基于模型预测的五轴加工轮廓误差预补偿方法研究

• 作 者: 高甜
• 出 处: 上海工程技术大学
• 发表日期: 2017年01期
• 关键词: 参数化样条插值 跟踪误差建模 轮廓误差预补偿 进给率线性规划

多维空间高速高精度加工的发展顺应了加工制造业中复杂曲线曲面零件应用广泛的趋势。除了关注加工速度的提高之外,零件加工质量的提升也是众多学者和研究人员关注的重中之重。因为加工件质量的优劣更多的取决于实际轮廓与期望轮廓间差值的大小,所以本课题将轮廓误差的建模、预测、预补偿、刀具进给率定制等作为提高加工件质量的重要手段展开研究。本文通过对轮廓误差产生的原因进行详细的分析,探讨五轴数控机床加工复杂曲线曲面零件时的零件轮廓误差的控制和补偿方案。综合考虑了加工轨迹跟踪误差建模方法、轮廓误差预测模型、五轴机床参数化样条插值方案、轮廓误差预补偿方案、刀具进给率线性规划,在保证加工过程中轮廓误差精度控制的基础上,实现刀具路径的C~3连续性拟合,最大程度的提高加工速度和加工精度。本文主要研究内容及取得的成果主要包括以下内容:一.深入研究五轴机床参数化样条插值算法、轮廓误差控制的关键技术、控制策略的选择以及参数的优化等理论和应用,为后续章节中提出C~3连续的九阶样条插值、轮廓误差的预测和补偿以及刀具进给率的线性规划做好理论基础。二.针对五轴加工过程中,CAD系统提供的刀位点数据的离散性,以及刀路一阶不连续,导致刀具运动过程中,速度、加速度不连续,影响工件质量的问题,提出了分别针对刀尖位点和刀轴方向进行五次参数化样条函数拟合的方案,该方案保证了插值样条的C~3连续,实现了样条函数位移、速度、加速度的连续,避免样条不连续、机床振荡引起的机床过度磨损和轮廓误差值过大。针对刀轴方向和加工轨迹位移没有直接关系的问题,对插值样条进行再参数化,保证跃度最小。实验表明,该算法能够获得较为平滑的参数化拟合样条,减少机床振荡,提高加工件的质量。三.针对五轴加工过程中,由于旋转轴存在,引起的刀尖位点轨迹和刀轴方向轨迹的耦合问题,提出了一种用于轮廓误差建模和补偿的方法。用C~3连续的五次样条曲线拟合参考指令,给出参考指令的解析表示。将连续的参考指令作为伺服驱动器的输入,求解线性微分方程,用于跟踪误差建模。基于跟踪误差的预测,使用迭代方法计算刀尖位置和刀轴方向的轮廓误差。求出轮廓误差之后,执行两个阶段的算法分别补偿刀轴方向和刀尖位点上的轮廓误差。由于刀轴方向误差与刀尖位点轮廓误差线性轴解耦,所以首先修改旋转指令以补偿刀轴方向上的轮廓误差。接下来,补偿位置轮廓误差,这种补偿顺序可以保证已补偿过方向不受影响。四.高性能多轴联动加工的进给率的规划需要考虑加工过程高效、平稳、冲击小,且始终处于机床加工的能力范围之内。针对五轴机床的高速加工与机床的运动限制相冲突的问题,本文从几何精度、运动学特性、机床的驱动特性等多方面对机床刀具的进给率进行了限制,规定了刀具运动过程中速度、加速度、跃度的范围,保证机床能够最大限度的加工零件的同时又不超出机床的运动限制,并根据这些综合要求对机床刀具的进给率进行了线性规划。综上,本文以跟踪误差建模及预测为基础,提出了针对多轴联动加工的五次样条拟合离散位置点,获得平滑的参考指令,结合运动学公式进行了轮廓误差的建模、预测以及预补偿。并且为了保证高速加工过程中的速度、加速度、跃度在机床加工的能力范围内,对刀具的进给率进行线性规划。最后对所提出的方法和模型进行仿真实验,验证其有效性。