复杂曲面的加工误差分析

汤慧，陈岳坪，陈大伟，周晓慧，李书平

（广西科技大学机械工程学院，广西柳州545006）

复杂曲面的加工误差分析

汤慧，陈岳坪*，陈大伟，周晓慧，李书平

（广西科技大学机械工程学院，广西柳州545006）

针对数控加工复杂曲面零件的加工误差评定问题，采用离线检测方案坐标测量法进行评定.利用超高精度三坐标测量机进行检测，可以获得测量点的坐标值.建立复杂曲面加工误差坐标测量的数据处理模型，再进行计算，得到复杂曲面加工误差的大小及其分布.通过一个复杂曲面的零件实例分析证明，提出的坐标测量法是一种快速而有效的评定复杂曲面加工误差的方法.

加工误差；复杂曲面；坐标测量；误差评定

0　引言

在使用数控机床加工的过程中，加工误差不可避免.为了获得数控加工高质量的曲面零件，对零件曲面的加工误差进行分析是关键环节之一.数控加工误差产生的原因很多，主要是由加工方法、被加工的零件固定与否、零件热变形误差及刀具尺寸误差等引起［1-3］.加工误差分析有在线和离线2种方案，在线检测是将加工和检测集成在一起，避免二次装夹引起的误差，减少了测量时间，但是现有的在线检测系统发展还不成熟，存在检测精度不够等问题［4-5］.离线检测方案发展的比较成熟，具有测量精度高、应用广泛的特点［6-8］.本文采用离线检测方案——坐标测量法，利用高精度三坐标测量机对零件曲面进行测量，获得测量点坐标值后进一步处理，通过计算，可确定加工误差的值.

1　复杂曲面加工误差理论分析

复杂曲面加工误差一般用曲面上理论点沿着法向方向上的误差进行描述，即加工曲面到理论曲面之间的法向距离，从而转换为实际测量点到理论曲面的最小距离.假设实测点坐标为p（XA，YA，ZA），其对应的法线为n，n与理论曲面相交于点p*，即实测点在理论曲面上的对应点，设理论点的坐标为p*（XT，YT，ZT），p与p*之间的距离为实测点p到理论曲面的最小距离（即曲面加工误差ε），如图1所示，曲面加工误差ε可表示为［9］：

其中，ε是曲面上每个点的加工误差；XT，YT，ZT是理论点p*的坐标值；XA，YA，ZA是实际测量点p的坐标值.

图1　点到曲面最小距离Fig.1 The minimum distance from point to surface

2　复杂曲面加工误差实验研究

本文提出的坐标测量法求取加工误差的方法，通过一个复杂曲面零件实例进行验证.

2.1研究实验准备

实验所需软硬件配置如图2所示.

·一台集成数控机床和三坐标测量机端口连接的计算机，且安装了Quindos测量软件；

·M-VD85三轴立式加工中心，数控系统为Fanuc 0i-MD系统；

·海克斯康Leitz Reference HP三坐标测量机，尺寸测量的最大允许示值误差MPEE为0.9+L／400μm［9］.

2.2建立零件几何模型

被加工零件的几何模型由UG所生成，如图3所示.

图2　实验研究设备Fig.2 Research stand scheme

图3　三维复杂曲面Fig.3 3D complex surface

2.3编程与加工

将建好的几何模型转换成对应的格式导入Master-cam软件中，建立工件坐标系后，设定参数，具体加工参数设置如表1所示.实验零件材料为铝合金，毛坯尺寸为80mm×80mm×17mm.加工设备采用型号为M-VD85三轴立式加工中心，其数控系统为Fanuc 0i-MD系统.通过Mastercam软件生成零件加工的刀具路径，如图4所示.

表1　加工参数设置Tab.1 Processing parameters setting

图4　刀具路径Fig.4 Tool paths

在模拟数控加工后，利用Mastercam的后置处理程序生成NC代码.通过计算机端口，利用数据线相连，将NC代码直接从计算机传输到数控机床，并装夹好工件和设置好刀具参数，执行NC代码，进行零件加工，如图5所示.

2.4复杂曲面检测

将加工完成的零件移至高精度三坐标测量机工作台进行检测.将被测零件的几何模型通过UG转换为IGES格式的文件导入Quindos软件中，运用3－2－1法建立工件坐标系再进行检测.利用Quindos检测软件对零件曲面分布测点和规划测量路径，在零件曲面上采集900个数据点，如图6所示.曲面的测量过程如图7所示.

图5　曲面零件数控加工Fig.5 NC machining of curved surface part

图6　检测点分布Fig.6 Distribution of detection points

图7　曲面检测Fig.7 Surface detection

2.5实验结果

在完成检测后，获得了每个测量点的坐标值.将每个点的坐标值代入公式（1）中，就可以得到每个点的加工误差ε.

该曲面零件加工误差分布图和加工误差直方图分别如图8和图9所示.由图8~图9可见，零件曲面的加工误差的分布接近正态分布，呈现“两头小，中间大”的趋势，其最大加工误差是39.8μm，平均误差是7.9μm，标准差是1.2μm.针对这些误差进行加工误差补偿，以提高数控加工复杂曲面的加工精度.

图8　零件加工误差分布图Fig.8 Machining error distribution of part

图9　零件加工误差直方图Fig.9 Histogram of machining error

3　结论

坐标测量法是一种快速而有效的评定曲面加工误差的方法，尤其对复杂曲面加工误差的评定.根据检测获得每个测量点的坐标值，通过计算可以得到加工误差，从而对加工数控代码进行修改补偿，再加工，就能获得精度更高的零件产品.总之，坐标测量法应用于现代工业，对获得高质量的产品至关重要.

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（学科编辑：黎娅）

Analysis of machining error of complex surface with CNC machine tool

TANG Hui,CHEN Yue-ping*,CHEN Da-wei,ZHOU Xiao-hui,LI Shu-ping
（School of Mechanical Engineering,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006,China）

Aiming at machining error in machining complex surface parts with CNC machine tools,the off-line detection scheme coordinate measuring method is used.Coordinate measuring point values can be obtained through inspection with high precision coordinate measuring machine.The values and distribution of machining errors of complex surfaces can be obtained by using the data processing model,which is based on the measurement of complex surface profile errors.The coordinate measuring method is proved to be a fast and effective method to evaluate the machining errors of complex surface by analyzing the part with a complex curved surface.

machining error;complex surface;coordinate measurement;error evaluation

T H161

A

2095-7335（2016）03-0017-04

10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2016.03.003

2016-05-07

国家自然科学基金资助项目（51565006）；广西自然科学基金资助项目（2014GXNSFAA118337）；广西高校科研资助项目（2013ZD048）；广西高校重点实验室主任基金（2014JZKG005）；广西工学院博士基金资助项目（院科博12Z15）资助.

＊陈岳坪，博士，副教授，研究方向：精密检测技术，chenyueping99＠126.com.