摘 要：為對異形面型芯數(shù)控加工幾何誤差進行實時預測和補償，提高異形面型芯的加工精度，本文提出幾何誤差補償方法研究。根據(jù)機床的結(jié)構(gòu)特點和誤差類型布局測量點，離線測量數(shù)控機床幾何誤差。根據(jù)測量的誤差結(jié)果明確補償目標，從直線度誤差、角度誤差和定位精度誤差3個維度計算補償參數(shù)。結(jié)合測頭半徑補償方法原理，進行誤差補償。試驗結(jié)果表明，應用提出的方法進行誤差補償后，加工件的幾何誤差顯著降低，不超過0.02 mm。

關(guān)鍵詞：異形面型芯；數(shù)控加工；幾何誤差；補償

中圖分類號：V 261" " " 文獻標志碼：A

異形面型芯是復雜零件的代表，在航空、航天和汽車等高端制造領(lǐng)域發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。異形面型芯的精度和質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的性能和壽命，因此，其加工技術(shù)的精確性和穩(wěn)定性成為行業(yè)研究的熱點。由于數(shù)控加工技術(shù)具有高效、精準的特點，因此該技術(shù)是異形面型芯加工的主要手段[1]。在實際加工過程中，由于機床、刀具和夾具等多種因素影響，因此幾何誤差難以避免，嚴重影響異形面型芯的加工精度。幾何誤差補償方法是提高數(shù)控加工精度的有效手段，可以實時預測誤差和進行補償，并顯著提高異形面型芯的加工精度和效率。傳統(tǒng)的異形面型芯數(shù)控加工幾何誤差補償方法在實際工業(yè)應用中仍然存在缺陷。其中，文獻[2]提出的方法根據(jù)誤差檢測與預測的原理，修改數(shù)控加工指令對誤差進行補償，難以全面、準確地反映在加工過程中的實際誤差情況。文獻[3]提出的方法利用自適應濾波技術(shù)對異形面型芯參數(shù)進行調(diào)整，對數(shù)控加工誤差進行補償，難以適應在加工過程中誤差的動態(tài)變化，補償效果不理想?；诖?，本文提出一種適用于異形面型芯數(shù)控加工的幾何誤差補償方法，為異形面型芯的高精度加工提供技術(shù)支持。

1 異形面型芯數(shù)控加工幾何誤差補償方法設(shè)計

1.1 離線測量數(shù)控機床幾何誤差

在異形面型芯的數(shù)控加工過程中，幾何誤差的精確補償是保證加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。其中，離線測量是這個過程中的關(guān)鍵步驟，其可以對機床幾何誤差進行全面、準確的評估[4]。為了保證離線測量的準確性和有效性，需要根據(jù)機床的幾何特性和誤差類型選擇以下3種合適的測量儀器。1）激光干涉儀。其作用是檢測機床的線性位移誤差。2）直線度測量儀。其作用是評估機床導軌的直線度誤差。3）角度測量儀。其作用是測量機床轉(zhuǎn)動部件的角度誤差。每種測量儀器都需要經(jīng)過嚴格校準，保證其具備足夠的精度和準確性[5]，以滿足對機床幾何誤差測量的高要求。查閱機床的結(jié)構(gòu)圖紙和技術(shù)文檔十分重要，這些文檔詳細描述了機床的整體結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵部件的設(shè)計以及可能的誤差來源。仔細閱讀這些文檔可以深入了解機床的結(jié)構(gòu)特點、工作原理和誤差產(chǎn)生的機理，確定需要測量的關(guān)鍵部位，例如導軌、主軸和軸承等，這些部件的幾何精度直接影響加工件的精度和質(zhì)量。確定測量部位后，需要設(shè)置相應的離線測量參數(shù)，見表1。這些參數(shù)的設(shè)置對保證離線測量的準確性和可靠性具有重要意義。

在機床的離線測量過程中，保證精度和效率的關(guān)鍵是合理布局測量點。需要根據(jù)機床的結(jié)構(gòu)特點和誤差類型來選擇測量點。選擇機床的1個固定點作為測量起點，起點應該位于機床的關(guān)鍵部位，保證位置穩(wěn)定且易于定位，例如主軸、導軌和工作臺等，以準確反映機床的實際狀態(tài)。根據(jù)測量目標和機床結(jié)構(gòu)確定測量路徑的終點位置，規(guī)劃測量路徑，在測量過程中能夠覆蓋機床的各個關(guān)鍵部位和潛在誤差源[6]。測量路徑在關(guān)鍵部位之間能夠連續(xù)過渡，避免路徑中斷或跳躍，保證測量數(shù)據(jù)的連貫性和完整性。在滿足測量需求的前提下盡量簡化測量路徑，減少不必要的測量點和步驟，提高測量效率。根據(jù)測量點的數(shù)量和位置合理安排測量順序。根據(jù)異形面型芯整體至局部的原則，先對整體進行測量，再逐步細化至局部細節(jié)[7]。按照從高級至低級的順序，先測量主要軸線、中心線和關(guān)鍵點，然后逐漸擴展至次要的或更詳細的測量點。

離線測量流程可以顯著提高測量效率，減少誤差累積，保證測量任務順利完成，測量結(jié)果準確有效。

1.2 計算補償參數(shù)

異形面型芯數(shù)控加工幾何誤差離線測量完畢后，根據(jù)測量結(jié)果明確補償目標，即降低或消除機床在加工過程中產(chǎn)生的幾何誤差，計算誤差補償參數(shù)。對直線度誤差來說，可以計算各測量點理論位置與實際位置之差的平均值來確定補償量，如公式（1）所示。

（1）

式中：C為補償量；n為測量點總數(shù)；Ti為第i個測量點的理論位置；Ai為第i個測量點的實際位置。角度誤差補償參數(shù)計算是對機床旋轉(zhuǎn)軸或傾斜面的角度偏差進行量化，并確定補償值，如公式（2）所示。

（2）

式中：Cθ為角度誤差補償量；θi為角度測量值，即數(shù)控機床旋轉(zhuǎn)軸或傾斜面的實際角度值；Δθi為角度誤差，反映機床在角度控制方面的偏差。

將補償參數(shù)應用于機床的控制系統(tǒng)中，可以降低或消除角度誤差，提高加工精度[8]。定位誤差通常與機床的定位系統(tǒng)有統(tǒng)計學意義。分析定位誤差的分布規(guī)律，確定定位系統(tǒng)的偏差量，根據(jù)偏差量計算補償參數(shù)，如公式（3）所示。

（3）

式中：CP為定位誤差補償量；Pi為定位測量值，即機床定位系統(tǒng)的實際定位值，使用測量設(shè)備獲?。沪i為定位誤差，反映機床在定位控制方面的偏差。

計算補償參數(shù)后需要進行驗證以保證其有效性，在機床進行實際加工測試。比較補償前后的加工測試結(jié)果，評估補償參數(shù)的準確性和效果[9]。根據(jù)測試結(jié)果對補償參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整。如果補償效果不佳，就需要重新分析誤差分布規(guī)律，調(diào)整補償參數(shù)，逐步提高誤差補償?shù)臏蚀_性，增強效果。經(jīng)過計算，得到異形面型芯數(shù)控加工的幾何誤差補償量，為后續(xù)誤差補償實施提供有力的數(shù)據(jù)支持。

1.3 誤差補償

獲取誤差補償參數(shù)后，在此基礎(chǔ)上有針對性地進行誤差補償。本文設(shè)計的異形面型芯數(shù)控加工幾何誤差補償流程如圖1所示。首先，根據(jù)異形面型芯的曲面特征確定曲面的邊界線，利用SolidWorks軟件創(chuàng)建相應的曲線。對曲線進行拼接處理，控制軟件執(zhí)行曲面生成操作，構(gòu)建相應的模型。將模型導入專業(yè)的仿真加工軟件中，進行精細的仿真加工操作，得到數(shù)控加工刀具所需的精確加工路徑。其次，將路徑應用于機床，進行實際加工操作，在加工過程中實時監(jiān)測誤差情況。一旦獲得準確的誤差數(shù)值，就按照上述公式立即計算補償參數(shù)，進行必要的補償調(diào)整，得到更精確的加工刀具路徑，進行補償加工。最后，再次進行檢測，保證加工精度達到預定要求，完成整個加工流程。在此基礎(chǔ)上，為進一步提高數(shù)控加工幾何誤差補償?shù)木?，利用測頭半徑補償原理，對異形面型芯數(shù)控加工幾何誤差進行進一步補償。在數(shù)控加工過程中，接觸式測頭與待測異形面型芯表面接觸軌跡如圖2所示。

測頭半徑補償原理如下：確定測頭中心點坐標在測量方向的法矢，縮減測頭半徑的長度來推算實際測量點的坐標。這個過程可以用數(shù)學公式來精確描述：使用測頭中心O處的法矢來近似代表被測物體表面實際測量點g處的法矢，基于近似，推導實測點g的計算公式，如公式（4）所示。

=-×r " " " " " " " （4）

式中：為測頭中心；為實際測量點；r為測頭半徑。

公式（4）將異形面型芯數(shù)控加工測頭半徑補償問題轉(zhuǎn)化為實測點g處曲面對應的單位法矢問題。

2 試驗分析

為了驗證本文提出的異形面型芯數(shù)控加工幾何誤差補償方法的可行性與實際補償效果，本文進行試驗，其目的是全面評估補償方法在實際應用中的表現(xiàn)，保證其能夠有效減少加工誤差，提升加工精度，為異形面型芯數(shù)控加工提供更為精準的技術(shù)支持。

2.1 試驗準備

本次試驗的樣本對象是具有異形曲面的高精度型芯零件，其主要用于高端機械裝備的關(guān)鍵部位，對加工精度和表面質(zhì)量要求很高。該型芯零件材質(zhì)選用強度和硬度較高的鋁合金材料，以保證零件在復雜工作環(huán)境中的穩(wěn)定性和耐久性。零件尺寸為150 mm×100 mm×50 mm。由于零件表面的幾何特征比較復雜，傳統(tǒng)的數(shù)控加工方法難以滿足其高精度加工要求，因此應用本文方法進行幾何誤差補償。試驗采用先進的數(shù)控機床進行加工，機床加工參數(shù)見表2。

試驗環(huán)境保持恒溫恒濕，以降低環(huán)境因素對加工精度的影響。利用激光干涉儀對數(shù)控機床進行幾何誤差檢測，檢測數(shù)據(jù)見表3。根據(jù)表3數(shù)據(jù)對數(shù)控加工指令進行實時調(diào)整，完成誤差補償。

2.2 結(jié)果分析

加工完成后，對零件進行精度檢測，包括尺寸測量和表面質(zhì)量檢測。隨機選取6組不同類型的異形面型芯樣品，每組樣品200個。將應用本文方法、文獻[2]方法和文獻[3]方法的檢測結(jié)果與未進行誤差補償?shù)募庸そY(jié)果進行對比，分析誤差補償方法的有效性，對比結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，應用本文提出方法進行誤差補償后，加工件的幾何誤差顯著降低，不超過0.02 mm，補償后的誤差分布范圍更窄，說明加工件的幾何形狀更穩(wěn)定，一致性更好。試驗結(jié)果表明該方法能夠有效降低誤差，優(yōu)化加工件性能，使其更符合設(shè)計要求。

3 結(jié)語

異形面型芯數(shù)控加工幾何誤差補償方法的研究是制造業(yè)發(fā)展中的重要環(huán)節(jié)，已成為行業(yè)內(nèi)的研究熱點。本文研究異形面型芯數(shù)控加工的幾何誤差補償方法并進行對比試驗，試驗結(jié)果表明，采用本文提出的誤差補償方法后，異形面型芯的加工精度顯著提升，誤差范圍明顯縮小。本文方法不僅提高了產(chǎn)品合格率，還降低了生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。未來還需要繼續(xù)深化研究，探索更加高效、精準的補償策略，推動制造業(yè)發(fā)展。

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