基于NX的S试件数控编程优化策略

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一、引言

5轴联动数控机床在曲面零件加工领域有着巨大的优势，因而被广泛应用于汽车、航空航天工业。由于5轴联动机床运动过程包含了线性轴和旋转轴的同步运动，因此其运动学误差的辨识非常困难。而现有检测试件标准主要采用美国的NAS 979试件进行机床精度衡量。

然而在工业实际应用中，大量的加工实例表明一些通过了NAS 979标准测试达到了相应加工精度的机床，仍不能满足相应精度曲面的加工需求，实际加工过程中零件加工精度仍存在较大偏离。

为了更加真实地测试出5轴联动数控机床真实的动态加工精度水平，在总结实践经验的基础上，成都飞机工业（集团）有限责任公司提出了“S”形测试件应用于多轴机床的动态精度验收，形成了基于“S”形测试件的5轴联动机床动态加工精度测试标准和相关专利。但由于S试件对编程及加工要求较高，国内机床制造业和数控机床应用企业均不能很好地完成S试件的编程和加工。

为此，本文基于nx软件进行S试件编程技术研究，提出了一种S试件数控编程优化策略，对生成的S试件刀位质量进行对比和分析，并在某国产多轴数控机床上得到试切验证，为数控机床制造商和数控加工企业提出了一种S试件编程的优化方法。

二、S试件特点及加工过程中存在的问题

该试件主要由一个呈“S”形状的3～8mm直纹面等厚缘条和一个矩形基座组合而成，主要结构组成如图1所示。

S试件的主体是一个呈“S”型走向的扭曲曲面形成的等厚度缘条，曲面形状复杂。使用棒刀加工时，刀具轴向必须连续变换，机床必须能完美执行5轴联动的坐标连续换向。加工中，机床进行5轴联动的坐标连续换向，能集中反应机床的几何精度、定位精度、动态特性以及反向误差等特性。

切削完成后的S试件对缘条型面尺寸精度要求较高，为±0.05mm，缘条厚度公差为±0.1mm，缘条表面粗糙度为3.2μm，总体技术难度要求较高。

影响S试件加工精度和质量的因素很多，包括机床静态精度、动态精度，还有S试件编程精度、机床控制系统的运动控制方法等，这些影响因素反应加工中就主要体现在S试件缘条厚度不均、缘条表面尺寸精度无法保证、缘条表面存在明显折痕和表面波纹现象。

本文主要对S试件编程方式和优化方法进行研究，以求得到一种通用的数控编程方法，使S试件缘条精加工程序的刀轴摆动平稳性、点位的准确性得到有效控制。常见的S试件缘条型面精加工程序存在的主要问题在于：程序步距不均匀、步距之间刀轴摆动过大等，如图2所示。

三、基于NX的S试件加工优化策略

由于S试件缘条型面要求由棒刀侧齿完成加工，并需保证缘条型面精度和表面质量，其典型加工过程如图3所示。

针对S试件的缘条曲面精加工，对比此前出现的步距不均、刀轴摆动存在突变的情况，在NX软件环境重点控制步距的均匀性和刀轴的平稳性。

主要优化策略有以下几个方面。

①选择曲面驱动作为驱动点的生成方式，以S试件的缘条型面为驱动体（图4）。

②控制轴向深度控制为1层，实际加工中根据刀具参数和性能进行手动法向分层，以免应用软件进行轴向分层时产生的层间刀轴交错等缺陷。

③切削步长改公差控制方式为数量控制方式，第一刀切削和最后一刀切削的点数均设置为较大值（如5000），以保证驱动点在缘条型面上均匀分布。

④合理控制切削刀轴的最大刀轴更改和最小刀轴更改参数，并根据机床动态性能严格控制最大切削步长，如图5所示。

通过上述重要的改进策略，可得到步距均匀、刀轴过度平稳的缘条型面精加工程序，如图6所示。

四、实验验证

为了验证本编程优化策略，本文选择了两种方案进行对比试切，一种为传统的NX曲面轮廓编程模式，另一种为上文提到的优化编程模式。试切机床为某国产龙门数控多轴铣床，控制系统为Siemens 840D，对比试切后的缘条型面局部情况对比如图7所示。

缘条型面的轮廓误差由原来的超差50个点，降低到只超差15个点（型面轮廓误差检查总点数为75点），尺寸精度提升显著。

五、结语

由此可见，上述基于NX的S试件型面编程优化策略是有效的，能显著提升编程精度，改善S试件缘条型面表面质量，可供机床制造商和企业用户在5轴联动机床S试件精度测试过程中参考。