五轴数控加工刀具路径设计中的误差分析与控制研究

摘要

在航空、汽车、模具等行业的零件中，包含大量的自由曲面及复杂几何形状。五轴数控加工对提高这类复杂形状零件的加工质量和加工效率具有独到的优势。为保证加工精度，对其加工误差的研究十分重要。
　　 本论文围绕五轴数控加工中刀具路径设计中的误差，旨在提高五轴数控加工的精度。一般情况下，五轴数控产生的各项加工误差可简化为二维模型进行分析，本文在此基础上着重研究了几何误差与运动误差。此外，为了获得更准确的加工误差，本文研究了刀具运动形成的包络面，用于得到加工误差的三维模型。论文主要完成了以下工作：
　　 (1)研究了刀具路径规划阶段引起的几何误差与实际加工阶段机床运动引起的加工误差，利用二维模型重点研究了刀轴摆动引起的非线性误差。研究了五轴数控加工机床的运动机构，建立机床的运动链，并分析了五轴数控加工机床对刀具的运动的控制。在此基础上，比较实际加工中刀轴的摆动方式与设计刀具路径时期望的刀轴摆动方式，分析按这两种刀轴摆动方式得到的刀轴之间的偏差，该偏差可近似为在与进刀方向垂直的平面内产生，并进一步研究了在该平面内刀轴摆动引起的非线性误差，并提出了控制方法。
　　 (2)提出了一种矢量算法来计算五轴数控加工中刀具运动形成的包络面，用于得到五轴数控加工误差的三维模型。通过引入刀具的几何特性简化了包络条件，提出矢量算法计算了各种刀具在五轴数控加工中运动形成的包络面，并利用该算法在后置处理之前直接根据刀位点信息来计算包络面。进一步使用矢量算法计算了刀具做一般运动时形成的包络面，在此基础上分析了各运动参数对特征线位置的影响。