加工出來的流道表面和葉片表面，比未經過非線性誤差補償與校核處理的NC程序加工出來的要更順滑，過切的地方更少。

4、結論

本文通過分析五軸加工中非線性誤差產生的原因，推導出一種適用于后置處理器中的非線性誤差補償方法，并通過補償前后的對比實驗可以得到以下結論：

①經過非線性誤差校核與補償的程序，其程序量會有較大幅度增加，但加工時間不會明顯增加；

②本后處理軟件的非線性誤差校核與補償功能達到預期要求，具有實際應用價值。

參考文獻

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作者簡介：鐘利，1987年，男，本科，助理工程師，單位：高密市檢驗檢測中心，研究方向：機械設計制造及其自動化。

馬強，1974年，男，本科，工程師，單位：高密市檢驗檢測中心，研究方向：機械設計制造及其自動化。