基于修改nc程序的數(shù)控機(jī)床綜合誤差三階優(yōu)化補(bǔ)償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于多軸數(shù)控機(jī)床綜合誤差補(bǔ)償關(guān)鍵技術(shù)研究領(lǐng)域，特別涉及一種修改原 NC加工程序的多軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床綜合誤差離線補(bǔ)償方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 多軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床綜合誤差補(bǔ)償一直是數(shù)控加工和智能控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。數(shù) 控機(jī)床的誤差補(bǔ)償方法主要分為硬件誤差補(bǔ)償和軟件誤差補(bǔ)償。硬件誤差補(bǔ)償方法，主要 是針對數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)性、規(guī)律性、可重復(fù)的誤差項(xiàng)，通過檢測各相關(guān)運(yùn)動軸傳動鏈的誤差變 化曲線，設(shè)計(jì)計(jì)算出與原傳動部件互補(bǔ)的矯正機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償，該方法對不同的運(yùn)動軸 和不同的機(jī)床需要設(shè)計(jì)特定的補(bǔ)償裝置，通用性較差且成本較高。近年來，軟件誤差補(bǔ)償方 法成為數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償主要研究方向?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色理論、多體系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)、時間 序列及蟻群算法等理論方法，研究者們提出了各種各樣的補(bǔ)償方法。[張秋菊，趙一丁，毛軍 紅，林其駿.模糊自學(xué)習(xí)誤差補(bǔ)償方法及其在位置誤差補(bǔ)償中的應(yīng)用[J].西安交通大學(xué)學(xué) 報(bào)，1995,29(2):67-72.]，該文獻(xiàn)提出了一種模糊自學(xué)習(xí)的軟件誤差補(bǔ)償方法并成功應(yīng)用 于開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置誤差補(bǔ)償，其特點(diǎn)在于根據(jù)誤差及其變化率，進(jìn)行fuzzy推理獲取誤 差修正值，米用自學(xué)習(xí)技術(shù)生成誤差校正表。[Hsu YY,Wang SS.A new compensation method for geometry errors of five-axis machine tools[J]?International Journal of Machine Tools and Manufacture,2007,47(2):352-360.]，該文獻(xiàn)根據(jù)數(shù)控 機(jī)床的正向逆向運(yùn)動學(xué)方程通過解耦方法先計(jì)算出轉(zhuǎn)動軸誤差后計(jì)算出線性軸誤差，通過 修改NC代碼來實(shí)現(xiàn)加工誤差補(bǔ)償。[傅建中，付國強(qiáng)，賀永，林志偉.一種基于工件模型重建 的三軸數(shù)控機(jī)床幾何誤差補(bǔ)償方法[P].中國：發(fā)明專利，CN104057363A，2014.06.10]，該發(fā) 明公開了一種基于工件模型重建的數(shù)控機(jī)床幾何誤差補(bǔ)償方法，采用等參數(shù)法得到工件表 面上各點(diǎn)坐標(biāo)并代入誤差模型進(jìn)行修正，依據(jù)修正后的各關(guān)鍵點(diǎn)位重建工件模型，將工件 原點(diǎn)作為程序原點(diǎn)生成相應(yīng)的加工路徑和代碼，實(shí)現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床幾何誤差的補(bǔ)償。
[0003] 雖然已有各種各樣的多種理論和方法的研究，但對于那些長期服役后加工精度大 幅衰減的多軸數(shù)控機(jī)床還缺少通用的誤差補(bǔ)償方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中，對于長期服役后加工精度大幅度衰減的多 軸數(shù)控機(jī)床缺少通用的誤差補(bǔ)償方法的問題。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種基于修改NC程序的數(shù)控機(jī)床綜合誤差三階優(yōu)化 補(bǔ)償方法，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床加工運(yùn)動的綜合誤差離線補(bǔ)償，從而提高加工精度。該方法的具體 步驟如下：
[0006] 根據(jù)多體系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)理論和機(jī)床的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立多軸數(shù)控機(jī)床位姿誤差預(yù)測模 型；
[0007] 基于欲加工工件的NC程序，讀取進(jìn)給軸運(yùn)動的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，計(jì)算起始點(diǎn)與終 止點(diǎn)之間的距離，若所述距離產(chǎn)生誤差大于設(shè)定的誤差閾值，則進(jìn)行誤差三階優(yōu)化補(bǔ)償并 修改所述NC程序；
[0008] 將修改后的NC程序?qū)攵噍S數(shù)控機(jī)床伺服控制系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)際銑削加工。
[0009] 具體地，進(jìn)行三階優(yōu)化補(bǔ)償?shù)木唧w方法如下：
[0010] 分段細(xì)化:將進(jìn)給軸或主軸起始點(diǎn)位設(shè)為，終止點(diǎn)位設(shè)為Nn(Xn，Yn， Zn)，按優(yōu)先數(shù)系增長量將起始點(diǎn)至終止點(diǎn)的軌跡分為n-1段，其各點(diǎn)位NdXuYhZO按下式 求出： (Zi-Xj) +(}j-^) +(^-2,) ={rty r〇〇11l j Xl = (Xn-Xl)t+X-X]<Xi<X n _ 2； - z^t+Zj；,^ <zt <zn
[0012]其中，rt為優(yōu)先數(shù)系的增長系數(shù)，t與r為正數(shù)，i為取值從1到n的正整數(shù)；
[0013] 分段初次優(yōu)化:將所述各個點(diǎn)位坐標(biāo)代入公式
[0014] N^y^f = 1)
[0015] 后，將計(jì)算得到的〇,，)', 4)代入公式
[0016] N；(X；^ ,Z；) = N,(X,(A7,,(x,, v,,z,) - N,{X,,Y"Z,)) 2)；
[0017]深度優(yōu)化:將計(jì)算得到的Ni '（Xi '，Yi '，Zi '）代入公式1)和2)，在約束條件| Ni"（Xi"， Yi "，ZO-K'd，h'石'）| < eff進(jìn)行迭代計(jì)算實(shí)現(xiàn)深度優(yōu)化，其中，￡1表示誤差閾值。
[0018] 具體地，當(dāng)預(yù)走指令為G00時，由于該指令不需要考慮中間軌跡，因此按照上述方 法進(jìn)行誤差離線補(bǔ)償。
[0019] 一種具體的情況是，對于直線插補(bǔ)數(shù)控指令G01，進(jìn)行三階優(yōu)化補(bǔ)償后，將所述各 個點(diǎn)位的方向與所讀取的NC程序中該段直線的方向進(jìn)行比較，具體方法如下：
[0020] 比較
?的大小，
[0021] 當(dāng)a最小時，Xi"為保留基準(zhǔn)，
[0022] ，得到新的點(diǎn)位坐標(biāo)N，' ⑷"，Yi"，Z，），
[0023] 當(dāng)b最小時，Yi"為保留基準(zhǔn)，
[0024] 丨$ = (5 -，得到新的點(diǎn)位坐標(biāo) N/，(X: "，Yi "，Z/，）， I ={Z"-Zl)*h + Z,_l
[0025] 當(dāng)c最小時，Zi"為保留基準(zhǔn)，
[0026] |'= $ - …，得到新的點(diǎn)位坐標(biāo)N/，(X:"，Yi"，Z/，）。
[0027]另一種具體的情況是，對于圓弧軌跡插補(bǔ)指令G02/03,其三階優(yōu)化補(bǔ)償方法具體 如下：
[0028] 設(shè)在G17指令設(shè)置的平面上，根據(jù)公式
[0029] r = W+I
[0030]計(jì)算出該段理想原圓弧半徑，根據(jù)公式
[0032]計(jì)算出弦長，根據(jù)公式
[0034]計(jì)算出夾角，其中，當(dāng)指令為G02時，a取"-"，當(dāng)指令為G03時，a取"+" ；
[0035]分段細(xì)化:根據(jù)優(yōu)先數(shù)系，采用圓心角度增量的方式，確定出圓弧iDiDsI上的n個關(guān) 鍵點(diǎn)位，對該段圓弧曲線進(jìn)行分段細(xì)化，具體方法為:設(shè)該段圓弧起始點(diǎn)位DKmjOSNi (父1，￥1，21)，終止點(diǎn)位02(父 2，丫2,22)為化(父11，￥11，2 11)，并按公式 r 1 fX = X + r.cGsCa〗±句
[o036Mn+r-
[0037] 計(jì)算出關(guān)鍵點(diǎn)位坐標(biāo)Ni(Xi，Yi)，當(dāng)指令為G02時，取，當(dāng)指令為G03時，取"+"，0 為角度增量；
[0038]分段優(yōu)化:根據(jù)公式
[0040]計(jì)算得到各個關(guān)鍵點(diǎn)位坐標(biāo)Ni(Xi，Yi，Zi)，并將各個關(guān)鍵點(diǎn)位坐標(biāo)代入公式1)，計(jì) 算出進(jìn)給軸或主軸實(shí)際走過的圓弧軌跡，再把各關(guān)鍵點(diǎn)位實(shí)際坐標(biāo)值代入公式2)，進(jìn)行分 段優(yōu)化；
[0041]深度優(yōu)化:把所得各優(yōu)化關(guān)鍵點(diǎn)位值作為初值，代入公式1)與公式2)在約束條件 ⑷"，Y:"，Z，'），'（X，土'石'）| < e2下進(jìn)行迭代計(jì)算實(shí)現(xiàn)深度優(yōu)化，其中，￡2表示誤差 閾值。
[0042]對于圓弧軌跡插補(bǔ)指令G02/03,進(jìn)一步地，進(jìn)行深度優(yōu)化后，根據(jù)公式
[0043] \1, = x〇^xrl U=u丨
[0044] 對圓心進(jìn)行校正，（Ii'，Ji'）表示校正后的圓心坐標(biāo)。
[0045] 對于圓弧軌跡插補(bǔ)指令G02/03，進(jìn)一步地，對于進(jìn)行深度優(yōu)化后的點(diǎn)位值，還包 括：
[0046] 計(jì)算 A = ^{r'f + {j：\ - t)_'，當(dāng) A >e3 時，根據(jù)公式
[0047] 點(diǎn)位做進(jìn)一步的修正，其中，e3表示誤差閾值。
[0048] 在本發(fā)明中，若預(yù)走指令中包含擺動軸的運(yùn)動，則：
[0049] 在該段軌跡之間插入中間點(diǎn)位作為分段細(xì)化關(guān)鍵點(diǎn)，中間點(diǎn)位Nl.5(Xl.5，Yl.5，Zl.5) 坐標(biāo)計(jì)算方法為：
[0051] 將點(diǎn)位 公式2)，實(shí)現(xiàn)初次優(yōu)化得到點(diǎn)位化'（t '，h '，Zi '）與化' (M '，Bi '）；
[0052]將點(diǎn)位點(diǎn)位Ni '（Xi '，Yi '，Zi '）與Ni '（Ai '，Bi '）代入公式1)及公式2)，在約束條件 ....... , 1下進(jìn)行迭代運(yùn)算實(shí)現(xiàn)深度優(yōu)化，得到修正值N/'Ui "，Yi "，Z/'）
[|飄』,+ )-順，馬)卜4 與Ni"（Ai"，Bi"），其中，￡4表不誤差閾值。
[0053]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的基于修改NC程序的數(shù)控機(jī)床綜合誤差三階優(yōu)化補(bǔ) 償方法，在不需要更新數(shù)控機(jī)床硬件設(shè)備和增加成本投入的同時，優(yōu)化數(shù)控機(jī)床綜合誤差 補(bǔ)償并提高加工精度。其中誤差的測量和辨識階段，需要依據(jù)高精度雙頻激光干涉儀和球 桿儀對多軸數(shù)控機(jī)床各進(jìn)給軸與主軸進(jìn)行全面誤差測量和辨識，為三階優(yōu)化補(bǔ)償方法提供 可靠地依據(jù)。運(yùn)用該三階優(yōu)化補(bǔ)償方法操作簡單效率高。
【附圖說明】
[0054]圖1為實(shí)施例的多軸數(shù)控機(jī)床綜合誤差三階優(yōu)化補(bǔ)償方法流程圖；
[0055] 圖2為實(shí)施例的A/B雙擺角龍門數(shù)控銑床綜合誤差的離線式補(bǔ)償三階優(yōu)化方法操 作流程圖；
[0056] 圖3為實(shí)施例的某型工件數(shù)控加工NC程序；
[0057]圖4為實(shí)施例的某型工件修改后的數(shù)控NC程序。
【具體實(shí)施方式】
[0058] 以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述，應(yīng)當(dāng)注意的是， 實(shí)施例僅僅是為了幫助讀者更好理解本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思而例舉的應(yīng)用實(shí)例，其并不用以限 定本發(fā)明的保護(hù)范圍。本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明技術(shù)方法啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí) 質(zhì)的其它各種誤差補(bǔ)償方法或做簡單更改的方法都將在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0059] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中，長期服役后加工精度大幅度衰減的多軸數(shù)控機(jī)床缺少通 用的誤差補(bǔ)償方法的問題，提供一種"分段細(xì)化-分段優(yōu)化-深度優(yōu)化"的三階優(yōu)化數(shù)控機(jī)床 運(yùn)動誤差離線補(bǔ)償方法。茲方法基于已有的NC程序，從相應(yīng)的程序行中讀取進(jìn)給軸或主軸 運(yùn)動的起始點(diǎn)位和終止點(diǎn)位，將該段軌跡進(jìn)行分段細(xì)化;計(jì)算出該路徑上的各個關(guān)鍵點(diǎn)位 并運(yùn)用數(shù)控機(jī)床