[發明專利]考慮刀具跳動的多軸銑削刀具軸線建模方法

有效

• 申請號: 201611018614.8
• 申請日: 2016-11-15
• 公開（公告）號: CN106649996B
• 公開（公告）日: 2019-07-05
• 發明（設計）人: 孫惠斌;趙紫東;常智勇;張棟梁
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 陳星

本發明提出一種考慮刀具跳動的多軸銑削刀具軸線建模方法，給出考慮軸承內圈徑向誤差主軸運動模型和刀具安裝誤差模型，并通過建立局部坐標系表示出主軸系統各部件及其誤差，然后采用坐標變換方法得出主軸運動誤差、刀柄與彈簧夾頭安裝誤差的刀具軸線運動模型。本發明在考慮主軸運動誤差與刀具安裝誤差對銑削刀具軸線運動影響的情況下，解決了刀具軸線運動模型的數學建模問題，使用粒子群算法對模型中的未知參數進行標定。本發明建立的模型能夠清晰描述主軸運動，提出的參數標定方法具有測量過程簡便，數據處理快速特點，并且為抑制刀具跳動和提高加工精度提供理論基礎，從而在機械加工過程中可以根據該模型對各個零部件所引入的誤差進行分析。

技術領域

本發明屬于多軸數控加工的技術領域，涉及到考慮機床主軸運動誤差與刀具安裝誤差的銑削刀具軸線運動建模問題的研究，具體為一種考慮刀具跳動的多軸銑削刀具軸線建模方法。

背景技術

在數控加工中，刀具跳動會導致刀具軸線的瞬時位姿偏離理想狀態，改變刀具與工件之間的相對位置關系，引起每齒切厚不均勻，容易產生過切、欠切等現象。刀具跳動無法徹底避免，嚴重地制約了加工精度的進一步提高。在有刀具跳動的情況下，建立刀具軸線運動模型成為了當前研究的熱點問題之一。由于機床主軸、刀柄以及刀具存在制造與安裝的誤差，所以在銑削過程中不可避免地存在刀具回轉軸線與刀具軸線不重合的現象，通常使用若干個位置參數來定義刀具軸線與刀具回轉軸線的相對位置，并描述刀具軸線的運動。

在現有的研究中，并沒有將機床主軸運動誤差與刀具安裝誤差作為研究對象有效地集成。上海交通大學的研究將刀具跳動簡化為包括偏心距ρ、偏心角λ、傾斜角τ和扭轉角φ等參數的模型，并通過實驗數據進行標定。這種方式雖然便于理解和描述刀具跳動現象，但不利于進一步闡明刀具裝夾系統制造、安裝誤差對刀具跳動的耦合作用及物理意義，也不利于建立各誤差因素與刀具跳動的定量、精確關系。

為了解決因機床主軸運動誤差與刀具安裝誤差的銑削刀具軸線運動建模的難題，本發明將主軸動態誤差分析儀金屬標準球的運動軌跡作為銑削刀具軸線運動軌跡，建立了主軸運動誤差與刀具安裝誤差模型，分析了銑削刀具軸線運動的影響，從而得出了刀具軸線運動模型，并使用優化算法標定了模型中未知參數。通過實驗驗證可以看到本文所建立的模型能夠清晰地描述主軸的運動，所提出的參數標定方法具有測量過程簡便，數據處理快速的特點。

發明內容

本發明給出一種主軸運動誤差建模與刀具安裝誤差建模的研究方法。在考慮主軸運動誤差與刀具安裝誤差對銑削刀具軸線運動影響的情況下，解決了刀具軸線運動模型的數學建模問題，并使用粒子群算法對模型中的未知參數進行了標定。本發明所建立的模型能夠清晰地描述主軸的運動，提出的參數標定方法具有測量過程簡便，數據處理快速的特點，并且為抑制刀具跳動和提高加工精度提供了理論基礎，從而在機械加工過程中可以根據該模型對各個零部件所引入的誤差進行分析。

本發明的技術方案為：

本發明首先給出考慮軸承內圈徑向誤差主軸運動模型和刀具安裝誤差模型，并通過建立局部坐標系表示出主軸系統各部件及其誤差，然后采用坐標變換得方法得出主軸運動誤差、刀柄與彈簧夾頭安裝誤差的刀具軸線運動模型。

所述一種考慮刀具跳動的多軸銑削刀具軸線建模方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1：在多軸立式銑削加工中心前端軸承安裝位置建立坐標系CS1，其中前端軸承孔處圓心為CS1的坐標原點O₁，CS1的X₁、Y₁、Z₁軸分別與機床坐標系CS0的X₀、Y₀、Z₀軸平行；

在坐標系CS1中，建立后端軸承位置處主軸軸心A₁運動軌跡的參數方程為

建立前端軸承位置處主軸軸心A₂運動軌跡的參數方程為