任成高，龙华，申晓龙

（湖南工业职业技术学院，湖南长沙，410208）



五轴数控机床加工叶片的刀具轨迹规划与误差补偿

任成高，龙华，申晓龙

（湖南工业职业技术学院，湖南长沙，410208）

［摘要］针对五轴数控机床加工复杂薄壁叶片的要求，分析了刀位点对应的接触点及其曲面法矢量形成的叶片刀具路径轨迹规划，应用沿体对角线快速进行数控机床误差的高效测量，提出了一种分步解耦补偿方法。

［关键词］五轴数控机床；薄壁叶片；轨迹规划；体对角线测量；误差补偿

The Tool Path Planning and Error Compensation for Five-Axis CNC Machine Tool Processing Blade

REN Cheng-gao，LONG Hua，SHEN Xiao-long
（Hunan Industry Polytechnic, Changsha 410208, Hunan）

［Abstract］According to processing requirements of complex thin-walled leaves of five axis NC machine tool, this paper analyzes the contact point of cutter location point, and the trajectory planning of the blade cutting tool path formed by the hook face vector, and efficiently measures the error of NC machine tool by using the body diagonal, and proposes a distributed decoupling compensation method.

［Key words］five-axis CNC machine tools; thin blade; trajectory planning; the diagonal measurement; error compensation

1.前言

随着现代制造业升级和数控加工技术的发展，三轴联动数控机床已经广泛普及，我国制造企业正在大量引进，使用四轴、五轴数控联动机床实现复杂曲面零件的高精度、高速加工。

五轴数控机床通常是指具有三个线性移动轴、二个转动轴由旋转/摆动工作台来实现的数控机床，旋转/摆动工作台通常水平或垂直安装在机床工作台面上，实现各种回转分度工作。在回转工作台面上可安装板、盘或利用与它相配套的尾座安装棒放置形状复杂的加工零件，可避免因多次装夹造成的安装误差，从而可以达到一次装夹就完成几何形状复杂的复合曲面加工，保证零件形位精度、提高加工质量，满足现代制造产业“多轴、工艺复合、精密、高效”的加工要求。

2.叶片加工刀具接触点轨迹规划

2.1国内叶片加工现状

叶片是叶轮的关键零件，叶片型面复杂，形状多为自由曲面或空间直纹面等复合曲面，叶根圆角由多个变直径的圆弧组成。我国在多轴精密数控制造技术方面起步较晚，虽然最近几年来引进不少先进的精密数控设备，但由于在变形预测和补偿理论上的不完善，我国目前制造企业在复合曲面高精密制造技术方面还无法取得实质性的突破进展[1]。如何实现对数控机床加工叶片复合曲面的刀具路径轨迹规划与误差补偿，有效提高叶片加工的精度和表面质量已成为制约我国高精密制造产业发展的“瓶颈”问题。

2.2叶片刀具路径轨迹规划

对叶片复合薄壁曲面的受力变形分析，可得到叶片在多轴数控机床加工过程中铣削力作用点的位置，即刀具路径轨迹，从而做到研究力、叶片变形量及径向切深间的相互作用。描述空间复合薄壁型面常用B曲面或非均匀三次有理B样条曲线，直纹面叶片的母线是直线，其引线为三次B样条曲线。直纹面一般采用侧铣加工方式来保证加工精度和表面质量，自由曲面通常为B曲线，可以采用点铣方式加工提高加工效率[2]。

叶片型面可采用B样条法、插值法、NURBUS曲线法等多种造型方法，利用MATLAB计算曲面密化后的数据点，再导入CAD/CAM软件生成叶片型面三维图。由于叶片曲面通常具有较大的扭曲度，叶片流道开粗加工一般采用键槽铣刀，精加工采用球头铣刀。假若刀轴矢量不恰当，因球头铣刀底部无切削刃，如果球头铣刀底部参与切削，会对叶片加工质量产生不良影响，叶轮加工中的刀具过切工艺问题和刀具干涉是合理规划刀具路径的关键点[3]。

图1叶片加工刀具轨迹图

注意做到正确规划刀具轨迹、制定合理加工工艺、消除刀具过切和干涉，保证加工精度和表面质量、提高加工时效。叶轮有侧刃铣削和点铣两种加工方式。侧刃铣削通常适合于直纹面加工，但在加工自由曲面时易造成欠切或过切；球头刀因法矢自适应性、刀轴控制方便，故自由曲面常采用球头刀点铣加工。叶轮的流道开粗采用自上而下的顺序，为提高叶轮的加工精度和表面质量，其叶片在半精加工、精加工中采用顺铣方式[4]。刀具加工轨迹规划包含刀轴矢量、刀心点坐标信息，如图2所示。将刀尖点P沿刀矢量N偏置刀具半径，知刀心点坐标O，求O点U切矢、V切矢，叉乘得刀心法矢n，将O点沿法矢n偏置刀具半径R，可得刀触点T[5]。

图2刀具接触点计算

图3叶轮的CAD/CAM几何造型

3.叶片加工误差补偿原理与数控机床误差的高效测量

3.1叶片加工误差补偿原理

叶片加工离线控制修正刀位补偿法，通过分析、计算加工过程铣削力大小和变形量，该法对自由曲面补偿效果明显，见图4所示。因实际加工存在变形，最终补偿轨迹与理想曲线仍会存在相应误差，该误差虽然不断减小、但很难全部消除。刀具路径补偿的刀位点镜面补偿法，是指当切削力施加在工件上，因工件变形而引起的加工误差，对刀位点实施变形量的反方向过程的补偿。如图5所示[6]。

图4变形补偿原理

图5刀具路径补偿

薄壁叶片曲面的铣削过程中，刀具的刚度远大于工件的刚度，该方法综合考虑铣削力、径向切深和变形量经过多次迭代耦合平衡状态的影响，适合于加工精度较高的场合。即：

3.2数控机床误差的高效测量

误差补偿的前提是对数控机床存在的空间定位误差进行测量，高精度的激光干涉仪是数控机床定位误差最常用的测量工具。

3.2.1机床误差体对角线测量法

国际标准ISO230-6[7]是一种沿体对角线进行机床精度检验方法，分步对角线测量原理如图6所示。假设P0和P1是对角线两个测量点，沿对角线方向X、Y、Z轴进给增量Dx、Dy、Dz分步测量，机床工作空间的4条体对角线测得12组数据，包含了各轴运动时产生的所有误差，从而可以获得更多信息，测量时实际安装位置见图7。

图6分步体对角线测量法

图7测量时实际安装位置图

3.2.2旋转轴转角误差分步测量法

双转台旋转轴五轴机床由于实际加工中转角与理论值存在一个差值，即转角的定位误差。旋转轴转动一个角度θ，可测量实际的转角θ′，其差值就是转角定位误差，通过线性插补绘制出0～360°误差曲线作为转角误差补偿依据[8]。

图8旋转轴转角定位误差分步测量

图9五轴机床旋转轴的布置形式

双转台布置的两个转轴存在主次依赖关系，A轴的轴线是虚拟的，其旋转角度与反射镜的旋转角度相同，利用分步测量法测得各位置转角定位误差值，为误差补偿实施做准备。

4.五轴数控机床误差补偿的实施与应用

五轴机床误差补偿的实施，即通过对各运动轴输入一个相应的补偿值来调整运动轴上的刀具和工件的实际姿态和位置来实现的，也就是先进行姿态调整补偿，再进行位置调整补偿。

图10实施误差补偿的五轴数控机床现场

图10为在双转台五轴机床XHK716/5进行空切削状态下空间误差的测量和补偿试验。在五轴机床上对叶片曲面轮廓零件进行实际加工，先应用CAD/CAM软件进行仿真分析，实体造型生成刀位数据文件。然后在加工轮廓表面选择10个采样点，计算得到该点的零件尺寸误差[9]。

图11采样误差补偿结果

5.结论

基于B曲面理论，分析了刀位点对应的接触点及其曲面法矢量，在修正刀位离线控制刀具路径误差补偿方法的基础上，沿用体对角线快速进行数控机床误差的高效测量，针对五轴数控机床提出了一种分步实施的解耦补偿方法。

[参考文献]

[1]陈天福,张平,饶宇辉.五轴联动数控3D刀具半径补偿后置处理的实现[J].机床与液压，2013,41(5):56-58.

[2]蔡永林.任意曲面三元叶轮多坐标数控加工关键技术的研究[D].西安交通大学，2002.

[3]刘雄伟等.航空发动机薄壁叶片精密数控加工技术研究[J].机械科学与技术，2004，(3):329-331.

[4]孙晶.闭式叶轮数控粗加工的刀具轨迹规划研究[D].北京交通大学，2009.

[5]梁全.叶轮五坐标数控铣削CAM和CNC关键技术的研究[D].哈尔滨工业大学，2009.

[6]林立.复杂薄壁叶片加工误差分析与研究[D].北京交通大学，2011.

[7]ISO 230-6: 2002 Test code for machine tools - Part 6: Determination of positioning accuracy on body and face diagonals（Diagonal displacement tests）,an International Standard, by International Standards Organization, 2002.

[8]张宏韬,杨建国等.双转台五轴数控机床误差实时补偿[J].机械工程学报，2010,46(21):143-148.

[9]张宏韬.双转台五轴数控机床误差的动态实时补偿研究[D].上海交通大学，2011.

［作者简介］任成高(1966- )，女，湖南岳阳人，湖南工业职业技术学院副教授，研究方向：机械工程，机械制造与自动化；龙华(1972- )，女，湖南常德人，湖南工业职业技术学院副教授，研究方向：数控技术，机械制造与自动化。

［基金项目］湖南省科技厅科技计划项目（项目编号：2013GK3048）。

［收稿日期］2015-11-3

［中图分类号］TG661

［文献标识码］A

［文章编号］1671-5004（2016）01-0001-04