基于非可展直紋面的側銑誤差補償裝置及其刀位規(guī)劃方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及機械加工領域，具體涉及一種基于非可展直紋面的側銑誤差補償裝置 及其刀位規(guī)劃方法。
【背景技術】
[0002] 非可展直紋面由直母線沿導線掃掠形成，是非可展的，將曲面離散可以得到曲面 上多條方向各不相同的直線。由于其直母線上各點的法矢方向不同，只要使用半徑不為零 的刀具側銑，必定會產生過切和欠切誤差，而且在加工過程中由于機床-工件組成的工藝系 統(tǒng)產生振動、傳動鏈存在間隙以及執(zhí)行機構磨損，會使刀具運動偏離理想軌跡，造成加工誤 差，對于非可展直紋面來說，這些誤差是致命性的，不但不能達到最終的加工要求，甚至會 使加工零件報廢。

【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種在線監(jiān)測、實時調整、減小誤差、提高加工 效率且能有效提升加工質量的基于非可展直紋面的側銑誤差補償裝置及其刀位規(guī)劃方法。
[0004] 為解決以上技術問題，本發(fā)明采用如下技術方案： 技術方案一： 一種基于非可展直紋面的側銑誤差補償裝置，包括裝夾盤、工件以及設置在工件上方 用于側銑加工的銑刀，所述工件設置在裝夾盤上，其特征在于:還包括三維掃描儀、微機、立 柱以及刀位補償機構，所述刀位補償機構設置在裝夾盤下方;所述刀位補償機構包括:第一 平移臺、第二平移臺、第一螺母副、第一絲杠、第二螺母副、第二絲杠、第一伺服電機以及第 二伺服電機;所述第一螺母副設置在第一平移臺下方，所述第一絲杠通過滾珠與第一螺母 副相配合，所述第一絲杠與第一伺服電機輸出端連接，所述第二螺母副設置在第二平移臺 下方，所述第二絲杠通過滾珠與第二螺母副相配合，所述第二絲杠與第二伺服電機輸出端 連接;所述三維掃描儀設置在立柱上，所述立柱設置在第一平移臺上，所述三維掃描儀與微 機相連，所述第一伺服電機與第二伺服電機通過邏輯控制板與微機連接，所述微機通過伺 服驅動器與銑刀的主軸相連。所述第一絲杠與第一螺母副的個數(shù)為2個，并平行設置在第一 平移臺下方;所述第二絲杠與第二螺母副的個數(shù)為2個，并平行設置在第二平移臺下方。所 述第一絲杠與第二絲杠的軸線相互垂直。
[0005] 技術方案二： 本發(fā)明的刀位規(guī)劃方法步驟如下(利用基于非可展直紋面的側銑誤差補償裝置）： ① 通過三維掃描儀測得實時加工零件三維模型圖的數(shù)據； ② 將測得模型數(shù)據與設計曲面進行比對，利用四點偏置法生成初始刀位： 201對設計曲面和等距面進行定義，設計曲面方程為S(u，v) = (l-v)B〇(u)+vBi(u)，u，v e[0，l]，其中u，v為曲面的曲線坐標，其等距曲面定義為S (u，v) = S(u，v)+R · n(u，v)，其 中R為柱刀刀具半徑，BoUWPBKu)為兩條曲線的矢徑，n(u，v)為曲面單位法矢，以等距面和 刀軸軌跡面之間的極差表示曲面加工誤差； 202選取設計曲面一直母線兩端點，提取其等距面上對應的點P〇、P3,偏置距離為刀具 半徑;203引入λ，分別以ν = λ和ν=1-λ選定中間兩點PLP2的位置，其中ve[0，l]，其數(shù)值表 示點在刀軸的位置，分別用E 1和E2表示兩點與設計曲面等距面之間的極差； 204固定Po點，令P3點在也"⑷上滑動，可以得到一族P〇P3,各刀位P3點滑動范圍設定為 [uo-0 · 5h，u0+0 · 5h]，其中uo為201中P3A初始u坐標值，h為走刀步長與準線長度之比，設定 標準值ε，分別計算每一步中EzEf+E/，當滿足Ε〈ε時，PoP 3即確定為初始刀位； 205選取設計曲面下一條直母線上兩點并重復上述步驟，計算出所有初始刀位； ③ 利用最小二乘法生成優(yōu)化刀位： 301將初始刀位擬合成曲面，初始刀軸軌跡面表示為：
'其中v為直母線方向參 數(shù)， Ni,k(u)為B樣條基函數(shù)，bi和di為兩準線控制頂點； 302在設計曲面的等距面上取Μ個數(shù)據點Ps(s=0，l，...，M-1)，將其在刀軸軌跡面上的對應 點(us, vs)，代入步驟301的表達式
303將bjPcU當做未知量，利用最小二乘法對步驟302的式子進行計算，得到優(yōu)化后的 刀位信息； ④ 針對生成的優(yōu)化刀位進行檢測，如果存在干涉，計算偏轉角度Θ，通過微機調控伺服 驅動器完成對銑刀的刀軸調整;如果不存在干涉，采用優(yōu)化刀位進行加工。
[0006] 所述步驟③中對銑刀的刀軸進行調整時，微機通過邏輯控制板控制第一伺服電 機、第二伺服電機驅動第一平移臺、第二平移臺完成輔助定位。
[0007] 所述步驟③通過二次搜索法確定該刀位最大過切點;然后沿該點法線方向偏轉角 度Θ。
[0008] 所述最大過切點法線方向偏轉角度Θ利月

-確定，即通過x，y的正切比值tan0 =:^·確定9。
[0009] 本發(fā)明的積極效果如下：本發(fā)明通過三維掃描儀對加工的非可展直紋面的三維模 型數(shù)據進行采集，這就保證了工序中在線實時監(jiān)測，極大地減小了加工誤差;本發(fā)明采用四 點偏置的方式對非可展直紋面五軸側銑刀具路徑進行規(guī)劃，并對其是否有干涉進行在線實 時判斷，根據判斷的結果進行在線調整，在減小加工誤差的同時避免了加工過程中的碰撞， 實現(xiàn)快速、高效加工的目的；本發(fā)明對生成的刀位進一步優(yōu)化，并由誤差補償裝置配合完 成，進一步降低了誤差;本發(fā)明通過微機控制刀軸、第一平移臺與第二平移臺協(xié)同完成刀位 生成與刀軸調整，更加貼近非可展直紋面的表面輪廓，使加工過程更加平穩(wěn)，有效保證了加 工精度。
【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明結構不意圖； 圖2為本發(fā)明曲面關系示意圖； 圖3為本發(fā)明方法的流程圖； 圖4為本發(fā)明四點偏置法模型示意圖； 圖5為本發(fā)明刀軸矢量偏轉模型示意圖； 圖6為本發(fā)明刀軸偏轉角度示意圖； 圖7為本發(fā)明刀具過切誤差示意圖； 圖8為本發(fā)明非可展直紋面五軸側銑加工方法的流程圖； 圖9為本發(fā)明設計曲面生成等距面示意圖； 圖10為本發(fā)明初始刀位加工誤差分布示意圖； 圖11為本發(fā)明優(yōu)化后刀位加工誤差分布示意圖。 在圖中：1工件、2銑刀、3三維掃描儀、4裝夾盤、5第一平移臺、6第二平移臺、7螺母副、8 絲杠、9第一伺服電機、10第二伺服電機、11微機，S1為設計曲面，S2為刀具包絡面，S3為設計 曲面的等距面，S4為刀軸軌跡面，R為刀具半徑，0為刀心點，0'為旋轉后的刀心點。
【具體實施方式】
[0011]下面結合附圖和具體實例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0012] -、本發(fā)明裝置的實施例： 實施例1 如圖1所示，一種基于非可展直紋面的側銑誤差補償裝置，包括裝夾盤4、工件1以及設 置在工件1上方用于側銑加工的銑刀2,所述工件1設置在裝夾盤4上，其特征在于:還包括三 維掃描儀3、微機11、立柱12以及刀位補償機構，所述刀位補償機構設置在裝夾盤4下方;所 述刀位補償機構包括:第一平移臺5、第二平移臺6、第一螺母副7-1、第一絲杠8-1、第二螺母 副7-2、第二絲杠8-2、第一伺服電機9以及第二伺服電機10;所述第一螺母副7-1設置在第一 平移臺5下方，所述第一絲杠8-1通過滾珠與第一螺母副7-1相配合，所述第一絲杠8-1與第 一伺服電機9輸出端連接，所述第二螺母副7-2設置在第二平移臺6下方，所述第二絲杠8-2 通過滾珠與第二螺母副7-2相配合，所述第二絲杠8-2與第二伺服電機10輸出端連接； 所述三維掃描儀3設置在立柱12上，所述立柱12設置在第一平移臺5上，所述三維掃描 儀3與微機11相連，所述第一伺服電機9與第二伺服電機10通過邏輯控制板與微機11連接， 所述微機11通過伺服驅動器與銑刀2的主軸相連。
[0013]所述第一絲杠8-1與第一螺母副7-1的個數(shù)為2個，并平行設置在第一平移臺（5)下 方;所述第二絲杠(8-2)與第二螺母副7-2的個數(shù)為2個，并平行設置在第二平移臺6下方。所 述第一絲杠8-1與第二絲杠8-2的軸線相互垂直。本發(fā)明中微機11是PC機或筆記本電腦。 [00M]二、本發(fā)明方法的實施例： 實施例2: 因非可展直紋面的特點是直母線上各點的法矢方向不同，任何半徑不為零的刀具對其 進行側銑都存在理論誤差，刀具包絡面不能與設計曲面完全相切，對于這種曲面的側銑加 工采用曲面逼近加工，如圖2所示，在側銑非可展直紋面刀位規(guī)劃主要有:設計曲面SI，刀具 包絡面S2,設計曲面的等距面S3,刀軸軌跡面S4,銑刀包絡面和刀軸軌跡面是一對等距面， 由微分幾何中等距映射下的極差不變性可知，刀具包絡面和設計曲面的極差與刀軸軌跡面 和設計曲面等距面之間的極差相等，因此可以將刀位的優(yōu)化問題轉變?yōu)槿绾伪M可能減小刀 軸軌跡面和設計曲面等距面的誤差。刀軸軌跡面包含了刀具空間運動的全部信息，因此刀 位規(guī)劃實質上是構造出一個刀軸軌跡面，使刀具包絡面盡可能逼近設計曲面，從而減小加 工誤差。四點偏置法是在兩點偏置法的基礎上對刀軸進行滑移，以刀軸上四點與設計曲面 等距面之間的誤差為限定條件確定刀位的方法。刀軸兩端點由設計曲面上的點直接法向偏 置而來，故加工誤差為零，另外兩點的位置以引入的λ來表示