CN104317246B - 一种对弱刚性刀具多轴加工路径进行让刀补偿的方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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

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

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。

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

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。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一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：

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；

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；

S103、对步骤S101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；

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；

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；

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；

S107、将步骤S101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；

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。

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。

特别地，所述步骤S105具体包括：

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；

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t_x，t_y，t_z，t_A，t_C。将t_x，t_y，t_z，t_A，t_C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，t_y，t_z，t_A，t_C中存在数值大于t，则取t_x，t_y，t_z，t_A，t_C中的最大值，设为t_max，计算该段加工路径的实际进给率；

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。

特别地，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；

S1072、获取加工路径各刀尖点对应的加工刀触点坐标；

S1073、根据刀触点曲面法向，计算反向补偿后的新刀触点坐标；

S1074、根据新刀触点坐标计算新刀心点坐标；

S1075、根据新刀心点坐标计算新刀尖点坐标；

S1076、对步骤S101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。

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。

附图说明

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；

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

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。

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。

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：

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。

计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing，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：XX YY ZZ Aθ_A Cθ_C FF，其中，X、Y、Z、θ_A、θ_C表示该加工刀尖点的五轴位置坐标，F为其进给率。

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。

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。实验平台示意图如图2所示，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δ₀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F_min和最大进给率F_max，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δ，则让刀量ε＝δ₀-δ。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：S_精、δ_精、F_min、F_max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S101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。

表1

S103、对步骤S101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。

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。

机床各轴受极限进给率的影响，有时会出现机床无法达到给定进给率，而只能以小于给定进给率行进的情况，因此需要计算实际进给率以便更好地补偿实际让刀量。实际进给率F_r的计算，要先计算各加工路径段的合成位移量。各加工路径段合成位移量的获得需要经过以下三个步骤：解析提取精加工数控程序代码行中各轴坐标和进给率，获得加工路径中各点的各轴坐标和名义进给率。

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。

对根据步骤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逐一计算名义走刀时间，并以机床各轴的极限进给速率为约束，判断加工中各点能否以名义进给率进行加工，若不能，则计算各点的实际进给率，如能，则名义进给率即是实际进给率，最终获得所有加工点的实际进给率；

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。

通过加工路径所有有效切削进给率所对应的让刀量进行反向补偿，因此需要程序各个进给率下的让刀量值，而刀具让刀量切削实验所选取的进给率不可能包含精加工数控程序中的所有有效切削进给率，所以在进行加工路径让刀量反向补偿前，需要对精加工中的进给率插补计算其对应的实际让刀量。

S107、将步骤S101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。

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。

下面以某一叶片刚性相对加工刀具较强的整体叶盘多轴加工为例，来说明实现本发明具体过程(加工刀具为球头铣刀)。

首先，根据整体叶盘叶片的几何形状和工艺参数在某商用CAM软件中，生成叶片精加工刀路文件，并进行后置处理转换成数控程序。设数控程序加工代码中第n个加工点的G代码行为XX_n YY_n ZZ_n Aθ_An Cθ_Cn FF_n。

然后进行刀具让刀量切削实验，实验平台如图2所示，实验结果数据如表1所示，记录让刀量ε与进给率F的数据关系。

实验完成后，解析提取数控程序加工路径中各刀尖点的各轴位置坐标和名义进给率，以第n个点的G代码为例，按关键字X、Y、Z、A、C、F提取该刀尖点各轴位置坐标X_n、Y_n、Z_n、θ_An、θ_Cn和名义进给率F_n。依次对数控程序所有加工点执行此操作，可得到所有刀尖点的各轴位置坐标和名义进给率。

接着计算各段走刀路径的各轴位移量。从上一步中，可得数控程序加工路径中第n+1个点的各轴位置坐标为X_n+1、Y_n+1、Z_n+1、θ_A(n+1)、θ_C(n+1)，则程序第n段走刀路径的各轴位移量为ΔX_n＝X_n+1-X_n，ΔY_n＝Y_n+1-Y_n，ΔZ_n＝Z_n+1-Z_n，ΔA_n＝θ_A(n+1)-θ_An，ΔC_n＝θ_C(n+1)-θ_Cn。依次运算，同样可得到所有加工程序路径段的各轴位移量。

到此，可计算各加工路径段的合成位移量。第n段走刀路径的合成位移量为按顺序计算，可获得数控程序所有加工路径段的合成位移量。

下面计算各加工点的实际进给率。第n个加工点的实际进给率计算的具体步骤为：

(i)计算第n段加工路径的名义走刀时间t_n＝dis_n/F_n。

(ii)以机床各轴的极限进给率F_XlimF_YlimF_ZlimF_AlimF_Clim为约束，并根据数控程序第n段走刀路径各轴位移量ΔX_nΔY_nΔZ_nΔA_nΔC_n，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_xn＝ΔX_n/F_Xlim，t_yn＝ΔY_n/F_Ylim，t_zn＝ΔZ_n/F_Zlim，t_An＝ΔA_n/F_Alim，t_Cn＝ΔC_n/F_Clim。将t_xn、t_yn、t_zn、t_An、t_Cn分别与步骤(i)中计算得到的名义走刀时间t_n进行比较，若均小于或等于t_n，则该段加工路径实际进给率为名义进给率t_n，即实际进给率F_rn＝F_n；若t_xn、t_yn、t_zn、t_An、t_Cn中存在数值大于t_n，则取t_xn、t_yn、t_zn、t_An、t_Cn中值最大者，设为t_nmax，计算该段加工路径的实际进给率F_rn＝dis_n/t_nmax。

(iii)依次对各加工点进行步骤(i)和步骤(ii)，可获得所有加工路径段的实际进给率。

接着进行插补运算，计算各实际进给率下各点的刀具让刀量。首先根据刀具让刀量切削实验形成的让刀量ε与进给率F数据关系表，检索判断第n个加工点的实际进给率F_rn落入的实验进给率区间[F_i,F_i+1]，即F_i≤F_rn≤F_i+1，F_i、F_i+1对应的让刀量为ε_i、ε_i+1，通过插值公式可计算第n个加工点在实际进给率F_rn下的刀具让刀量逐一对所有加工点进行该运算，可得到各点在其实际进给率下的刀具让刀量。

最后对加工路径进行让刀量反向补偿。把原精加工刀路文件导入UG软件中，执行UG-CAD环境API功能二次开发插件，实现加工路径让刀量的反向补偿。

让刀量反向补偿的具体实现方法如下：首先计算加工路径中各刀尖点对应的刀心点坐标。精加工刀路文件各刀位点记录刀尖点信息，设刀路文件中第n个刀尖点信息为x_nny_nnz_nni_nj_nk_n，前三个参数x_nn,y_nn,z_nn表示刀尖点坐标，后三个参数i_nj_nk_n表示刀轴矢量。加工刀具为球头铣刀，设球头铣刀的半径为R，计算该刀尖点对应的刀心点坐标(x_cn,y_cn,z_cn)，计算公式为x_cn＝x_nn+R*i_n，y_cn＝y_nn+R*j_n，z_cn＝z_nn+R*k_n。

然后获取加工路径各刀尖点对应的加工刀触点坐标。刀触点指的是加工路径刀心点按曲面法向投影到所加工叶片曲面上的点坐标，记为(x_n,y_n,z_n)。

接着根据刀触点曲面法向，计算反向补偿后的新刀触点坐标。前述已得到各加工点实际进给率下的刀具让刀量ε_rn，逐点对加工路径刀触点(x_n,y_n,z_n)进行反向补偿，补偿量即为该点的让刀量相反数(-ε_rn)，补偿方向为曲面的法向。设第n个加工点所在曲面法向矢量为(i_cn,j_cn,k_cn)，补偿后新刀触点坐标记为(x_n1,y_n1,z_n1)，计算公式为x_n1＝x_n+(-ε_rn)*i_cn，y_n1＝y_n+(-ε_rn)*j_cn，z_n1＝z_n+(-ε_rn)*k_cn。

根据新刀触点坐标反求新刀心点坐标。新刀心点坐标记作(x_cn1,y_cn1,z_cn1)，计算公式为x_cn1＝x_n1+R*i_cn，y_cn1＝y_n1+R*j_cn，z_cn1＝z_n1+R*k_cn。

再根据新刀心点坐标计算新刀尖点坐标。新刀尖点坐标记为(x_nn1,y_nn1,z_nn1)，计算公式为x_nn1＝x_cn1-R*i_n，y_nn1＝y_cn1-R*j_n，z_nn1＝z_cn1-R*k_n。

对CAM软件生成的原精加工刀路文件中各刀尖点逐一进行上述运算，获得让刀量反向补偿后的所有新刀尖点坐标，一一替换原精加工刀路文件中的刀尖点坐标。至此，让刀量反向补偿加工路径过程完成，形成补偿后的精加工路径文件。将补偿后的精加工路径文件作为实际加工路径文件，进行后置处理转换成数控G代码后，导入MIKRON UCP 800机床中用于整体叶盘叶片精加工，有效补偿了弱刚性多轴加工中引起的刀具让刀误差，并在一次加工情况下得到合格叶片，也保证了加工效率，这在机械加工领域具有提高加工质量而又保证加工效率的技术效果。

本发明的技术方案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。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (4)

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：

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；

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；

S103、对步骤S101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；

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；

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；

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；

S107、将步骤S101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；

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。

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：

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；

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t_x，t_y，t_z，t_A，t_C；将t_x，t_y，t_z，t_A，t_C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，t_y，t_z，t_A，t_C中存在数值大于t，则取t_x，t_y，t_z，t_A，t_C中的最大值，设为t_max，计算该段加工路径的实际进给率；

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。

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；

S1072、获取加工路径各刀尖点对应的加工刀触点坐标；

S1073、根据刀触点曲面法向，计算反向补偿后的新刀触点坐标；

S1074、根据新刀触点坐标计算新刀心点坐标；

S1075、根据新刀心点坐标计算新刀尖点坐标；

S1076、对步骤S101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。