畢慶貞

上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海，200240

1 五軸數(shù)控加工簡(jiǎn)介

復(fù)雜曲面零件作為數(shù)字化制造的主要研究對(duì)象之一，在航空、航天、能源和國(guó)防等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，其制造水平代表著一個(gè)國(guó)家制造業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。復(fù)雜曲面零件往往具有形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量要求高等難點(diǎn)，是五軸數(shù)控加工的典型研究對(duì)象。當(dāng)前，復(fù)雜曲面零件主要包括輪盤(pán)類(lèi)零件、航空結(jié)構(gòu)件以及火箭貯箱壁板等，如圖1所示。輪盤(pán)類(lèi)零件是發(fā)動(dòng)機(jī)完成對(duì)氣體的壓縮和膨脹的關(guān)鍵部件，主要包括整體葉盤(pán)類(lèi)零件和葉片類(lèi)零件。整體葉盤(pán)類(lèi)零件的葉展長(zhǎng)、葉片薄且扭曲度大，葉片間的通道深且窄，開(kāi)敞性差，零件材料多為鈦合金、高溫合金等難加工材料，因此零件加工制造困難。葉片是一種特殊的零件，數(shù)量多、形狀復(fù)雜、要求高、加工難度大且故障多發(fā)，一直以來(lái)都是各發(fā)動(dòng)機(jī)廠生產(chǎn)的關(guān)鍵。航空整體結(jié)構(gòu)件由整塊大型毛坯直接加工而成，在剛度、抗疲勞強(qiáng)度以及各種失穩(wěn)臨界值等方面均比鉚接結(jié)構(gòu)勝出一籌，但由于其具有尺寸大、材料去除率大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛性差等缺點(diǎn)，因此加工后會(huì)產(chǎn)生彎扭組合等加工變形。隨著新一代大型運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)要求的提高，為保證火箭的可靠性，并減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高有效載荷，對(duì)火箭貯箱壁板網(wǎng)格壁厚精度和根部圓弧過(guò)渡尺寸都提出了更嚴(yán)格的要求。

圖1 復(fù)雜曲面零件

五軸數(shù)控銑削加工具有高可達(dá)性、高效率和高精度等優(yōu)勢(shì)，是加工大型與異型復(fù)雜零件的重要手段。五軸數(shù)控機(jī)床在3個(gè)平動(dòng)軸的基礎(chǔ)上增加了2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，不但可以使刀具相對(duì)于工件的位置任意可控，而且刀具軸線相對(duì)于工件的方向也在一定的范圍內(nèi)任意可控。五軸數(shù)控加工的主要優(yōu)勢(shì)包括：①提高刀具可達(dá)性。通過(guò)改變刀具方向可以提高刀具可達(dá)性，實(shí)現(xiàn)葉輪、葉片和螺旋槳等復(fù)雜曲面零件的數(shù)控加工。②縮短刀具懸伸長(zhǎng)度。通過(guò)選擇合理刀具方向可以在避開(kāi)干涉的同時(shí)使用更短的刀具，提高銑削系統(tǒng)的剛度，改善數(shù)控加工中的動(dòng)態(tài)特性，提高加工效率和加工質(zhì)量。③可用高效加工刀具。通過(guò)調(diào)整刀軸方向能夠更好地匹配刀具與工件曲面，增加有效切寬，實(shí)現(xiàn)零件的高效加工。④控制刀具參與切削的區(qū)域。通過(guò)調(diào)整刀具方向，使球頭銑刀用合理的刀刃區(qū)域參與切削，減小切削力和刀具磨損，提高加工表面質(zhì)量。

如何采用五軸數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面零件的高效精密加工成為當(dāng)前的難點(diǎn)。被加工零件的加工曲面確定后，如何根據(jù)五軸數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)選取合適的加工機(jī)床？在計(jì)算刀路時(shí)，刀具包絡(luò)面與工件曲面之間的偏差會(huì)直接影響工件加工表面精度，怎樣通過(guò)調(diào)整刀具位置和姿態(tài)來(lái)減小刀具包絡(luò)面與工件曲面之間的偏差？對(duì)于加工機(jī)床，如何準(zhǔn)確獲得其空間幾何誤差，以對(duì)機(jī)床實(shí)施誤差補(bǔ)償，最終保證數(shù)控機(jī)床的加工精度？薄壁零件在加工中極易發(fā)生變形、失穩(wěn)和振動(dòng)，需要通過(guò)怎樣的措施來(lái)保證加工后的零件滿(mǎn)足制造需求？《復(fù)雜曲面零件五軸數(shù)控加工》提供了可供參考的解決方案。該書(shū)從五軸加工中后置處理、刀具路徑規(guī)劃、路徑光順、誤差檢測(cè)與補(bǔ)償、原位測(cè)量與自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)确矫嬲归_(kāi)，描述了復(fù)雜曲面零件數(shù)字化制造的關(guān)鍵問(wèn)題。

2 五軸數(shù)控加工運(yùn)動(dòng)學(xué)與后置處理

數(shù)控編程描述了刀具相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡，一般在工件坐標(biāo)系下進(jìn)行，編程產(chǎn)生的刀位數(shù)據(jù)沒(méi)有考慮具體的機(jī)床結(jié)構(gòu)和數(shù)控系統(tǒng)類(lèi)型，無(wú)法直接應(yīng)用于數(shù)控加工，需要通過(guò)機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)變換將工件坐標(biāo)系下的刀位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成機(jī)床坐標(biāo)系下的數(shù)控加工程序，具體流程如圖2所示。與三軸機(jī)床不同，五軸數(shù)控機(jī)床引入了2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，工件坐標(biāo)系下的刀具路徑與機(jī)床坐標(biāo)系中數(shù)控代碼的映射關(guān)系是非線性的，在編程過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)多解選擇、奇異點(diǎn)、機(jī)床非線性誤差、機(jī)床各軸與刀尖點(diǎn)的速度映射以及刀具中心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制等問(wèn)題。

圖2 運(yùn)動(dòng)學(xué)變換流程

本書(shū)首先介紹了五軸機(jī)床坐標(biāo)系（包括機(jī)床坐標(biāo)系、局部坐標(biāo)系、工件坐標(biāo)系、刀具坐標(biāo)系等）的基本概念，然后介紹機(jī)床坐標(biāo)系到工件坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)學(xué)變換和數(shù)控系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)方式，在運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)上分析了旋轉(zhuǎn)軸多解選擇、奇異點(diǎn)、非線性誤差控制、刀尖點(diǎn)速度控制、RTCP實(shí)現(xiàn)等后置處理中的主要問(wèn)題，并應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)模型分析了結(jié)構(gòu)類(lèi)型對(duì)機(jī)床性能的影響。以實(shí)際工業(yè)應(yīng)用為背景，給出了后置處理軟件開(kāi)發(fā)的案例。

3 復(fù)雜曲面加工軌跡規(guī)劃

刀具路徑規(guī)劃是數(shù)控編程的核心技術(shù)，是復(fù)雜零件數(shù)控加工中極其重要的內(nèi)容，它決定了刀具對(duì)于工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，直接影響加工效率和加工質(zhì)量。目前，商業(yè)軟件在三軸數(shù)控加工刀具路徑規(guī)劃方面比較成熟，但由于2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的影響，五軸數(shù)控加工中的刀具路徑規(guī)劃問(wèn)題比較困難。本書(shū)針對(duì)該問(wèn)題，通過(guò)五軸側(cè)銑、插銑及型腔螺旋銑削（圖3），介紹復(fù)雜曲面零件加工中的刀具路徑規(guī)劃。在五軸側(cè)銑的加工路徑規(guī)劃中，以整體葉輪的葉片為加工對(duì)象，介紹了側(cè)銑加工刀具的選擇、側(cè)銑加工刀路規(guī)劃的基本原則和常用優(yōu)化方式；在五軸插銑的加工路徑規(guī)劃中，介紹了插銑工藝的適用加工對(duì)象，以及與零件加工效率、刀具壽命相關(guān)的插銑過(guò)程優(yōu)化方法；在型腔高速螺旋銑削中，以航空航天整體壁板的三角形、四邊形型腔為例，介紹了利用二維穩(wěn)態(tài)的溫度場(chǎng)生成螺旋刀具軌跡的刀路規(guī)劃算法。

圖3 五軸側(cè)銑、插銑、型腔螺旋銑刀路規(guī)劃

除此之外，本書(shū)在刀路曲率光順、轉(zhuǎn)角優(yōu)化、避障和刀軸方向優(yōu)化等方面介紹了目前國(guó)際上先進(jìn)的優(yōu)化算法以及在刀路生成中的應(yīng)用。最后，本書(shū)以整體壁板五軸數(shù)控加工螺旋銑為例，介紹了刀路規(guī)劃編程軟件所需的各種功能模塊。

4 五軸數(shù)控系統(tǒng)中的局部光順及速度規(guī)劃

在使用五軸數(shù)控系統(tǒng)加工自由曲線、曲面時(shí)，商業(yè)CAD/CAM軟件生成的刀具路徑通常只能用工件坐標(biāo)系下的小線段表示；此外，3D掃描反求工程日益普遍用于制造業(yè)，由其產(chǎn)生的數(shù)控指令代碼主要也是小線段格式，可見(jiàn)小線段（毫米級(jí)尺度）仍然是目前刀具路徑的主要形式。然而，小線段格式的加工路徑在各刀位處的曲率不連續(xù)，實(shí)際加工過(guò)程中往往會(huì)導(dǎo)致頻繁加減速，嚴(yán)重影響加工效率和表面質(zhì)量。利用曲率連續(xù)的樣條曲線取代小線段作為刀具路徑，可以減小加工文件體積，避免刀具軌跡切向不連續(xù)引起的速度波動(dòng)和法向不連續(xù)引起的加速度波動(dòng)，減小機(jī)床振動(dòng)，提高加工效率與精度。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外主流商業(yè)CNC系統(tǒng)（如華中數(shù)控的華中 8型、FANUC 32i、Siemens 840D、Mazak matrix 2等）均加入了對(duì)樣條曲線插補(bǔ)功能的支持。但是，目前只有UG、CATIA等少數(shù)CAD/CAM軟件能夠直接生成樣條曲線格式的刀具路徑，大部分商業(yè)軟件僅能生成小線段形式的刀具路徑。因此，研究樣條曲線刀具路徑規(guī)劃理論與方法，是實(shí)現(xiàn)多軸加工高速高精度要求的關(guān)鍵。目前，針對(duì)五軸軌跡光順的研究主要圍繞著全局光順和局部光順兩種方法展開(kāi)。對(duì)離散軌跡的逼近與插值是全局光順?lè)椒ǖ闹饕侄?。雖然逼近與插值對(duì)五軸連續(xù)線段軌跡表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，但該方法大多是在離線狀態(tài)下進(jìn)行的，最終的優(yōu)化結(jié)果仍然需要離散成刀位點(diǎn)送到數(shù)控系統(tǒng)中進(jìn)行處理，數(shù)控系統(tǒng)中基于線性插補(bǔ)的控制策略并不能充分利用軌跡光順的結(jié)果。

圖4 五軸小線段的全局光順與局部光順

轉(zhuǎn)接光順?lè)椒ㄊ侵咐镁€段、圓弧或者自由曲線等拼接兩條連續(xù)的小線段。為了滿(mǎn)足曲率連續(xù)、插補(bǔ)方便等要求，目前多采用Bézier曲線、B樣條、PH曲線進(jìn)行小線段刀具路徑的轉(zhuǎn)接光順。由于五軸加工中旋轉(zhuǎn)軸的存在，轉(zhuǎn)接光順可以在工件坐標(biāo)系和機(jī)床坐標(biāo)系下分別進(jìn)行。另一方面，光順的刀具路徑并不意味著機(jī)床各軸平滑的運(yùn)動(dòng)。在五軸聯(lián)動(dòng)實(shí)時(shí)插補(bǔ)中，實(shí)現(xiàn)綜合約束（插補(bǔ)精度、材料去除率、機(jī)床各軸伺服能力約束等）下的自適應(yīng)速度規(guī)劃也至關(guān)重要。

本書(shū)反映了作者在五軸數(shù)控系統(tǒng)的局部光順及速度規(guī)劃的研究工作：

（1）提出三軸小線段刀具路徑的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)接光順?lè)椒?，?shí)現(xiàn)了五軸數(shù)控中的局部光順和速度規(guī)劃，通過(guò)定義平動(dòng)軸刀具路徑連續(xù)性，實(shí)現(xiàn)平動(dòng)軸曲率連續(xù)刀具路徑光順，在最大近似誤差約束下，優(yōu)化過(guò)渡曲線的最大曲率，實(shí)現(xiàn)過(guò)渡曲線曲率的在線優(yōu)化。

（2）提出機(jī)床坐標(biāo)系下五軸刀具路徑轉(zhuǎn)接光順?biāo)惴?，利用雙Bézier曲線在機(jī)床坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)位置子軌跡與方向子軌跡的局部光順過(guò)渡。具體步驟如下：①建立五軸運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的誤差映射機(jī)制；②基于Bézier曲線轉(zhuǎn)角光順線性刀具路徑；③機(jī)床坐標(biāo)系下兩條光順子軌跡的同步插補(bǔ)。

（3）提出工件坐標(biāo)系下五軸刀具路徑轉(zhuǎn)接光順?biāo)惴?。在工件坐?biāo)系下描述的五軸刀具軌跡通常由2條軌跡描述，第1條軌跡用于描述刀尖點(diǎn)的位置，第2條軌跡用于描述刀軸上另外一點(diǎn)的位置，在每一個(gè)刀尖點(diǎn)處，通過(guò)對(duì)應(yīng)兩點(diǎn)的連線來(lái)表示刀軸方向。當(dāng)?shù)毒咭来未┻^(guò)各個(gè)刀位點(diǎn)時(shí)，可形成連續(xù)的五軸加工運(yùn)動(dòng)。對(duì)于工件坐標(biāo)系下五軸刀具路徑，可以針對(duì)刀尖點(diǎn)和刀軸點(diǎn)軌跡分別進(jìn)行轉(zhuǎn)接光順。

（4）以雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床為例，對(duì)前述雙Bézier曲線光順?lè)椒ㄟM(jìn)行仿真及驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)所提出的轉(zhuǎn)接光順?lè)椒黠@提高了刀具路徑的光順性，提高了進(jìn)給速度，縮短了加工時(shí)間，減小了各軸的加速度。

（5）將所提出算法集成于一臺(tái)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)施在線五軸軌跡光順。通過(guò)完成NC代碼的譯制、實(shí)時(shí)插補(bǔ)以及與下位機(jī)的通信等工作，對(duì)軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)光順處理，以實(shí)現(xiàn)在線光順和高速度加工。

5 五軸機(jī)床幾何精度檢驗(yàn)與誤差補(bǔ)償

幾何誤差是五軸數(shù)控機(jī)床的重要誤差源之一。機(jī)床設(shè)計(jì)缺陷、機(jī)床零部件制造與裝配誤差和機(jī)床使用過(guò)程中的磨損等因素，使得機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中各軸的實(shí)際參考坐標(biāo)系與理想?yún)⒖甲鴺?biāo)系發(fā)生偏差。

機(jī)床移動(dòng)部件在導(dǎo)軌上移動(dòng)時(shí)共有6項(xiàng)誤差，包括3項(xiàng)移動(dòng)誤差（1項(xiàng)定位誤差、2項(xiàng)直線度誤差）、3項(xiàng)轉(zhuǎn)動(dòng)誤差（傾斜誤差、偏擺誤差和俯仰誤差）。定位誤差指機(jī)床移動(dòng)部件在軸線方向的實(shí)際位置與其理想位置的偏差。直線度誤差指機(jī)床移動(dòng)部件沿坐標(biāo)軸移動(dòng)時(shí)偏離該軸軸線的程度。直線度誤差包括X向直線度誤差、Y向直線度誤差和Z向直線度誤差。轉(zhuǎn)動(dòng)誤差是指機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件沿某一坐標(biāo)軸移動(dòng)時(shí)，繞其自身坐標(biāo)軸或其他坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的誤差，繞其自身坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的誤差稱(chēng)為傾斜誤差，在運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的誤差稱(chēng)為偏擺誤差，在垂直于運(yùn)動(dòng)平面方向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的誤差稱(chēng)為俯仰誤差。

機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸的幾何誤差往往會(huì)使得零件加工無(wú)法達(dá)到質(zhì)量要求，并且由于幾何誤差與機(jī)床使用磨損等時(shí)效因素有關(guān)，因此，實(shí)際生產(chǎn)中需要對(duì)機(jī)床幾何誤差進(jìn)行周期性的檢測(cè)與消除來(lái)保證機(jī)床本身的運(yùn)行精度。因此，研究高效、自動(dòng)化的幾何誤差測(cè)量與補(bǔ)償方法具有非常重要的意義。

旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差的測(cè)量絕大多數(shù)都依靠球桿儀和R-test儀器，這些設(shè)備主要在機(jī)床制造廠用于機(jī)床的精度校驗(yàn),如圖5所示?；诩t寶石測(cè)頭的機(jī)床誤差檢驗(yàn)方法可以實(shí)現(xiàn)誤差的全自動(dòng)測(cè)量，適用于在加工車(chē)間校驗(yàn)機(jī)床誤差，具有測(cè)量準(zhǔn)備方便、測(cè)量過(guò)程快、結(jié)果準(zhǔn)確等特點(diǎn)。

圖5 球桿儀轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸三軸聯(lián)動(dòng)檢測(cè)

機(jī)床幾何誤差對(duì)機(jī)床加工精度的影響顯著，消除其影響的策略主要分為兩類(lèi)：誤差防止法和誤差補(bǔ)償法。誤差防止法多被機(jī)床制造商采用，在機(jī)床設(shè)計(jì)制造階段控制誤差源，以提高機(jī)床本身的精度，但該方法受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)發(fā)展水平，通常具有投入成本高、對(duì)經(jīng)驗(yàn)要求高等缺點(diǎn)。誤差補(bǔ)償法能夠有效提高加工精度，甚至得到比機(jī)床本身精度更高的加工精度，是目前機(jī)床使用者運(yùn)用較多的方法。由于2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的引入，幾何誤差對(duì)實(shí)際加工的影響相對(duì)復(fù)雜，且由于多個(gè)軸的相互影響，五軸數(shù)控機(jī)床幾何誤差的補(bǔ)償變得復(fù)雜。

本書(shū)反映了作者在五軸機(jī)床幾何精度檢驗(yàn)與誤差補(bǔ)償方面的研究工作：

（1）介紹了五軸數(shù)控機(jī)床的測(cè)試儀器——球桿儀和R-test儀器，分別針對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)機(jī)械幾何誤差和伺服跟隨誤差導(dǎo)致的輪廓誤差，介紹誤差檢測(cè)與分析方法，最后依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)介紹了五軸數(shù)控機(jī)床五軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)精度的評(píng)價(jià)方法。

（2）為解決國(guó)際測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)提出的平滑圓錐面特征不利于反映五軸聯(lián)動(dòng)的加減速動(dòng)態(tài)性能的問(wèn)題，以中航工業(yè)成飛公司研發(fā)的S形試件為基礎(chǔ)，提出了五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床加工精度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）針對(duì)旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差測(cè)量復(fù)雜、難度大這一特點(diǎn)，提出了利用在線測(cè)量技術(shù)高效測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差的方法：通過(guò)活動(dòng)標(biāo)架，建立帶幾何誤差的旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；通過(guò)對(duì)兩類(lèi)旋轉(zhuǎn)軸分別建模，設(shè)計(jì)相應(yīng)的測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)適合大多數(shù)五軸數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸(不包括斜軸)的幾何誤差測(cè)量。

（4）以B擺頭A轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)床為研究對(duì)象，通過(guò)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差測(cè)量方案的可行性。以AC雙轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)床為例，研究五軸數(shù)控機(jī)床幾何誤差的補(bǔ)償方法。進(jìn)行考慮幾何誤差的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，提出幾何誤差補(bǔ)償算法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了補(bǔ)償方法的有效性，并將補(bǔ)償方法應(yīng)用于實(shí)際五軸數(shù)控加工。

6 原位測(cè)量與智能控制

薄壁零件結(jié)構(gòu)受力形式復(fù)雜，難以按照經(jīng)典理論進(jìn)行受力分析，零件制造過(guò)程中極易發(fā)生變形、失穩(wěn)和振動(dòng)，制造難度極大，是國(guó)際上公認(rèn)的復(fù)雜難加工零件。實(shí)際銑削加工過(guò)程中，受工件弱剛性影響，不可避免地會(huì)產(chǎn)生加工誤差。為了減小或消除刀具/工件變形引起的加工誤差，積極的加工方法可總結(jié)為以下4種：優(yōu)化加工策略、實(shí)時(shí)補(bǔ)償、離線誤差預(yù)測(cè)與補(bǔ)償、在線誤差測(cè)量與補(bǔ)償。

針對(duì)薄壁件切削變形控制這一難點(diǎn)，充分利用測(cè)試（包括接觸式在線測(cè)量和實(shí)時(shí)超聲波厚度測(cè)量）技術(shù)，分別采用薄壁件輪廓誤差原位測(cè)量的自適應(yīng)銑削和薄壁件厚度實(shí)時(shí)控制的鏡像銑削，實(shí)現(xiàn)薄壁件的精密銑削。本書(shū)基于薄壁件精密加工，主要介紹以下工藝與技術(shù)：

（1）壁厚原位自動(dòng)測(cè)量。等厚度加工要求在加工時(shí)具有厚度測(cè)量功能，對(duì)工件實(shí)際厚度進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)實(shí)際厚度來(lái)確定補(bǔ)償加工的切削量，其工作流程如圖6所示。介紹了壁厚原位測(cè)量?jī)x器（圖7）的開(kāi)發(fā)，包括厚度測(cè)量需要的輔助技術(shù)，如超聲波測(cè)厚儀需要在接觸工件前，通過(guò)耦合劑來(lái)排除探頭與工件之間的空氣，保證測(cè)量精度。

圖6 集成超聲測(cè)厚與數(shù)控系統(tǒng)

圖7 壁厚原位測(cè)量?jī)x器結(jié)構(gòu)圖

（2）加工變形精度的原位測(cè)量補(bǔ)償。目前，大多數(shù)銑削模型和所有的商用CAD/CAM軟件都根據(jù)工件理想的幾何模型進(jìn)行刀路規(guī)劃，沒(méi)有考慮工件/刀具受力變形、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)順應(yīng)性。由于薄壁件剛性較弱，銑削過(guò)程中受切削力發(fā)生變形，導(dǎo)致材料去除量與預(yù)期不符，使得加工精度超差，因此介紹了一種基于原位測(cè)量，通過(guò)調(diào)整加工刀路來(lái)實(shí)現(xiàn)加工精度提升的誤差補(bǔ)償方法。

（3）加工變形的實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制。加工變形的產(chǎn)生直接影響了零件，尤其是剛度較弱的大型形薄壁件的加工精度。大型薄壁件非常容易變形且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀精度要求高，制造難度相當(dāng)大。以長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭貯箱加工為例，零件的“米級(jí)尺寸”和“毫米級(jí)壁厚”導(dǎo)致零件結(jié)構(gòu)的“極端”弱剛性，銑削加工型槽、格柵、加強(qiáng)筋和凸緣等壁板結(jié)構(gòu)特征時(shí)的變形非常嚴(yán)重，加工質(zhì)量難以控制。以火箭貯箱筒段工件為例，介紹了基于伺服和激光測(cè)距的零件實(shí)時(shí)變形跟蹤系統(tǒng)，如圖8所示。

7 復(fù)雜曲面五軸加工的發(fā)展趨勢(shì)

7.1 雙五軸協(xié)同與實(shí)時(shí)測(cè)控

圖8 基于伺服和激光測(cè)距的實(shí)時(shí)變形跟蹤

雙五軸協(xié)同與實(shí)時(shí)測(cè)控是大型復(fù)雜曲面加工的發(fā)展趨勢(shì)，下面以飛機(jī)蒙皮五軸鏡像銑削加工為例進(jìn)行闡述。飛機(jī)蒙皮部件是飛機(jī)上非常關(guān)鍵的氣動(dòng)外形件，通過(guò)壁厚控制來(lái)平衡強(qiáng)度和運(yùn)送能力，它的性能直接決定了飛機(jī)制造的質(zhì)量，由于蒙皮零件尺寸大、形狀復(fù)雜、壁薄剛性弱的特點(diǎn)，其制備是航空制造業(yè)的一個(gè)難題。

傳統(tǒng)的蒙皮化銑加工工藝存在污染大、精度差和減重能力不足的缺陷，化銑過(guò)程中采用大量化學(xué)物品，加工產(chǎn)生的化學(xué)廢液會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害，化銑中消耗的鋁材無(wú)法回收以及后續(xù)廢液處理提高了生產(chǎn)成本；化銑工藝精度差，且受板材質(zhì)量影響，一般情況下，最后的壁厚均在上差，使得整體板厚偏大，同時(shí)，化銑圓角與壁板下陷深度成正比，無(wú)法精確控制，造成壁板材料去除率下降，對(duì)壁板整體質(zhì)量控制不足。國(guó)外先進(jìn)制造商多采用高速數(shù)控銑削和拉伸成形組合工藝進(jìn)行綠色高效生產(chǎn)。數(shù)控銑削壁板網(wǎng)格能保證壁厚均勻、尺寸精度高、余重小，從而增加飛機(jī)的有效載荷。美國(guó)、歐洲、日本的飛機(jī)蒙皮加工通常是先拉伸成形，然后再進(jìn)行銑削加工。例如空客公司在A320客機(jī)飛機(jī)蒙皮的加工中去除了60%～70%的原材料。

雙五軸的鏡像頂撐銑削方法是飛機(jī)蒙皮未來(lái)的加工趨勢(shì)，與傳統(tǒng)多點(diǎn)離散夾持系統(tǒng)不同，蒙皮鏡像頂撐銑系統(tǒng)由雙五軸系統(tǒng)組成，一側(cè)的五軸系統(tǒng)用于正面加工蒙皮工件，另一側(cè)的五軸系統(tǒng)主軸安裝頂撐裝置，與用于加工的五軸系統(tǒng)做同步鏡像頂撐運(yùn)動(dòng)，以保證工件加工部位的剛性支撐，有效防止加工過(guò)程中的顫振，如圖9所示。與傳統(tǒng)化銑工藝相比，五軸蒙皮鏡像銑削加工采用絕對(duì)尺寸和厚度的控制，加工精度高，零件廢屑可回收，加工時(shí)無(wú)污染。與傳統(tǒng)機(jī)械銑削工藝相比，鏡像銑削加工采用局部隨動(dòng)支撐的方式，有利于提高工件局部剛度，減小加工振動(dòng)及變形，通過(guò)實(shí)時(shí)厚度控制，保證加工厚度精度，可以有效解決薄型蒙皮和雙曲率蒙皮難以加工的問(wèn)題。

圖9 飛機(jī)蒙皮鏡像銑削

7.2 設(shè)計(jì)-制造一體化

五軸側(cè)銑加工是提升整體葉輪類(lèi)復(fù)雜曲面零件加工效率與質(zhì)量的主要方法。葉片曲面往往被設(shè)計(jì)成自由曲面，為了能夠采用側(cè)銑加工方法銑削葉片曲面，需要發(fā)展葉片曲面轉(zhuǎn)換方法，用直紋面近似自由曲面。僅在制造過(guò)程中考慮曲面轉(zhuǎn)換，會(huì)存在以下困難：

（1）高性能葉輪的可側(cè)銑加工率很低。隨著對(duì)葉輪壓比和效率等工作性能要求的提高，設(shè)計(jì)的葉片變得越來(lái)越扭曲和復(fù)雜，尤其是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的軸流式葉輪，刀具包絡(luò)面與設(shè)計(jì)曲面之間的偏差往往很大，難以實(shí)現(xiàn)側(cè)銑加工。

（2）刀具包絡(luò)面與葉片設(shè)計(jì)曲面偏差對(duì)葉輪工作性能的影響難以確定。即使刀具包絡(luò)面與葉片曲面的偏差較小，但仍然可能改變?nèi)~片角和葉輪通道面積等關(guān)鍵參數(shù)，工作性能和壽命對(duì)葉片不同區(qū)域誤差的敏感度相差很大。因此，上述曲面轉(zhuǎn)換方法應(yīng)該融入到葉輪設(shè)計(jì)過(guò)程中，以達(dá)到葉輪設(shè)計(jì)制造一體化的效果，設(shè)計(jì)出來(lái)的葉片不僅滿(mǎn)足氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)要求，而且能夠采用側(cè)銑加工方法銑削加工葉片。

8 結(jié)語(yǔ)

《復(fù)雜曲面零件五軸數(shù)控加工理論與技術(shù)》由淺入深地介紹了復(fù)雜曲面零件五軸數(shù)控加工理論與技術(shù)方面的研究成果，從五軸數(shù)控加工基本原理出發(fā)，在復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工軌跡規(guī)劃、五軸數(shù)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)角光順及速度規(guī)劃、五軸機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸幾何誤差檢測(cè)與補(bǔ)償、原位測(cè)量與智能控制等方面提出了新的算法與模型，針對(duì)各項(xiàng)研究成果給出了應(yīng)用實(shí)例。最后結(jié)合“設(shè)計(jì)-加工-測(cè)量一體化”制造技術(shù)在工業(yè)界的實(shí)際需求，分析了五軸數(shù)控加工的發(fā)展趨勢(shì)。*