多轴加工中一种提高叶轮加工精度的方法
摘要：本文主要研究多轴加工刀具轨迹的生成问题.在多轴加工中，可以利用控制系统中刀具中心点(TCP)的坐标变换来控制刀具轨迹，或者控制系统中的这些变换是不可用的，需要在后置处理器中使用这些变换。但是，如果不使用TCP，所需的工具路径公差就不会得到控制。因此，在后处理器中提出了一种动态生成新刀具路径点的算法，以保持所需的公差，保证制造精度。该算法在叶轮叶片加工的后处理程序和数控程序生成中得到了验证。通过后处理器重新计算的工具路径满足所需的公差。
关键词：叶轮 多轴加工 后处理 插值 加工精度
叶轮加工是多轴加工中最复杂的技术之一。加工过程中的许多误差都与被加工零件的产生误差有关。这些误差可能是由机床、工具的特定精度、机床-工件系统刚度的影响以及热效应引起的。然而，无论是在控制系统上还是在CAD/CAM系统上，数据处理也会产生误差。复杂零件加工数据的合理准备问题已被许多学者所讨论。其中，介绍了一种补偿五轴加工过程中几何误差的方法。该方法首先对机床转轴引起的几何误差进行补偿，然后对直线轴引起的误差进行补偿。并提出，多轴连续加工的刀具轨迹可分为两种加工方式。第一个可以基于称为工具中心点(TCP)的转换，这些转换包含在控制系统中(例如TRAORI或TCPM等)。在第二种情况下，可以使用后处理器中的转换来计算工具路径。在某些情况下，不能使用控制系统中的转换TCP。控制系统不支持机床轴的运动学配置，这是导致TCP不能使用的主要原因。第二个原因是技术人员不想使用TCP，因为机床用户很难修改工具路径。
旋转轴在所谓的静止点附近的运动也会引起几何误差。这些是刀具与机床的旋转轴达到平行度的点。在这些点上，机床执行旋转轴的附加运动，以便数控程序中的下一个点可以通过线性插补来实现。然而，它会在零件表面引起误差。误差取决于工具的参考点对旋转轴的实际旋转半径。以往减少这些误差的方法是将刀具路径的部分替换为避免固定点的不同的工具路径，该算法只适用于点铣削，而不适用于侧面铣削。在这种情况下，必须接受CAM系统计算出的刀具轨迹。另一种解决方案是通过增加工具路径点的插值来处理这一问题。方法是沿刀具轨迹保持刀具轴到工件表面的方向，以避免工件表面的下切。然而，该算法仅基于在连续两个NC程序段中预先设定的最大可能的角坐标变化的假设。对于所有计算刀具参考点相对位置和当前旋转轴的情况，这种变化都是恒定的。刀具路径的新插值点数不受所需刀具路径公差的控制。如果我们假设在接下来的两个段中角坐标的变化是相同的，那么在刀具的参考点和当前的旋转轴之间的更远的距离上，同样数目的点被插值，就像在较短的距离上一样。这可能会对进给速度特性产生影响，因为当过多的刀具轨迹被插值时，会导致机床轴的增量很小。因此，控制系统可能无法达到所需的进给率。需要强调的是，这些错误也可能出现在工具路径的其他领域。其主要缺点是算法不受用户指定的刀具路径公差的控制。
为此，本文提出了一种后处理器中刀具轨迹的插补方法，该方法由给定的刀具路径公差控制。
利用倾斜工作台(旋转轴B和C)的五轴加工中心后处理器进行了测试，验证刀具轨迹插补算法的功能，针对叶轮进行测试，叶片采用侧面铣削操作进行加工。结果表明，在没有插值的情况下从 cam 系统生成的刀具路径显示的偏差约为百分之一到十分之一毫米，而公差为±0.003 mm。
使用公差插补算法，测试了ΔT (0.03mm和0.01mm，0.005 mm，0.001 mm)四种公差值的影响。段数e在5-15段范围内测试。包含用于加工叶片的NC程序的新生成块的数目。经验证，10段e值最令人满意。
可以清楚地看到，内插刀具路径比没有内插的原始刀具路径包含更多的点。加工后的叶片表面模拟结果显示。在没有插值的情况下，用原路径加工过的表面可以看到一些残留的材料。但是，表面没有剩余的材料是用新插补的刀具路径加工的，公差ΔT设置为0.01 mm，叶片表面对应于叶片模型。结果表明，插补刀轨迹满足要求的公差。
