五轴数控加工非线性误差分析及控制策略

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1、cNcMAc州№TEcH慨。GY数控加工技术五轴数控加工非线性误差分析及控制策略术Five-AxisCNCMachiningNonlinearErrorAnalysisandControlStrategy中航工业沈阳飞机工业(集团)有限公司刘本刚王碧玲93057部队机务处王石沈阳高精数控技术有限公司郑缪默【摘要】理论分析与仿真结果表明：旋转轴线性插补可以完成复杂结构件的五轴联动加工，且速度变化平滑，但刀轴矢量形成的曲面偏离加工表面引起非线性加工误差。矢量插补虽然可以避免旋转轴插补运动产生的非线性误差，但速

2、度波动大，甚至导致机床剧烈振动，引起伺服和系统报警。结合航空薄壁件加工试验对旋转轴插补运动产生的非线性误差进行了分析，并对矢量插补存在的问题给出了改进策略。关键词：五轴联动误差分析旋转轴平面矢量插补航空薄壁件加工【ABSTRACTlTheoreticalanalysisandsimulationresultsshowthattherotationalaxis1inearinte叩olationcancompletethecomplexstructurebyfiVe-aXismachin·ing，andth

3、espeedchangingissmoother，butmedeViationofsumceoftoolaxisvector6-ommachinedsurf-aceleadstononlinearerror．Vbctorinterpolationcanavoidnonlin—earerrorofrotationaXisinterpolationmOVement，butthespeedfluctIlationisbig，andeVenleadstoseVereVibrationofmachineandseⅣ

4、oalarms．InViewoftheaboVeprob—lems，improVementstrategiesareputfbnVard．Finally'thetestofmill一wallpartofaircraRisusedtoanalyzethenon·linearen．orbyrotationaxisinte叩olation．Attheendoftheanicle，theimproVements仃ategyisgiVen．KeywOrds：5-axisErrOranalysisRotaryaxes

5、Planeinterp0IatiOnOftOOlorientationMachin-ingofaircraftthin—waUpanDoI：10．16080^．issnl67l一833x．2015．15．065五轴联动数控加工技术是实现复杂自由曲面加工的关键技术，在航空制造领域的应用极为广泛。但是，五轴加工中实际刀轨常偏离加工表面引起非线性误差⋯，如航空薄壁件外轮廓加工时，表面产生周期性的起伏，这是由于旋转轴插补运动在与走刀方向垂直的平面内引起的非线性误差造成的。樊曙天等口1通过集成RTCP+“高档数控机

6、床与基础制造装备”国家科技重大专项(2013zx040l2—021)资助。功能使系统实时进行线性补偿，有效地减小了旋转轴插补在走刀平面内引起的非线性误差。杨旭静等p’提出了通过限制两相邻刀位点之间刀轴矢量夹角的方法来控制与走刀垂直的平面内的非线性误差的大小，但此方法随着控制精度提高，程序段数量剧增，增加了数控系统的处理时间，并且无法消除该非线性误差。樊留群等一】提出了刀轴矢量平面插补算法，通过仿真验证该方法从根本上解决了旋转轴插补在与走刀垂直的平面内引起的非线性误差，但未提及该插补算法下旋转轴角度和转速变

7、化的连续性及平滑性等问题。文中所讨论的旋转轴插补算法均属于数控系统内部插补运算方法。本文对常用的两种旋转轴插补方法在与走刀方向垂直的平面内引起的非线性误差进行研究的基础上，通过实例对旋转轴插补过程进行仿真，重点分析刀具姿态误差、旋转轴角度和转速的变化情况，结合航空薄壁件加工试验对旋转轴插补运动产生的非线性误差进行分析，并对矢量插补存在的问题给出了改进策略。1非线性加工误差数控加工用微小线段逼近编程曲线，因此实际加工中刀轨总是有一定的偏差【5l，根据引起的原因不同，分为线性误差与非线性误差。线性误差实质是数

8、控加工用微小直线段来逼近编程曲线产生的偏差，与被加工表面的曲率及程序段长度等有直接关系。在有转动轴的数控系统通过分段非直线运动逼近加工曲面，照此进行插补运动时所需理想运动包络出来一段波纹起伏的曲面与光滑的编程曲面之间的偏差称为非线性误差【6l。其中，在与走刀方向垂直的平面内的非线性误差是由于旋转轴运动坐标(角度)与刀轴矢量之间的非线性关系使刀轴矢量在插补时偏离了编程曲面造成的，如图1所示，g为编程刀轴矢量，q’为插补刀轴矢量，