一种五轴加工中心刀具变形误差补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及数控加工技术领域，尤其涉及一种五轴加工中心刀具变形误差补偿方 法。
【背景技术】
[0002] 在实际的加工过程中，铣削加工系统一般由机床、刀具、夹具、工件等几部分构成， 其中机床和夹具的刚度一般认为是足够的，工件（非薄壁件）变形量也比较小，而刀具的刚 性相对比较脆弱，铣削系统中刀具的变形是一个无法避免的问题，尤其是使用"细长杆"刀 具加工时，刀具的变形是不可忽略的，其在切削力的作用下容易发生弯曲变形，是引起加工 表面几何误差的主要因素。五轴联动数控技术在复杂形面的加工中具有独特的优势，即可 以通过调整刀具的位姿使刀具保持最优的切削状态并避免刀具干涉，从而提高了零件的加 工制造精度。因此分析五轴加工过程中刀具变形、研究误差补偿方法具有十分重要的意义。
[0003] (l)Rao VS和Rao PVM通过对加工过程中刀具变形量的分析，提出了一种由切 削力引起的刀具变形误差补偿方法。（参见Rao VS，Rao PVM(2006)T〇〇1 deflection compensation in peripheral milling of curved geometries. Int J Mach Tools Manuf 46(15):2036-2043)。
[0004] (2)Bera TC，DesaiKA和Rao PVM分析了铣削过程中刀具变形和薄壁件变形对加 工误差的综合影响，通过改变加工过程中的刀具路径，进而对其误差进行补偿，并由实验室 验证了该方法的可行性。（参见 Bera TC，Desai KA, Rao PVM(2011)Error compensation in flexible end milling of tubular geometries. Journal of Materials Processing Technology 211 (1):24-34)。
[0005] (3) ZhuS, DingG, QinS, LeiJ, ZhuangL和YanK利用球杆仪对五轴机床的几何误差 进行识别，建立了由机床误差引起的加工误差补偿模型。（参见ZhuS，Ding G，QinS，Lei J,ZhuangL, YanK(2012)Integrated geometric error modeling, identification and compensation of CNC machine tools.Int J Mach Tools Manuf 52 (1):24-29)〇
[0006] 文献（1) (2)中所提出的刀具变形误差补偿方法主要还是针对三轴加工，对于五 轴加工的刀具变形误差补偿并不适用。
[0007] 文献（3)中所建立的误差补偿模型，考虑了机床运动过程中的几何误差，但对五 轴机床加工过程中的刀具变形误差并未涉及。
【发明内容】
[0008] 本发明提供了一种五轴加工中心刀具变形误差补偿方法，本发明通过对五轴加工 过程中刀具变形量的分析，考虑到刀具变形对加工型面的影响，提出一种应用于五轴加工 的刀具变形误差补偿方法，为高精密加工复杂曲面零件提供理论，详见下文描述：
[0009] -种五轴加工中心刀具变形误差补偿方法，所述误差补偿方法包括以下步骤：
[0010] 建立刀具坐标系、工件坐标系和机床坐标系三者之间的相互转换关系，获取五轴 加工过程中机床的运动参数；
[0011] 在刀具坐标系下，获取刀具的变形量；读取由CAM软件自动生成的理论刀位轨迹 数据文件；
[0012] 根据建立的五轴加工铣削力模型计算铣削力大小；将理论刀位点和刀轴矢量作为 镜像反变形补偿的基准；
[0013] 根据刀具变形量计算获得当前刀具位置由铣削力引起的刀具变形误差；
[0014] 对当前刀位点和刀轴矢量进行镜像反变形补偿，根据刀具变形误差计算获得新的 刀位点和刀轴矢量；
[0015] 根据补偿后的刀位点数据计算新的刀具变形误差，判断新的误差是否成立；如果 满足要求，则停止运算，保存刀位点信息；
[0016] 整理刀具路径位置从1到N所对应的补偿刀位点数据信息，进而得到补偿后的刀 位轨迹，通过后置处理软件生成补偿后的数控加工程序。
[0017] 本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明基于悬臂梁理论，建立五轴加工过 程中的刀具变形模型。在进行真实加工之前，通过建立的刀具受力变形模型计算获得引起 工件加工表面的误差量，对CAM软件自动生成的刀位轨迹文件进行修改，将理论的刀位轨 迹沿着被加工零件表面偏置同一误差量来实现误差补偿，最终根据修改后的刀位轨迹文件 用于实际的加工过程中，从而提高了五轴加工的制造精度，最后通过切削实验验证该方法 的有效性。
【附图说明】
[0018] 图1为五轴加工中心运动关系图；
[0019] 图2为刀具变形示意图；
[0020] 图3为误差补偿方法示意图；
[0021] 图4为刀轴矢量补偿参考基准图；
[0022] 图5为刀位点补偿参考基准图；
[0023] 图6为加工零件图；
[0024] 图7误差分布对比图；
[0025] 图8为一种五轴加工中心刀具变形误差补偿方法的流程图。
【具体实施方式】
[0026] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步 地详细描述。
[0027] 以下结合附图，以B摆头C转台五轴联动机床球头铣削为例，详细说明本发明实施 例的具体实施。
[0028] 101 :建立刀具坐标系、工件坐标系和机床坐标系三者之间的相互转换关系，获取 五轴加工过程中机床的运动参数；
[0029] 本发明实施例以C转台B摆头结构五轴数控机床为例，对各坐标间运动学关系进 行分析，建立刀具坐标系、工件坐标系和机床坐标系的转换关系。
[0030] 为了便于描述刀具在五轴机床加工过程中的运动轨迹，建立如图1所示坐标系 统。机床初始状态时，工件坐标系[0w，Xw，Yw，Zw]与机床坐标系[OmXJJJ方向一致，工 件坐标系原点与机床坐标系原点重合；刀具坐标[OdXdYdZj原点位于刀尖点处，其坐标 系方向与机床坐标系一致；[0" 11，乂"11，￥"11，2"11]为旋转坐标系，刀具绕轴￥" 11的旋转角为0[?(逆 时针为正），其坐标系方向与机床坐标系一致；
为回转坐标系，工件绕轴 Z&的回转角为Θ c(逆时针为正），其坐标系方向与机床坐标系一致。机床初始状态下， 0Αα之间的距离为L，0 "0"2之间的距离为