一種空間曲線一次插補緩變誤差補償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及數(shù)控機床加工誤差補償領(lǐng)域，尤其是涉及加工軌跡為空間曲線的加工 過程中對緩變誤差的補償方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 影響數(shù)控機床加工精度的主要因素有：熱變形、機床制造精度、承載變形和伺服系 統(tǒng)誤差等。提高數(shù)控系統(tǒng)加工精度的途徑主要有兩種：硬技術(shù)和軟技術(shù)；其中硬技術(shù)即為 誤差預(yù)防技術(shù)，指通過提高機床的零件精度和裝配精度、改善材料的力學(xué)性能和熱學(xué)性能、 提高伺服系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性等方法，從根本上阻止誤差的產(chǎn)生。軟技術(shù)即為誤差補償技 術(shù)，即通過一定方式獲得誤差量，并在數(shù)控系統(tǒng)中對誤差量進行補償。在實際應(yīng)用中，硬技 術(shù)往往收到成本和技術(shù)的限制，軟技術(shù)則可以在成本較低的情況下獲得較好的效果。
[0003] 誤差補償技術(shù)有多種實施方式，可以從精度、系統(tǒng)復(fù)雜度、技術(shù)難度、經(jīng)濟性等不 同層面，選擇合適的補償方式。
[0004] 從誤差補償?shù)膶崟r性考慮則有，補償技術(shù)的實現(xiàn)有如下實施方式：1.靜態(tài)補償方 式，即將誤差表儲存在數(shù)控系統(tǒng)中，在加工過程中不再改變和更新。2.實時補償法。通過在 線檢測和反饋，實時接受直接或間接的誤差信息，并及時調(diào)整補償量。
[0005] 其中靜態(tài)補償法雖然技術(shù)上比較容易實現(xiàn)，但該方法都行、魯棒性差，且無法對緩 變誤差進行測量。而實時補償法對檢測工具要求高、誤差計算難度大，同時對補償?shù)膶崟r性 要求很高，這使實時補償法在技術(shù)上實現(xiàn)難度很大。
[0006] 因此針對以緩變誤差為主的應(yīng)用需求，可以使用在線軟實時補償方法。這種方法 介于靜態(tài)法和實時法之間，以某一設(shè)定好的頻率來反饋誤差相關(guān)?目息，獲得誤差表后，定期 更新數(shù)控系統(tǒng)的誤差信息。該方法有滯后性，但對于緩變的熱變形已具有足夠的精度。
[0007] 從補償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來說，本補償方法采用一次插補級獨立式補償，這種方法采用獨 立的補償控制器，收集溫度信息和誤差信息，建立補償表，并根據(jù)NC代碼的空間位置信息， 輸出各插補周期內(nèi)的補償量。一次插補級獨立式補償一般在理論一次插補數(shù)據(jù)產(chǎn)生之后， 插補加工實施之前，因此無法做到硬實時，但能滿足緩變誤差補償需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對空間曲線緩變誤差補償問題，本發(fā)明提供了一種空間曲線一次插補緩變誤差 補償方法。
[0009] 本發(fā)明所采用的三個軸上的誤差補償表是動態(tài)計算獲得的，由于誤差補償表上的 分段采樣點都在加工曲線的軌跡上，因此誤差模型的計算只在分段采樣點實施，相比在整 個機床工作空間中計算誤差分布，其計算量大大減小。
[0010] -種空間曲線一次插補緩變誤差補償方法的步驟是：
[0011] 步驟1 :以補償更新周期Tqips為周期對一次插補數(shù)據(jù)進行讀取，并對一次插補數(shù)據(jù) 進行分段采樣，分段采樣的要求是，各分段采樣點之間的距離在X、Y、Z三坐標軸上的分量 不超過L，分段采樣點即誤差補償計算點。
[0012] 步驟2 :通過多點溫度值在線測量，并根據(jù)步驟1中對一次插補數(shù)據(jù)的分段采樣， 建立緩變誤差的正反向補償表。
[0013] 步驟3 :對理論一次插補數(shù)據(jù)在各軸上進行補償，根據(jù)不同的加工方向使用對應(yīng) 的補償表。
[0014] 步驟4 :用進行補償過的一次插補數(shù)據(jù)代替緩沖區(qū)中的理論插補數(shù)據(jù)。
[0015] 步驟5 :返回步驟2,更新誤差表。
[0016] 進一步地，本方法步驟2建立緩變誤差的正反向補償表的過程包括步驟：
[0017] 步驟2. 1 :在步驟1中計算出的分段采樣點上，使用激光干涉儀測量幾何及熱相關(guān) 誤差，同時測量該點溫度。
[0018] 所述的幾何及熱相關(guān)誤差包括21項幾何誤差，包括6個直線度誤差、3個線性位移 誤差、9個轉(zhuǎn)角誤差以及3個垂直度誤差；14項熱相關(guān)誤差，包括主軸的繞X、Y的傾斜、X、 Y、Z三軸溜板在3個方向的熱漂移和主軸在X、Y、Z三個方向的熱漂移。
[0019] 步驟2. 2 :采用齊次坐標變換理論結(jié)合刀具與工件聯(lián)結(jié)鏈矢量建立包含35項幾何 及熱相關(guān)的誤差綜合補償模型，獲得X、Y、Z軸上相應(yīng)的補償量ex，ey，ez。
[0020] 步驟2. 3 :結(jié)合所有分段采樣上的補償量，即可建立補償表。
[0021] 步驟2. 4 :由于一些機床驅(qū)動部件具有反向死區(qū)，各機械傳動副具有反向誤差，數(shù) 控加工中必須對反向間隙進行補償。因此，要對不同加工方向獨立建模，建立正反兩方向的 補償表，補償時采用正反向獨立的補償表進行雙向補償。
[0022] 進一步地，步驟3對理論一次插補數(shù)據(jù)在各軸上進行補償?shù)倪^程包括步驟：
[0023] 步驟3. 1 :讀取第j個插補點數(shù)據(jù)，獲得其X、Y、Z方向坐標值。
[0024] 步驟3. 2 :根據(jù)當前插補點數(shù)據(jù)和（j-Ι)點數(shù)據(jù)，判斷使用正向或反向補償表，具 體判斷方式為：
[0026] X ta_(j)表示在j點的位移，當前點位移大于下一點位移時，使用反向誤差表，否 則使用正向誤差表；
[0027] 步驟3. 3 :確定當前點在補償表中的區(qū)間位置，即從表中找到兩個連續(xù)的補償點， 使該插補點位于兩補償點之間：
[0028] K X target< β 1+1 (2)
[0029] β ρ β 1+1指補償表中的補償點；
[0030] 步驟3. 4 :根據(jù)理論位置與實際位置的對應(yīng)關(guān)系，采用線性插值的方式獲得指令 點Xtal^tU)對應(yīng)的輸出值x?re. (j)。各軸補償計算表示為： CN 105116840 A 說明書 3/4 頁
[0032] 本發(fā)明通過在線軟實時補償，解決了靜態(tài)補償動態(tài)性差的問題以及實時補償成本 較高、技術(shù)難度大的問題，較好地對空間曲線插補中的緩變誤差進行了補償。
【附圖說明】
[0033] 圖1為用于驗證的空間曲線；
[0034] 圖2為X軸速度曲線補償效果；
[0035] 圖3為X軸步長值補償量；
[0036] 圖4為Y軸速度曲線補償效果；
[0037] 圖5為Y軸步長值補償量；
[0038] 圖6為Z軸速度曲線補償效果；
[0039] 圖7為Z軸步長值補償量；
[0040] 圖8為曲線整體輪廓在一次插補數(shù)據(jù)補償后的效果。
【具體實施方式】
[0041] 本發(fā)明以如圖1所示空間曲線為對象，對其有效性進行了驗證。
[0042] 出于仿真研究便利性考慮，直接預(yù)設(shè)X、Y、Z軸統(tǒng)一誤差補償表，X軸統(tǒng)一誤差補償 表見表1〇
[0043] 表1X軸統(tǒng)一誤差補償表
[0045] -次插補點數(shù)為3178,統(tǒng)一誤差表分段數(shù)η = 61。圖2、圖4和圖6為X、Y、Z軸 的補償前后速度變化，圖3、圖5和圖7為單個周期內(nèi)各軸向補償量。
[0046] 從步長值補償量圖可以看到，最大補償量一般出現(xiàn)在加工方向轉(zhuǎn)換處，即由于補 償反向間隙誤差引起。從速度曲線可知，X軸出現(xiàn)1次反向運動，因此，進行一次反向誤差 補償；Z軸進行三次反向誤差補償；Y軸速度一直為正值，不存在反向加工，因此補償量相對 均勻，其最大補償量6. 3 X 10 5mm。
[0047] 曲線整體輪廓在一次插補數(shù)據(jù)補償后的效果如圖8示，由于補償量數(shù)量級很小， 在幾十微米左右，可以看出與用于驗證的圖1曲線非常吻合。
【主權(quán)項】
1. 一種空間曲線一次插補緩變誤差補償方法，其特征在于包含以下步驟： 步驟1 :以補償更新周期TeMPS為周期對一次插補數(shù)據(jù)進行讀取，并對一次插補數(shù)據(jù)進行 分段采樣，分段采樣的要求是，各分段采樣點之間的距離在X、Y、Z三坐標軸上的分量不超 過定值L，分段采樣點即誤差補償計算點； 步驟2 :根據(jù)步驟1中對一次插補數(shù)據(jù)的分段，通過多點溫度值在線測量和誤差評估模 型獲得采樣分段點處的誤差值，進而在三個軸上分別建立緩變誤差的正反向補償表； 步驟3 :對機床內(nèi)部的一次插補數(shù)據(jù)在各軸上進行補償，根據(jù)不同的加工方向使用對 應(yīng)的補償表； 步驟4 :用進行補償過的一次插補數(shù)據(jù)代替緩沖區(qū)中的插補數(shù)據(jù)； 步驟5 :返回步驟2,更新誤差表。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間曲線一次插補緩變誤差補償方法，其特征在于使用一次 插補數(shù)據(jù)點分段采樣_合成的方法對緩變誤差進行補償，將空間曲線根據(jù)步驟1中的要求 進行分段采樣，根據(jù)分段采樣來進行緩變誤差的測量和補償計算，建立正反向補償表。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間曲線一次插補緩變誤差補償方法，其特征在于，所述方 法步驟2建立緩變誤差的正反向補償表的步驟是： 步驟2. 1 :在步驟1中計算出的分段采樣點上，使用激光干涉儀測量幾何及 熱相關(guān)誤差，同時測量該點溫度， 步驟2. 2 :采用齊次坐標變換理論結(jié)合刀具與工件聯(lián)結(jié)鏈矢量建立包含幾何及熱相關(guān) 的誤差綜合補償模型，獲得X、Y、Z軸上相應(yīng)的補償量ex，ey，ez; 步驟2. 3 :結(jié)合所有分段采樣上的補償量，即可建立補償表； 步驟2. 4 :由于一些機床驅(qū)動部件具有反向死區(qū)，各機械傳動副具有反向誤差，數(shù)控加 工中必須對反向間隙進行補償，因此，對不同加工方向獨立建模，建立正反兩方向的補償 表，補償時采用正反向獨立的補償表進行雙向補償。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間曲線一次插補緩變誤差補償方法，其特征在于，所述方 法步驟3對機床內(nèi)部一次插補數(shù)據(jù)在各軸上進行補償?shù)牟襟E是： 步驟3. 1 :讀取第j個插補點數(shù)據(jù)，獲得其X、Y、Z方向坐標值； 步驟3.2:根據(jù)當前插補點數(shù)據(jù)和（j-1)點數(shù)據(jù)，判斷使用正向或反向補償表，具體判 斷方式為-xta_t(j)表示在j點的位移，當前點位移大于下一點位移時，使用反向誤差表，否則使 用正向誤差表； 步驟3. 3 :確定當前點在補償表中的區(qū)間位置，即從表中找到兩個連續(xù)的補償點，使該 插補點位于兩補償點之間： Kxtarget< 0 1+1 (2) 0,、01+1指補償表中的補償點； 步驟3. 4 :根據(jù)理論位置與實際位置的對應(yīng)關(guān)系，采用線性插值的方式獲得指令點的 位移Xta_t(j)對應(yīng)的輸出值xeMPS.(j)，各軸補償計算表示為：
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種空間曲線一次插補緩變誤差補償?shù)姆椒?，該方法包括如下步驟：將空間曲線根據(jù)算法條件進行分段采樣，分段采樣點即為誤差補償點；通過多點在線測量，建立誤差補償表；對理論一次插補數(shù)據(jù)進行補償；用補償過的一次插補數(shù)據(jù)代替原始一次插補數(shù)據(jù)。本發(fā)明通過在線軟實時補償，解決了靜態(tài)補償動態(tài)性差的問題以及實時補償成本較高、技術(shù)難度大的問題，較好地對空間曲線插補中的緩變誤差進行了補償。<!-- 2 -->
【IPC分類】G05B19/404
【公開號】CN105116840
【申請?zhí)枴緾N201510555858
【發(fā)明人】沈洪垚, 侯笛聲, 傅建中
【申請人】浙江大學(xué)
【公開日】2015年12月2日
【申請日】2015年9月2日