一种对弱刚性刀具多轴加工路径进行让刀补偿的方法
【专利摘要】本发明公开一种对弱刚性刀具多轴加工路径进行让刀补偿的方法，该方法考虑到各刀位多轴加工实际速度与让刀量的关系，反向生成过切刀路，利用弱刚性刀具加工让刀变形有效减少或抑制零件尺寸超差，确保一次成型，无需多次复切，保证了加工效率和加工精度。
【专利说明】一种对弱刚性刀具多轴加工路径进行让刀补偿的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及数控加工【技术领域】，尤其涉及一种对弱刚性刀具多轴加工路径进行让 刀补偿的方法。
【背景技术】
[0002] 多轴数控铣削作为一种高精高效的切削加工方法，被广泛运用于航空航天、造船、 汽车、模具等领域，尤其是存在复杂曲面的零部件加工中，如整体叶盘。而随着航空航天工 业对整体叶盘需求不断增加，各类整体叶盘也层出不穷。整体叶盘叶片数目多，流道狭窄， 叶片悬伸长，因此用于加工的刀具必须细而长，刀具长径比很大，刀具刚性弱。在进行叶片 精加工时，弱刚性刀具容易发生严重让刀现象，造成型面实际尺寸超出理论尺寸的正向偏 差，致使整体叶盘不合格。其中，让刀是指加工中，弱刚性刀具在切削力作用下发生弹性避 让，加工点偏离理论加工路径，导致加工表面产生较大误差的现象。
[0003]目前，对于弱刚性刀具进行多轴加工时造成的严重让刀现象，而引起工件精加工 尺寸不合格的问题，工程上常采用多次复切或降低进给率等方法来保证加工出合格的零 件。弱刚性刀具多轴加工中，多次复切或降进给的方法基本上能消除让刀误差，保证零件合 格，但是这将使加工效率变得相当低下，重复切削和低进给均极大地延长了实际加工时间， 尤其在加工叶片数目较多的整体叶盘时，效率过低让本身加工时间极长的叶盘加工无法接 受。同时，多次复切还难以把握重复切削的次数，有些材料会造成表面加工强化，多次切削 反而不能达到尺寸要求，反而提高了加工表面的粗糙度。在整体叶盘的加工中，上述两种方 法更不应被采用，因为整体叶盘材料多为航空用不锈钢和钛合金，加工难度大，实际加工工 时长，若采用多次重复切削或降进给的方法，将使加工时间增加近一倍或以上，这是叶盘制 造企业所不能接受的。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于通过一种对弱刚性刀具多轴加工路径进行让刀补偿的方法，来 解决以上【背景技术】部分提到的问题。
[0005] 为达此目的，本发明采用以下技术方案：
[0006] -种对弱刚性刀具多轴加工路径进行让刀补偿的方法，包括如下步骤：
[0007]S101、根据零件的几何形状和工艺参数生成精加工刀路文件，并进行后置处理，将 精加工刀路文件转换成数控程序；
[0008]S102、进行刀具让刀量切削实验，获得不同进给率下该种材料在实际精加工切削 量时的切削让刀量，生成进给率F与让刀量ε的实验数据表；
[0009]S103、对步骤SlOl的精加工数控程序代码行中各轴坐标和进给率进行逐行解析 提取，获得加工路径中各点的各轴坐标和名义进给率；
[0010]S104、根据步骤S103获得的所有加工点各轴坐标计算各加工点各轴的位移量，并 计算合成位移量；
[0011]S105、根据步骤S103获得的加工路径各点名义进给率和步骤S104计算得到的各 点合成位移量，以机床各轴的极限进给速率为约束，计算各加工点的实际进给率；
[0012]S106、根据步骤S102中进给率与让刀量实验数据表，对步骤S105获得的各加工点 实际进给率进行插值运算，计算各实际进给率下各点的刀具让刀量；
[0013]S107、将步骤SlOl生成的精加工刀路文件导入UG软件中，使用UG-CAD环境API 功能进行二次开发，根据步骤S106计算得到的加工路径各点让刀量对加工路径各刀触点 曲面法向进行反向补偿，获得补偿后的刀位路径；
[0014]S108、将步骤S107中补偿后刀位路径文件进行后置处理，转换成数控G代码后，输 入机床，用于零件实际加工。
[0015] 特别地，所述步骤S102具体包括：机床用三轴功能切削方块毛坯，固定安装好激 光测距仪，设定进给率F与加工切削量，刀具每次切削完成后，使用激光测距仪读取切削面 的距离读数，相邻两次读数的差值即为每次实际切削量，与程序设定的切削量进行比较，即 可获得在该进给率F下的刀具让刀量ε;设置不同的进给率，可得到各个进给率下刀具让 刀量，从而生成进给率F与让刀量ε的实验数据表。
[0016] 特别地，所述步骤S105具体包括：
[0017]S1051、解析提取加工点的名义进给率，根据步骤S104获得的合成位移量，计算加 工路径的名义走刀时间t;
[0018]S1052、以机床各轴的极限进给速率为约束，根据步骤S104中获得的程序走刀路 径各轴位移量，分别计算机床各轴以极限进给率完成该轴位移量所需要的时间tx，ty，tz， tA，t。。将tx，ty，tz，tA，t。分别与步骤S1051中计算得到的名义走刀时间t进行比较，若均 小于或等于t，则该段加工路径实际进给率为名义进给率；若tx，ty，tz，tA，t。中存在数值大 于t，则取tx，ty，tz，tA，t。中的最大值，设为tmax，计算该段加工路径的实际进给率；
[0019] S1053、依次对各加工点执行步骤S1051和步骤S1052,获得所有加工路径段的实 际进给率。
[0020] 特别地，所述步骤S107具体包括：
[0021]S1071、计算加工路径中各刀尖点对应的刀心点坐标；
[0022] S1072、获取加工路径各刀尖点对应的加工刀触点坐标；
[0023]S1073、根据刀触点曲面法向，计算反向补偿后的新刀触点坐标；
[0024]S1074、根据新刀触点坐标计算新刀心点坐标；
[0025]S1075、根据新刀心点坐标计算新刀尖点坐标；
[0026]S1076、对步骤SlOl中生成的精加工刀路文件中各刀尖点逐一执行步骤S1071至 S1075,获得让刀量反向补偿后的所有新刀尖点坐标，替换原精加工刀路文件中的刀尖点坐 标，获得补偿后的刀位路径。
[0027] 本发明提出的对弱刚性刀具多轴加工路径进行让刀补偿的方法考虑到各刀位多 轴加工实际速度与让刀量的关系，反向生成过切刀路，利用弱刚性刀具加工让刀变形有效 减少或抑制零件尺寸超差，确保一次成型，无需多次复切，保证了加工效率和加工精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0028] 图1为本发明实施例提供的对弱刚性刀具多轴加工路径进行让刀补偿的方法流 程图；
[0029] 图2为本发明实施例提供的刀具让刀量切削实验平台示意图。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。可以理解的是，此处所描述的具 体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描 述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
[0031] 请参照图1所示，图1为本发明实施例提供的对弱刚性刀具多轴加工路径进行让 刀补偿的方法流程图。
[0032] 本实施例中对弱刚性刀具多轴加工路径进行让刀补偿的方法具体包括如下步 骤：
[0033]S101、根据零件的几何形状和工艺参数生成精加工刀路文件，并进行后置处理，将 精加工刀路文件转换成数控程序。
[0034] 计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing,CAM)刀路规划软件根据零件 的几何形状和工艺参数生成精加工刀路文件。刀路文件中各刀位点记录的是刀尖点信息， 刀尖点数据行格式一般为：GOTO/x,y,Z,i,j,k,其中，X,y,z为加工坐标系下的刀尖点位置 坐标[xyz]T，i，j，k为其对应的刀轴矢量[ijk]T。对精加工刀路文件进行后置处理，转换 为数控加工程序。数控程序中，加工路径各点表示刀尖点位置信息，G代码行格式为：XXYY ZZΑΘαC0cFF，其中，Χ、Υ、Ζ、ΘΑ、Θ。表示该加工刀尖点的五轴位置坐标，F为其进给率。
[0035]S102、进行刀具让刀量切削实验，获得不同进给率下该种材料在实际精加工切削 量时的切削让刀量，生成进给率F与让刀量ε的实验数据表。
[0036] 根据进给率对加工路径进行让刀量补偿，需要获得让刀量ε与进给率F间的数据 关系，所以进行刀具让刀量切削实验。实验平台不意图如图2所不，图中201为刀具，202为 毛坯，203为激光测距仪，204为激光，205为读数器。机床进行三轴切削，每次进刀切削量 S〇为原规划精加工刀路的切削量，转速S与精加工相同，进给率F为实验变量，根据一定规 律选取，范围应包括精加工有效切削的最小进给率Fmin和最大进给率Fmax，激光测距仪记录 每次切削前后的位置读数，差值即为实际切削量S，则让刀量ε=Sci-S。选取不同进给 率F进行试验，可获得不同进给率下的让刀量ε，形成让刀量ε与进给率F的数据关系表， 如表1所示，表1中：Ss、δs、Fmin、Fmax分别表示零件精加工的转速、切削量、有效切削时的 最小进给率以及最大进给率。另外，实验的注意事项包括以下方面：（I)实验方块毛坯材料 与所要加工的零件材料相同；（II)实验所用刀具及转速与实际零件精加工时一致；（III) 实验切削量与实际零件精加工切削量相当；（IV)实验进给率按一定规律选取，并应包括步 骤SlOl中数控程序所包含的有效切削进给率。（V)实验应尽可能多地获取让刀量数据，可 多次测量取平均值。
[0037]
【权利要求】
1. 一种对弱刚性刀具多轴加工路径进行让刀补偿的方法，其特征在于，包括如下步 骤： 5101、 根据零件的几何形状和工艺参数生成精加工刀路文件，并进行后置处理，将精加 工刀路文件转换成数控程序； 5102、 进行刀具让刀量切削实验，获得不同进给率下该种材料在实际精加工切削量时 的切削让刀量，生成进给率F与让刀量ε的实验数据表； 5103、 对步骤SlOl的精加工数控程序代码行中各轴坐标和进给率进行逐行解析提取， 获得加工路径中各点的各轴坐标和名义进给率； 5104、 根据步骤S103获得的所有加工点各轴坐标计算各加工点各轴的位移量，并计算 合成位移量； 5105、 根据步骤S103获得的加工路径各点名义进给率和步骤S104计算得到的各点合 成位移量，以机床各轴的极限进给速率为约束，计算各加工点的实际进给率； 5106、 根据步骤S102中进给率与让刀量实验数据表，对步骤S105获得的各加工点实际 进给率进行插值运算，计算各实际进给率下各点的刀具让刀量； 5107、 将步骤SlOl生成的精加工刀路文件导入UG软件中，使用UG-CAD环境API功能 进行二次开发，根据步骤S106计算得到的加工路径各点让刀量对加工路径各刀触点曲面 法向进行反向补偿，获得补偿后的刀位路径； 5108、 将步骤S107中补偿后刀位路径文件进行后置处理，转换成数控G代码后，输入机 床，用于零件实际加工。
2. 根据权利要求1所述的对弱刚性刀具多轴加工路径进行让刀补偿的方法，其特征在 于，所述步骤S102具体包括：机床用三轴功能切削方块毛坯，固定安装好激光测距仪，设定 进给率F与加工切削量，刀具每次切削完成后，使用激光测距仪读取切削面的距离读数，相 邻两次读数的差值即为每次实际切削量，与程序设定的切削量进行比较，即可获得在该进 给率F下的刀具让刀量ε ;设置不同的进给率，可得到各个进给率下刀具让刀量，从而生成 进给率F与让刀量ε的实验数据表。
3. 根据权利要求2或1任一项所述的对弱刚性刀具多轴加工路径进行让刀补偿的方 法，其特征在于，所述步骤S105具体包括： 51051、 解析提取加工点的名义进给率，根据步骤S104获得的合成位移量，计算加工路 径的名义走刀时间t ; 51052、 以机床各轴的极限进给速率为约束，根据步骤S104中获得的程序走刀路径各 轴位移量，分别计算机床各轴以极限进给率完成该轴位移量所需要的时间t x，ty，tz，tA，t。。 将tx，t y，tz，tA，t。分别与步骤S1051中计算得到的名义走刀时间t进行比较，若均小于或 等于t，则该段加工路径实际进给率为名义进给率；若t x，ty，tz，tA，t。中存在数值大于t，则 取t x，ty，tz，tA，t。中的最大值，设为tmax，计算该段加工路径的实际进给率； 51053、 依次对各加工点执行步骤S1051和步骤S1052,获得所有加工路径段的实际进 给率。
4. 根据权利要求3所述的对弱刚性刀具多轴加工路径进行让刀补偿的方法，其特征在 于，所述步骤S107具体包括： S1071、计算加工路径中各刀尖点对应的刀心点坐标； 51072、 获取加工路径各刀尖点对应的加工刀触点坐标； 51073、 根据刀触点曲面法向，计算反向补偿后的新刀触点坐标； 51074、 根据新刀触点坐标计算新刀心点坐标； 51075、 根据新刀心点坐标计算新刀尖点坐标； 51076、 对步骤SlOl中生成的精加工刀路文件中各刀尖点逐一执行步骤S1071至 S1075,获得让刀量反向补偿后的所有新刀尖点坐标，替换原精加工刀路文件中的刀尖点坐 标，获得补偿后的刀位路径。
【文档编号】G05B19/404GK104317246SQ201410432928
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年8月27日 优先权日:2014年8月27日
【发明者】代星, 唐祥武, 严思杰, 鄢龙志, 丁汉 申请人:华中科技大学无锡研究院