[发明专利]加工进给速度优化的刀轨曲线轮廓误差补偿方法

说明书

技术领域

本发明属于复杂曲面零件高质高效数控加工领域，特别涉及一种基于加工进给速度优化和刀位点修改的曲面加工刀轨轮廓误差补偿方法。

技术背景

高性能复杂曲面零件在航空航天、能源动力等领域中有着广泛应用，其数控加工技术一直是工业生产领域研究的热点与难点。为保证复杂曲面零件性能，复杂曲面轮廓精度要求极高，导致高性能复杂曲面零件加工效率低。随着我国航空航天、能源动力等领域的快速发展，对高性能复杂曲面零件的需求量不断增加，高性能复杂曲面零件需求量增加与加工效率不高的矛盾日益突出。

采用高进给速度进行加工是提高高性能复杂曲面零件加工效率的重要手段之一。然而，由于数控机床各进给轴伺服控制系统随动误差的存在以及进给轴在“连续路径”运行模式下的运行特点，进给速度较高时，数控机床刀具加工轨迹曲线的轮廓误差明显增加；若数控指令进给速度过高，由于数控机床进给轴的加速度和加加速度的限制，当刀具加工轨迹曲线曲率较大时，实际加工进给速度无法达到理想的数控指令进给速度值，从而产生更大的轮廓误差。针对高性能复杂曲面零件，其刀具加工轨迹往往为曲率变化较大的曲线，导致产生的轮廓误差更加明显，刀具加工轨迹曲线大的线轮廓误差将直接导致高性能复杂曲面零件加工表面的面轮廓精度降低，无法满足高性能复杂曲面零件加工质量要求。因此，基于机床动态特性对加工进给速度进行优化，进而对刀具加工轨迹曲线轮廓误差进行补偿，对提高高性能复杂曲面零件加工精度，进而保证复杂曲面零件性能具有重要意义。

文献“Smooth feedrate planning for continuous short line tool path with contour error constraint”，Jingchuan Dong等，International Journal of Machine Tools and Manufacture，2014，76：1-12，在文献中建立了加工进给速度、刀具加工轨迹曲率半径以及轮廓误差三者之间的关系，提出了以轮廓误差为约束的加工进给速度规划方法，提高了轮廓精度。然而，该方法单纯通过降低加工进给速度提高轮廓精度，若加工进给速度降低程度不大，轮廓精度的提高效果不明显；若加工进给速度降低程度较大，虽然可提高轮廓精度，但会严重影响加工效率。

在文献“Contour error reduction for free-form contour following tasks of biaxial motion control systems”，Ming-Yang Cheng等，Robotics and Computer-Integrated Manufacturing，2009，25(2)：323-333，该文献通过在伺服控制系统中增加前馈控制器、反馈控制器和交叉耦合控制器以及调整进给速度的方法有效降低了轮廓误差。然而，该方法须改进数控机床各进给轴伺服控制系统结构，对高度集成化数控机床适用性降低。

发明内容

本发明要解决的技术难题是针对现有的技术缺陷，高性能复杂曲面零件高进给速度加工中进给轴“连续路径”运行模式下的运行特点、导致刀具加工轨迹曲线大的线轮廓误差、进而导致高性能复杂曲面零件加工表面的面轮廓精度降低的问题，发明了加工进给速度优化的刀轨曲线通用轮廓误差补偿方法，以数控机床动态特性为约束，在最大限度发挥机床性能的前提下优化加工进给速度，在此基础上进行刀具加工轨迹曲线轮廓误差补偿，有效提高高性能复杂曲面零件轮廓加工精度，对高性能复杂曲面零件的高质高效加工具有重大意义。

本发明的技术方案是一种加工进给速度优化的刀轨曲线轮廓误差补偿方法，首先，在高性能复杂曲面零件高进给速度加工中进给轴“连续路径”运行模式下，根据直线插补加工代码中的刀位点和加工进给速度信息，以数控机床进给轴加加速度极限为约束，对加工进给速度进行一次优化；其次，以数控机床进给轴加速度极限为约束，对加工进给速度进行二次优化，保证实际加工进给速度能够达到优化后的指令加工进给速度值；然后，利用三次B样条建模方法，对加工进给速度进行平滑，获得优化后的加工进给速度曲线；最后，利用刀位点和优化后的加工进给速度，计算数控机床各进给轴轮廓误差补偿量，实现刀具加工轨迹曲线轮廓误差补偿，最终提高高性能复杂曲面零件轮廓精度。方法的具体步骤如下：

1)以数控机床进给轴加加速度极限为约束对加工进给速度进行一次优化