專利名稱：面向圓柱凸輪加工的三軸聯(lián)動輪廓誤差補償控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種輪廓誤差補償控制方法，特別是涉及一種面向圓柱凸輪加工的三軸聯(lián)動輪廓誤差補償控制方法。
背景技術(shù)：
圓柱凸輪機構(gòu)與平面凸輪機構(gòu)相比，體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、剛性好、運轉(zhuǎn)可靠、傳動轉(zhuǎn)矩大，在實現(xiàn)間隙分度運動、較大運動升程方面具有很大優(yōu)勢。圓柱凸輪屬于空間凸輪，按照從動件的運動方式可以分為直動從動件圓柱凸輪和擺動從動件圓柱凸輪?？梢圆捎脦в幸粋€回轉(zhuǎn)工作臺的數(shù)控銑床加工圓柱凸輪輪廓，例如在帶有回轉(zhuǎn)工作臺的立式數(shù)控銑床上，可以用X進給軸、A旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動加工直動從動件圓柱凸輪，用X進給軸、Y進給軸、A旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動加工擺動從動件圓柱凸輪。圓柱凸輪加工中影響圓柱凸輪加工精度的誤差來源包括絲杠間隙、導(dǎo)軌不直、熱變形等機床結(jié)構(gòu)誤差，驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)特性、控制器與外部干擾引起的誤差等。其中，由于數(shù)控機床機械部分、伺服驅(qū)動比較復(fù)雜，且涉及機械、電氣、控制及在運動過程中參數(shù)的變化，機床各聯(lián)動進給軸之間實際動態(tài)性能很難做到完全匹配，這直接影響了輪廓精度的提高，是造成輪廓誤差的重要原因。研究表明，在零件加工中對輪廓誤差計算并進行實時補償，是提高系統(tǒng)輪廓精度的有效途徑。輪廓誤差指當前實際刀位點到所跟蹤刀具軌跡曲線的最短距離。在直線軸聯(lián)動場合，輪廓誤差描述直觀，便于計算和補償；但是在直線軸和旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動場合，輪廓誤差的描述以及計算補償較為困難。對現(xiàn)有的技術(shù)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有研究成果多集中在兩個或三個直線軸聯(lián)動時輪廓誤差耦合控制方法，但是對直線軸與旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動加工時輪廓誤差的計算方法、補償方法少有研究。如 Syh-Shiuh Yeh 等在學術(shù)期刊《IEEE TRANSACTIONS ON CONTROL SYSTEMSTECHNOLOGY》(2003，11 (3) :375-382)上發(fā)表的論文“Analysis and Design of IntegratedControl for Multi-Axis Motion Systems”中，提出在三直線軸聯(lián)動時將某采樣周期實際刀位點到指令刀軌曲線上當前插補點處切線的距離近似為輪廓誤差；劉宜等在學術(shù)期刊《系統(tǒng)仿真學報》(2009,21(11) =3381-3386)上發(fā)表的論文“基于工作坐標系的最優(yōu)輪廓控制及其仿真”中，提出在三直線軸聯(lián)動時通過在期望軌跡上建立Frenet坐標系作為工作坐標系，用位置跟隨誤差在工作坐標系中的法向分量來近似輪廓誤差；龔時華等人在學術(shù)期刊《電氣自動化》(2010,32(4) 11-13)上發(fā)表的論文“凸輪軸磨削加工輪廓誤差的自適應(yīng)控制”中，針對一個直線軸和一個旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動加工，提出一種在在極坐標系下凸輪軸磨削加工輪廓誤差的表達式，但該輪廓誤差模型描述較為抽象。綜上所述，在圓柱凸輪零件數(shù)控加工中，如何在每個采樣周期，直觀的描述并高精度的計算輪廓誤差和輪廓誤差補償量，對A軸、X軸、Y軸伺服執(zhí)行機構(gòu)進行補償控制，對于增強各進給軸之間匹配程度，提高輪廓精度具有重要意義，已成為本領(lǐng)域技術(shù)人員急需解決的技術(shù)問題。 發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能克服現(xiàn)有技術(shù)的不足、輪廓誤差描述直觀、計算精度高、輪廓誤差補償控制簡單的面向圓柱凸輪加工的三軸聯(lián)動輪廓誤差補償控制方法。其技術(shù)方案為針對A軸、X軸、Y軸聯(lián)動，在插補加工過程中進行輪廓誤差計算和輪廓誤差補償，其特征在于包括以下步驟I)在對圓柱凸輪輪廓線刀具軌跡插補加工的每個采樣周期，一方面，在機床坐標系下，經(jīng)A軸、X軸、Y軸各自的位置傳感器檢測當前各軸工作臺實際位置，得到實際刀位點R(RA，Rx，Ry)坐標，計算得到A軸、X軸、Y軸的跟隨誤差，分別記為EA、Ex、Ey ;另一方面，將機床坐標系下實際刀位點R(Ra，Rx, Ry)轉(zhuǎn)化到空間直角坐標系Oxyz下，得到對應(yīng)的實際刀位點 R' (Rx' , R/ ,Rz')坐標，其中 Rx' = Rx, R/ =Ry，Rz' = Ry tgRA;
2)在空間直角坐標系Oxyz下，找到圓柱凸輪輪廓線刀具軌跡上距當前實際刀位點R' OV，R/，Rz')最近的兩個插補點pa、Pb，將實際刀位點R'到插補點pa、Pb連線PaPb之距離近似為輪廓誤差e，，將輪廓誤差e，沿X軸、Y軸、Z軸分解得到、丨、e;、
e J ；3)將空間直角坐標系Oxyz下輪廓誤差e ' ( e J，e y'，e J )轉(zhuǎn)化到機床坐
6'
標系下，得到A軸、X軸、Y軸對應(yīng)的輪廓誤差e (eA，ex，e y)，分別為~ = 扠JT，ex =
S
e ' , e = e '；
x7yy ，4)借用A軸、X軸、Y軸進給系統(tǒng)各自跟隨誤差PID位置控制器中的比例系數(shù)KpA、Kpx、Kpy,來計算沿A軸、X軸、Y軸的輪廓誤差補償量,Cea= e A KpA, Cex= e x Kpx w, CEy=e y Kpy w，其中w為引入的比例縮放因子，用來控制輪廓誤差補償程度強弱，在0. 9
I.I之間取值；然后將輪廓誤差補償量CEA、CEX、CEy分別疊加到A軸、X軸、Y軸對跟隨誤差的位置控制量中，并將疊加結(jié)果輸出到A軸、X軸、Y軸的伺服執(zhí)行機構(gòu)進行輪廓誤差補償控制。本發(fā)明與現(xiàn)有方法相比，優(yōu)點是在用A旋轉(zhuǎn)軸、X直線軸、Y直線軸聯(lián)動加工圓柱凸輪時，除了機床坐標系，還建立了空間直角坐標系Oxyz，將機床坐標系下抽象的輪廓誤差轉(zhuǎn)化到Oxyz坐標系下描述，使輪廓誤差描述直觀；在空間直角坐標系Oxyz下，用當前實際刀位點到所跟蹤刀具軌跡曲線上最近的兩個插補點連線之距離近似為輪廓誤差，所以輪廓誤差計算方法簡單，計算精度高；引入比例縮放因子，并借用各軸跟隨誤差位置控制器中比例系數(shù)，使輪廓誤差補償量計算方法簡單、有效。


圖I是本發(fā)明的流程圖。圖2是本發(fā)明的圓柱凸輪加工時機床坐標系和空間直角坐標系圖。圖3是本發(fā)明的面向圓柱凸輪加工的在空間直角坐標系下輪廓誤差計算方法示意圖。圖4是本發(fā)明的面向圓柱凸輪加工的三軸聯(lián)動輪廓誤差計算補償程序流程圖。圖5是采用本發(fā)明的三軸聯(lián)動數(shù)控運動平臺硬件結(jié)構(gòu)圖。圖6是一段圓柱凸輪輪廓線刀具軌跡。
圖7是插補跟蹤圖6所示刀具軌跡時輪廓誤差圖。圖中R'、實際刀位點Pa、插補點Pb、插補點P。、插補點L、刀具軌跡
具體實施例方式針對用A軸、X軸、Y軸聯(lián)動加工圓柱凸輪，下面結(jié)合圖I 4對本發(fā)明做進一步詳細描述I)如圖2所示，在用A軸、X軸、Y軸聯(lián)動加工圓柱凸輪時，X直線軸與Y直線軸垂直，A軸為繞X軸的旋轉(zhuǎn)軸，以此建立機床坐標系；建立的空間直角坐標系Oxyz中，除了聯(lián)動加工的X直線軸、Y直線軸，還虛擬了 Z直線軸，且X軸、Y軸、Z軸符合右手直角笛卡兒坐標系。在對圓柱凸輪輪廓線刀具軌跡插補加工的每個采樣周期，在機床坐標系下，經(jīng)A軸、X軸、Y軸各自的位置傳感器(如圓光柵、光柵尺等)檢測當前各軸工作臺實際位置，得到實際刀位點R(Ra，Rx, Ry)坐標，與A軸、X軸、Y軸的插補指令點相減計算得到A軸、X軸、Y軸的跟隨誤差，分別記為EA、Ex、Ey ;另一方面，將機床坐標系下實際刀位點R(Ra，Rx, Ry)坐標轉(zhuǎn)化到空間直角坐標系Oxyz下，得到對應(yīng)的實際刀位點R' (Rx/ , R/，Rz')坐標，其中Rx' = Rx(I)R/ = Ry(2)Rz' = Ry tgRA(3)2)如圖3所示，在空間直角坐標系Oxyz下，設(shè)某圓柱凸輪輪廓線刀具軌跡為L，當前實際刀位點為R'，找到圓柱凸輪輪廓線刀具軌跡L上距當前實際刀位點R'最近的兩個插補點M丄PaPb,則在Oxyz坐標系下輪廓誤差e 'M，將輪廓誤差e丨沿X軸、Y軸、Z軸分解得到e x'、e/、e z'。3)將空間直角坐標系Oxyz下輪廓誤差e ' ( e x'，e /，e z')轉(zhuǎn)化到機床坐標系下，得到A軸、X軸、Y軸對應(yīng)的輪廓誤差e (eA, e x, ey)，分別為
S ',、
sA - arctgC4)ex= e /(5)ey= e /(6) 4)設(shè)A軸進給系統(tǒng)跟隨誤差PID位置控制器中比例系數(shù)為KpA，積分系數(shù)為KiA，微分系數(shù)為KdA ;設(shè)X軸進給系統(tǒng)跟隨誤差PID位置控制器中比例系數(shù)為Kpx，積分系數(shù)為Kix，微分系數(shù)為Kdx ;設(shè)Y軸進給系統(tǒng)跟隨誤差PID位置控制器中比例系數(shù)為Kpy，積分系數(shù)為Kiy,微分系數(shù)為Kdy ;則容易計算在該采樣周期A軸、X軸、Y軸各自的跟隨誤差位置控制量，設(shè)分別為CEA、CEx、CEy ;借用A軸、X軸、Y軸進給系統(tǒng)各自跟隨誤差PID位置控制器中的比例系數(shù)KpA、Kpx, Kpy，并引入輪廓誤差補償比例縮放因子w，其中w在0. 9 I. I之間依實際補償效果取值，來計算沿A軸、X軸、Y軸的輪廓誤差補償量Cea= eA*KpA(7)Cex= e x Kpx w(8)、
Ccy= e y Kpy w(9)然后將各軸輪廓誤差補償量和跟隨誤差位置控制量相疊加，A軸的疊加結(jié)果為(CEA+CEA)，X軸的疊加結(jié)果為(CEx+Cex)，Y軸的疊加結(jié)果為(CEy+CEy)，最后將疊加結(jié)果分別輸出到A軸、X軸、Y軸的伺服執(zhí)行機構(gòu)進行輪廓誤差補償控制。本發(fā)明可在圖5所示的A軸、X軸、Y軸三軸聯(lián)動數(shù)控運動平臺的數(shù)控系統(tǒng)中獲得實現(xiàn)由工控機和可編程DSP運動控制卡構(gòu)成上下位機結(jié)構(gòu)，通過USB實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，采樣周期等于插補周期，均為T = 4ms。X軸、Y軸均用交流伺服電機和滾珠絲杠螺母副拖動工作臺運動，在每個采樣周期用光柵尺檢測工作臺實際位置；A軸用交流伺服電機和蝸桿蝸輪傳動副拖動工作臺旋轉(zhuǎn)運動，在每個采樣周期用圓光柵檢測工作臺實際位置。在可編程DSP運動控制卡中實現(xiàn)加減速控制、插補算法、跟隨誤差位置控制、輪廓誤差計算及補償控制等。圖6為一段圓柱凸輪輪廓線刀具軌跡，用參數(shù)曲線形式描述在A軸、X軸、Y軸
X = IOOf
聯(lián)動的機床坐標系下描述為少=35cos2^，(0</<1);在圖2所示建立的空間直角坐標系
A = Int
X - IOOf
Oxyz 下描述為< y = 35 cos 2^，(0 < / < I) □z = 3 5 sin 2^/圖7為插補跟蹤圖6所示輪廓線刀具軌跡時輪廓誤差圖。其中，圖7中datal為不采取本發(fā)明所提出輪廓誤差計算、補償控制方法時輪廓誤差圖，最大輪廓誤差為0. 112mm左右。當采用本發(fā)明所提出輪廓誤差計算、補償控制方法時(令W= I. 05)，輪廓誤差曲線如圖7中data2所示，最大輪廓誤差為0. 065mm左右。對比說明，本發(fā)明所提出的針對A軸、X軸、Y軸聯(lián)動的輪廓誤差計算、補償控制方法非常有效，可以提高輪廓精度，減小輪廓誤差，增強A軸、X軸、Y軸之間匹配程度。本發(fā)明適合于旋轉(zhuǎn)軸和直線軸聯(lián)動控制場合，可在圓柱凸輪加工的數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機床中應(yīng)用和推廣。
權(quán)利要求
1.ー種面向圓柱凸輪加工的三軸聯(lián)動輪廓誤差補償控制方法，針對A軸、X軸、Y軸聯(lián)動，在插補加工過程中進行輪廓誤差計算和輪廓誤差補償，其特征在于包括以下步驟I)在對圓柱凸輪輪廓線刀具軌跡插補加工的每個采樣周期，一方面，在機床坐標系下，經(jīng)A軸、X軸、Y軸各自的位置傳感器檢測當前各軸工作臺實際位置，得到實際刀位點R(Ra，Rx, Ry)坐標，計算得到A軸、X軸、Y軸的跟隨誤差，分別記為Ea、Ex、Ey ;另ー方面，將機床坐標系下實際刀位點R(Ra，Rx, Ry)轉(zhuǎn)化到空間直角坐標系Oxyz下，得到對應(yīng)的實際刀位點R' (Rx' ,R/，RZ')坐標，其中 Rx' = Rx, R/ =Ry，Rz' = Ry · tgRA ;2)在空間直角坐標系Oxyz下，找到圓柱凸輪輪廓線刀具軌跡上距當前實際刀位點R' OV , R/，RZ')最近的兩個插補點Pa、Pb，將實際刀位點V到插補點Pa、Pb連線PaPb之距離近似為輪廓誤差ε ,，將輪廓誤差ε，沿X軸、Y軸、Z軸分解得到εノへ'、り；3)將空間直角坐標系Oxyz下輪廓誤差ε'(りへ'へ')轉(zhuǎn)化到機床坐標系下，得到A軸、X軸、Y軸對應(yīng)的輪廓誤差ε ( ε Α，ε χ，ε y)，分別為らε X = ε ノ , ε y = ε / ;4)借用A軸、X軸、Y軸進給系統(tǒng)各自跟隨誤差PID位置控制器中的比例系數(shù)KpA、Kpx, Kpy,來計算沿A 軸、X 軸、Y 軸的輪廓誤差補償量，Cea = εΑ· KpA, Cex= ε χ · Kpx · w, CEy = ε y · Kpy · w,其中w為引入的比例縮放因子，用來控制輪廓誤差補償程度強弱，在0. 9 I. I之間取值；然后將輪廓誤差補償量CeA、CEX、CEy分別疊加到A軸、X軸、Y軸對跟隨誤差的位置控制量中，并將疊加結(jié)果輸出到A軸、X軸、Y軸的伺服執(zhí)行機構(gòu)進行輪廓誤差補償控制。
全文摘要
本發(fā)明提供一種面向圓柱凸輪加工的三軸聯(lián)動輪廓誤差補償控制方法，針對A軸、X軸、Y軸聯(lián)動，在插補加工過程中進行輪廓誤差計算和補償，其特征在于在每個采樣周期，在機床坐標系下檢測得到A軸、X軸、Y軸工作臺實際位置；轉(zhuǎn)化到空間直角坐標系下，將當前實際刀位點到圓柱凸輪輪廓線刀具軌跡上最近的兩個插補點連線之距離近似為輪廓誤差；再轉(zhuǎn)化到機床坐標系下得到A軸、X軸、Y軸相應(yīng)的輪廓誤差；引入比例縮放因子，經(jīng)比例控制得到輪廓誤差補償量，再分別與A軸、X軸、Y軸對跟隨誤差的位置控制量相疊加，輸出到伺服執(zhí)行機構(gòu)。本發(fā)明優(yōu)點是在A軸、X軸、Y軸聯(lián)動加工時，輪廓誤差描述直觀、計算精度高，輪廓誤差補償方法簡單、有效。
文檔編號G05B19/404GK102662351SQ20121007386
公開日2012年9月12日 申請日期2012年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月18日
發(fā)明者王士軍, 趙國勇, 趙慶志, 趙玉剛 申請人:山東理工大學