考虑几何误差高阶特性的曲面加工数据生成方法研究

The abrupt change of the geometry error will induce the abrupt change of dynamic parameter and the abrupt change of the geometry error’s compensation value will produce additional feedrate, acceleration and jerk during the error compensation process. In high-speed freeform machining process, those geometry error’s high order properties will result in higher tracking error and vibration, and then the workpiece’s quality is decreased. In order to increase the machining quality of freeform surface, the method of producing freeform machining data considering the geometry error’s high order properties is proposed. Firstly, the physical mechanisms of the geometry error are analyzed. The impact of the geometry error’s high order properties on the tracking error and vibration stabilities is researched through experimental method and theory model. Secondly, the calculation method of the geometry error’s compensation value is explored. The computing model of the additional feedrate, acceleration and jerk produced by the geometry error’s compensation value is established. According to the impact of the geometry error’s high order properties on the motion accuracy and the additional kinematics’ parameter produced by geometry error’s compensation value, the dynamic surface machining process is scheduled by feedrate planning method to achieve the time-optimal machining process under variety of constraints. Finally, the accurate and concise freeform machining data which contains the machining trajectory, feedrate scheduling results and the error compensation value is obtained by mathematical optimal method and the high speed and high precision freeform surface machining is realized eventually.

在高速曲面加工中，几何误差突变将导致运动状态参数发生变化以及误差补偿值突变将产生附加速度、加速度及加加速度，这些几何误差高阶特性致使高速运行中产生较大的动态运动精度问题，从而降低曲面加工质量。基于此，笔者提出了考虑几何误差高阶特性的曲面加工数据生成方法。本项目首先对部分几何误差及其高阶特性产生的物理原因进行探索，通过实验分析与理论建模研究几何误差高阶特性对运动过程动态跟踪精度与振动稳定性的影响。再在误差补偿阶段对几何误差补偿值计算方法进行分析，构建由几何误差补偿值高阶特性产生的附加速度、加速度及加加速度的计算模型。根据几何误差高阶特性对运动精度的影响与由几何误差补偿值高阶特性产生的附加运动学特性，对曲面加工过程进行速度规划，得到满足各种约束且加工时间最优的加工过程。综合几何加工轨迹、误差补偿值以及速度轨迹通过数学处理得到准确简洁的曲面加工数据并开发相应插补程序，最终实现曲面的高速高精加工。

背景：在常规曲面加工过程中，加工数据主要由加工过程的几何轨迹构成，而误差补偿以及速度规划都是在数控系统中完成。但是由于不同曲面零件特异性特征复杂，仅包含几何轨迹的加工数据以及配合数控系统中的误差补偿与速度规划是不能满足曲面加工要求的。几何误差的高阶特性表征了几何误差产生机理具有的突变特性，且简单的几何误差直接补偿，没有考虑由于几何误差突变即高阶特性产生的冲击。.内容：（1）综合考虑各种约束与附加运动学特性影响的离线曲面加工速度规划方法。根据速度规划计算复杂度的因素影响，将传统数控系统中针对小线段插补的速度规划方法转移到离线计算软件中。对曲面加工过程进行了速度规划，考虑了机床的各个约束以及其他运动学影响。（2）几何误差及其高阶特性对曲面加工过程的影响以及几何误差补偿过程以及补偿值高阶特性的补偿。针对产生几何误差高阶特性的部件进行了深入研究，探究产生几何误差高阶特性机理。同时在几何误差补偿过程中，对几何误差补偿值高阶特性在高速运行情况下，产生的附加运动学参数，进行了计算与补偿。（3）构建了包含几何轨迹、误差补偿与速度规划结果的加工数据生成方法及相应实时插补程序的新型曲面加工控制方法。结合实时在线计算与离线计算的优缺点，在离线计算软件中对几何误差及其高阶特性进行补偿，并进行速度规划。最终生成包含几何轨迹、误差补偿与速度规划结果的加工数据，并对数据表征形式与插补程序进行混合设计。.结果：根据以上研究，构建了以PVT插补程序作为在线实时控制程序，以埃尔米特插值多项式表征包含几何轨迹、误差补偿与速度规划结果的加工数据的曲面加工控制形式。对几何误差高阶特性进行了深入的研究，并对其补偿值的高阶特性进行了定量化补偿。曲面加工质量与加工效率有了显著的提升。基于以上研究成果，公开发表SCI论文两篇，申请获批发明专利两项。依托以上研究内容，进行了进一步的拓展研究，相关研究发表SCI论文两篇。