[发明专利]考虑刀具跳动的多轴铣削刀具轴线建模方法

说明书

本发明提出一种考虑刀具跳动的多轴铣削刀具轴线建模方法，给出考虑轴承内圈径向误差主轴运动模型和刀具安装误差模型，并通过建立局部坐标系表示出主轴系统各部件及其误差，然后采用坐标变换方法得出主轴运动误差、刀柄与弹簧夹头安装误差的刀具轴线运动模型。本发明在考虑主轴运动误差与刀具安装误差对铣削刀具轴线运动影响的情况下，解决了刀具轴线运动模型的数学建模问题，使用粒子群算法对模型中的未知参数进行标定。本发明建立的模型能够清晰描述主轴运动，提出的参数标定方法具有测量过程简便，数据处理快速特点，并且为抑制刀具跳动和提高加工精度提供理论基础，从而在机械加工过程中可以根据该模型对各个零部件所引入的误差进行分析。

技术领域

本发明属于多轴数控加工的技术领域，涉及到考虑机床主轴运动误差与刀具安装误差的铣削刀具轴线运动建模问题的研究，具体为一种考虑刀具跳动的多轴铣削刀具轴线建模方法。

背景技术

在数控加工中，刀具跳动会导致刀具轴线的瞬时位姿偏离理想状态，改变刀具与工件之间的相对位置关系，引起每齿切厚不均匀，容易产生过切、欠切等现象。刀具跳动无法彻底避免，严重地制约了加工精度的进一步提高。在有刀具跳动的情况下，建立刀具轴线运动模型成为了当前研究的热点问题之一。由于机床主轴、刀柄以及刀具存在制造与安装的误差，所以在铣削过程中不可避免地存在刀具回转轴线与刀具轴线不重合的现象，通常使用若干个位置参数来定义刀具轴线与刀具回转轴线的相对位置，并描述刀具轴线的运动。

在现有的研究中，并没有将机床主轴运动误差与刀具安装误差作为研究对象有效地集成。上海交通大学的研究将刀具跳动简化为包括偏心距ρ、偏心角λ、倾斜角τ和扭转角φ等参数的模型，并通过实验数据进行标定。这种方式虽然便于理解和描述刀具跳动现象，但不利于进一步阐明刀具装夹系统制造、安装误差对刀具跳动的耦合作用及物理意义，也不利于建立各误差因素与刀具跳动的定量、精确关系。

为了解决因机床主轴运动误差与刀具安装误差的铣削刀具轴线运动建模的难题，本发明将主轴动态误差分析仪金属标准球的运动轨迹作为铣削刀具轴线运动轨迹，建立了主轴运动误差与刀具安装误差模型，分析了铣削刀具轴线运动的影响，从而得出了刀具轴线运动模型，并使用优化算法标定了模型中未知参数。通过实验验证可以看到本文所建立的模型能够清晰地描述主轴的运动，所提出的参数标定方法具有测量过程简便，数据处理快速的特点。

发明内容

本发明给出一种主轴运动误差建模与刀具安装误差建模的研究方法。在考虑主轴运动误差与刀具安装误差对铣削刀具轴线运动影响的情况下，解决了刀具轴线运动模型的数学建模问题，并使用粒子群算法对模型中的未知参数进行了标定。本发明所建立的模型能够清晰地描述主轴的运动，提出的参数标定方法具有测量过程简便，数据处理快速的特点，并且为抑制刀具跳动和提高加工精度提供了理论基础，从而在机械加工过程中可以根据该模型对各个零部件所引入的误差进行分析。

本发明的技术方案为：

本发明首先给出考虑轴承内圈径向误差主轴运动模型和刀具安装误差模型，并通过建立局部坐标系表示出主轴系统各部件及其误差，然后采用坐标变换得方法得出主轴运动误差、刀柄与弹簧夹头安装误差的刀具轴线运动模型。

所述一种考虑刀具跳动的多轴铣削刀具轴线建模方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：在多轴立式铣削加工中心前端轴承安装位置建立坐标系CS1，其中前端轴承孔处圆心为CS1的坐标原点O₁，CS1的X₁、Y₁、Z₁轴分别与机床坐标系CS0的X₀、Y₀、Z₀轴平行；

在坐标系CS1中，建立后端轴承位置处主轴轴心A₁运动轨迹的参数方程为

建立前端轴承位置处主轴轴心A₂运动轨迹的参数方程为