基于刀位点修改的曲面刀轨轮廓误差补偿方法技术

本发明专利技术基于刀位点修改的曲面刀轨轮廓误差补偿方法属于数控机床动态误差补偿领域，涉及一种轮廓误差估计新方法和基于刀位点修改的曲面刀轨轮廓误差补偿新方法。该方法在辨识加工进给轴控制系统伺服增益的基础上，根据随动误差模型和直线插补加工代码，离线估计实际加工点；利用理想刀轨“累加弦长参数三次样条”近似的方法估计轮廓误差矢量；再利用轮廓误差矢量在各轴的分量计算轮廓误差补偿值，得到补偿后刀位点，进而生成补偿后直线插补数控加工代码，用于实际加工。该方法是提高数控机床动态精度的刀轨轮廓误差补偿方法，精确度高，计算过程稳定，无需在线测量。便于实施，适用范围广。

【技术实现步骤摘要】
基于刀位点修改的曲面刀轨轮廓误差补偿方法
本专利技术属于一种数控机床的动态误差补偿领域，涉及一种轮廓误差估计新方法和基于刀位点修改的曲面刀轨轮廓误差补偿新方法。
技术介绍
航空航天、能源动力等领域高端装备中存在许多对轮廓精度要求高的复杂曲面零件，如航空发动机叶片、船用整体叶轮等。以航空发动机叶片为例，若其轮廓精度不达标，将直接影响其气动性能，进而导致航空发动机工作存在重大安全隐患。目前，为保证该类零件的加工精度，导致加工效率低，无法满足航空航天、能源动力等领域快速发展对高轮廓精度复杂曲面零件的大量需求。采用高进给速度进行加工是提高高轮廓精度复杂曲面零件加工效率的重要手段之一。然而，由于数控机床伺服控制系统动态特性的限制，加工进给速度较高时，数控机床刀具加工轨迹曲线的轮廓误差明显增加。针对高轮廓精度复杂曲面零件，其刀具加工轨迹往往为曲率变化较大的曲线，导致产生的轮廓误差更加明显，刀具加工轨迹曲线大的线轮廓误差将直接导致高轮廓精度复杂曲面零件加工表面的面轮廓精度降低，无法满足高轮廓精度复杂曲面零件加工质量要求。由此，高轮廓精度复杂曲面零件数控加工效率的提升与轮廓精度不高之间的矛盾凸显。曲面数控加工轮廓误差得到了学者的广泛关注。相关研究主要集中在轮廓误差估计和轮廓误差降低两个方面。轮廓误差估计方面，文献“Estimationofthecontouringerrorvectorforthecross-coupledcontroldesign”，Syh-ShiuhYeh等，IEEE/ASMETransactionsonMechatronics，2002，7(1)：44-51，该文献中利用切线近似代替期望加工轨迹的方法对自由曲线轮廓误差进行估计，然而当加工轨迹曲线的曲率较大时，该方法的估计精度显著降低。文献“一种实时轮廓误差估计方法”，李培新等，中国机械工程，2011，22(4)：419-423，该文献中利用三次样条插值的方法估计轮廓误差，提高了估计精度。然而，由于三次样条曲线是基于“小挠度”假设定义的，故当加工轨迹曲线的曲率较大时，三次样条插值曲线势必产生很大波动，故该方法不适用于估计大曲率曲线的加工轮廓误差。此外，三次样条无法对垂直切线轮廓进行拟合，导致算法不稳定。轮廓误差降低方面，文献“Contourerrorreductionforfree-formcontourfollowingtasksofbiaxialmotioncontrolsystems”，Ming-YangCheng等，RoboticsandComputer-IntegratedManufacturing，2009，25(2)：323-333，该文献通过在伺服控制系统中增加前馈控制器、反馈控制器和交叉耦合控制器，以及调整加工进给速度的方法有效降低了轮廓误差。然而，该方法须改进数控机床各进给轴伺服控制系统结构，对高度集成化数控机床适用性降低。综上，目前的轮廓误差估计方法均无法估计大曲率加工轨迹曲线的轮廓误差，轮廓误差降低方法亦存在缺陷。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有技术的缺陷，专利技术一种适用范围广、精度高、稳定性好的轮廓误差估计方法和一种基于刀位点修改的曲面刀轨轮廓误差补偿方法，补偿方法通过测量拐角轮廓和直线轮廓的加工误差，辨识各加工进给轴控制系统的位置环伺服增益；利用直线插补加工代码估计理论刀位点对应的的实际加工位置；再利用“累加弦长参数三次样条”插值方法，对期望加工轨迹进行拟合，有效提高复杂曲面零件轮廓精度。本专利技术的技术方案是一种基于刀位点修改的曲面刀轨轮廓误差补偿方法，该方法基于典型刀具加工轨迹的误差测量，对各加工进给轴控制系统的伺服增益系数进行辨识；根据伺服控制系统随动误差模型，利用直线插补加工代码估计理论刀位点对应的的实际加工位置；再利用“累加弦长参数三次样条”插值方法，对期望加工轨迹进行拟合，通过计算实际加工位置到期望加工轨迹曲线轮廓的距离，获得轮廓误差矢量的估计值；最后，利用轮廓误差矢量在各加工进给轴的分量计算刀具加工轨迹轮廓误差补偿值，得到补偿后刀位点，进而得到补偿后直线插补加工代码，并用于实际加工，从而提高刀具加工轨迹的轮廓精度，最终提高复杂曲面零件轮廓精度；该方法的具体步骤如下：1)基于典型刀具加工轨迹轮廓误差测量对各加工进给轴控制系统的位置环伺服增益进行辨识由于刀具加工轨迹轮廓误差估计算法以获得各加工进给轴控制系统的伺服增益系数为前提，故基于典型刀具加工轨迹轮廓误差测量对机床X、Y进给轴位置环伺服增益进行辨识。首先，设计拐角轮廓C1C2C3，其中C1C2段与机床X进给轴正向夹角为零，数控指令加工进给速度为v0，C2C3段与机床X进给轴正向夹角为α，数控指令加工进给速度为v0/cosα，故在该加工轨迹全程，X进给轴加工进给速度分量始终为v0。与该加工轨迹对应的实际加工轨迹为C1'C2'C3'，考虑静态误差的影响，C2和C2'之间的距离，即拐点处加工误差Ex＝ex(v0)+e0，其中ex(v0)为与加工进给速度有关的随动误差，且e0为机床在C2点处的静态误差，故可得：拐点误差Ex与X进给轴加工进给速度分量v0之间呈线性关系，利用最小二乘法辨识出X进给轴控制系统的位置环伺服增益Kvx。其次，通过测量直线轨迹的轮廓误差，对Y进给轴控制系统的位置环伺服增益进行辨识。与拐角误差相比，直线轨迹轮廓误差较小，不易测量，故设计l1、l2、l3三条间距相同的理论加工直线段轨迹，且与X进给轴正向夹角相同，为θl，l1'、l2'、l3'分别为l1、l2、l3对应的实际加工轨迹；l1和l3的加工进给速度相同且相对很低，故轮廓误差相等且相对较小，为El0；l2的加工进给速度高，为vl，轮廓误差为El，根据直线轨迹轮廓误差模型，二者满足：此外，令l1'与l2'间距为d1，l2'与l3'间距为d2，由尺寸关系得：结合(2)、(3)式得到：Δd＝Cons·vl-El0(4)式中，通过测量间距d1和d2，并计算得出；Cons为常数，且：从(4)式看出，Δd与vl之间为线性关系，故通过测量并计算不同进给速度vl下的Δd值，利用最小二乘法拟合出系数Cons，并利用(5)式和已辨识出的Kvx计算得出Y轴伺服增益Kvy：2)计算理论刀位点对应的实际加工位置根据西门子系统的数控机床在“连续路径”运行模式下高进给速度加工刀具轨迹轮廓误差的产生机理，令第i个理论刀位点为Ri(Rxi,Ryi)，则与之对应的实际加工位置Pi(Pxi,Pyi)为：式中，ex_i、ey_i为各进给轴的随动误差，且：其中，vx_i、vy_i分别为第i个程序段X轴和Y轴的进给速度分量，vi为加工代码中指定的该程序段进给速度，固有：令第一个刀位点处，理论刀位点与实际加工位置坐标相同，并综合式(7)、(8)、(9)估计实际加工位置的数学模型为：3)利用“累加弦长参数三次样条”插值估计期望加工轨迹根据直线插补数控加工代码，估计期望加工轨迹在各刀位点处的切向量。对于第i个插补刀位点Ri来说，利用其前一个刀位点Ri-1和后一个刀位点Ri+1连线的矢量作为Ri处理论加工轨迹的切线Tangi；另外，对于加工轨迹的起始点R1，没有前一个刀位点，利用第一和第二个刀位点连线矢量作为加工轨迹起始刀位点R1处的切向本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于刀位点修改的加工曲面刀轨轮廓误差补偿方法，其特征是，该方法在辨识加工进给轴控制系统伺服增益的基础上，根据随动误差模型和直线插补加工代码，离线估计实际加工点；利用理想刀轨“累加弦长参数三次样条”近似的方法估计轮廓误差矢量；再利用轮廓误差矢量在各轴的分量计算轮廓误差补偿值，得到补偿后刀位点，进而生成补偿后直线插补数控加工代码，用于实际加工，从而提高高进给速度加工曲面刀轨的轮廓精度；方法的具体步骤如下：1)基于典型刀具加工轨迹轮廓误差测量，对各加工进给轴控制系统的位置环伺服增益进行辨识：首先，设计拐角轮廓C1C2C3，其中C1C2段与机床X进给轴正向夹角为零，数控指令加工进给速度为v0，C2C3段与机床X进给轴正向夹角为α，数控指令加工进给速度为v0/cosα，故在该加工轨迹全程，X进给轴加工进给速度分量始终为v0；与该加工轨迹对应的实际加工轨迹为C1'C2'C3'，考虑静态误差的影响，C2和C2'之间的距离，即拐点处加工误差Ex＝ex(v0)+e0，其中，ex(v0)为与加工进给速度有关的随动误差，且e0为机床在C2点处的静态误差，故得到：Ex=v0Kvx+e0---(1)]]>拐点误差Ex与X进给轴加工进给速度分量v0之间呈线性关系，利用最小二乘法辨识出X进给轴控制系统的位置环伺服增益Kvx；其次，通过测量直线轨迹的轮廓误差，对Y进给轴控制系统的位置环伺服增益进行辨识；与拐角误差相比，直线轨迹轮廓误差较小，不易测量，故设计l1、l2、l3三条间距相同的理论加工直线段轨迹，且与X进给轴正向夹角相同，为θl，l1'、l2'、l3'分别为l1、l2、l3对应的实际加工轨迹；l1和l3的加工进给速度相同且相对很低，故轮廓误差相等且相对较小，为El0；l2的加工进给速度高，为vl，轮廓误差为El，根据直线轨迹轮廓误差模型，二者满足：El=vlsin(2θl)2(1Kvy-1Kvx)---(2)]]>此外，令l1'与l2'间距为d1，l2'与l3'间距为d2，由尺寸关系得：El=d1-d22+El0---(3)]]>结合(2)、(3)式可得：Δd＝Cons·vl‑El0      (4)式中，通过测量间距d1和d2并计算得出；Cons为常数，且：Cons=sin(2θl)2(1Kvy-1Kvx)---(5)]]>从(4)式可以看出，Δd与vl之间为线性关系，通过测量并计算不同进给速度vl下的Δd值，利用最小二乘法拟合出系数Cons，并利用(5)式和已辨识出的Kvx计算得出Y轴伺服增益Kvy：Kvy=Kvxsin(2θl)sin(2θl)+2KvxCons---(6)]]>2)计算理论刀位点对应的实际加工位置根据西门子系统的数控机床在“连续路径”运行模式下高进给速度加工刀具轨迹轮廓误差的产生机理，令第i个理论刀位点为Ri(Rxi,Ryi)，则与之对应的实际加工位置Pi(Pxi,Pyi)为：Pxi=Pxi-ex_iPyi=Pyi-ey_i---(7)]]>式中，ex_i、ey_i为各进给轴的随动误差，且：ex_i=vx_iKvxey_i=vy_iKvy---(8)]]>其中，vx_i、vy_i分别为第i个程序段X轴和Y轴的进给速度分量，固有：vx_i=vi(Rxi-Pxi-1)(Rxi-Pxi-1)2+(Ryi-Pyi-1)2vy_i=vi(Ryi-Pyi)(Rxi-Pxi-1)2+(Ryi-Pyi-1)2---(9)]]>式中，vi为加工代码中指定的该程序段进给速度；此外，令第一个刀位点处，理论刀位点与实际加工位置坐标相同，并综合式(7)、(8)、(9)可得估计实际加工位置的数学模型为：Pxi=Rxii=1Rxi-vi(Rxi-Pxi-1)Kvx(Rxi-Pxi-1)2+(Ryi-Pyi-1)2i>1Pyi=Ryii=1Ryi-vi(Ryi-Pyi-1)Kvy(Rxi-Pxi-1)2+(Ryi-Pyi-1)2i>1---(10)]]>3)利用“累加弦长参数三次样条”插值估计期望加工轨迹根据直线插补数控加工代码，估计期望加工轨迹在各刀位点处的切向量；对于第i个插补刀位点Ri来说，利用其前一个刀位点Ri‑1和后一个刀位点Ri+1连线的矢量作为Ri处理论加工轨迹的切线Tangi；另外，对于加工轨迹的起始点R1，没有前一个刀位点，利用第一和第二个刀位点连线矢量作为加工轨迹起始刀位点R1处的切向量Tang1；对于加工轨迹终点Rn，不存在后一个刀位点，利用其前一个刀位点和该点自身连线矢量作为加工轨迹终点Rn处的切向量Tangn；综上，加工轨迹上每个刀位点切向量表示为：Tangi=Rx2-Rx1Ry2-Ry1i=1Rxi+1-Rxi-1Ryi+1-Ryi-11<i<nRxn-Rxn-1Ry...

【技术特征摘要】
1.一种基于刀位点修改的加工曲面刀轨轮廓误差补偿方法，其特征是，该方法在辨识加工进给轴控制系统伺服增益的基础上，根据随动误差模型和直线插补加工代码，离线估计实际加工点；利用理想刀轨“累加弦长参数三次样条”近似的方法估计轮廓误差矢量；再利用轮廓误差矢量在各轴的分量计算轮廓误差补偿值，得到补偿后刀位点，进而生成补偿后直线插补数控加工代码，用于实际加工，从而提高高进给速度加工曲面刀轨的轮廓精度；方法的具体步骤如下：1)基于典型刀具加工轨迹轮廓误差测量，对各加工进给轴控制系统的位置环伺服增益进行辨识：首先，设计拐角轮廓C1C2C3，其中C1C2段与机床X进给轴正向夹角为零，数控指令加工进给速度为v0，C2C3段与机床X进给轴正向夹角为α，数控指令加工进给速度为v0/cosα，故在该加工轨迹全程，X进给轴加工进给速度分量始终为v0；与该加工轨迹对应的实际加工轨迹为C1'C2'C3'，考虑静态误差的影响，C2和C2'之间的距离，即拐点处加工误差Ex＝ex(v0)+e0，其中，ex(v0)为与加工进给速度有关的随动误差，且e0为机床在C2点处的静态误差，故得到：拐点误差Ex与X进给轴加工进给速度分量v0之间呈线性关系，利用最小二乘法辨识出X进给轴控制系统的位置环伺服增益Kvx；其次，通过测量直线轨迹的轮廓误差，对Y进给轴控制系统的位置环伺服增益进行辨识；与拐角误差相比，直线轨迹轮廓误差较小，不易测量，故设计l1、l2、l3三条间距相同的理论加工直线段轨迹，且与X进给轴正向夹角相同，为θl，l1'、l2'、l3'分别为l1、l2、l3对应的实际加工轨迹；l1和l3的加工进给速度相同且相对很低，故轮廓误差相等且相对较小，为El0；l2的加工进给速度高，为vl，轮廓误差为El，根据直线轨迹轮廓误差模型，二者满足：此外，令l1'与l2'间距为d1，l2'与l3'间距为d2，由尺寸关系得：结合(2)、(3)式可得：Δd＝Cons·vl-El0(4)式中，通过测量间距d1和d2并计算得出；Cons为常数，且：从(4)式可以看出，Δd与vl之间为线性关系，通过测量并计算不同进给速度vl下的Δd值，利用最小二乘法拟合出系数Cons，并利用(5)式和已辨识出的Kvx计算得出Y轴伺服增益Kvy：2)计算理论刀位点对应的实际加工位置根据西门子系统的数控机床在“连续路径”运行模式下高进给速度加工刀具轨迹轮廓误差的产生机理，令第i个理论刀位点为Ri(Rxi,Ryi)，则与之对应的实际加工位置Pi(Pxi,Pyi)为：式中，ex_i、ey_i为各进给轴的随动误差，且：其中，vx_i、vy_i分别为第i个程序段X轴和Y轴的进给速度分量，固有：式中，vi为加工代码中指定的该程序段进给速度；此外，令第一个刀位点处，理论刀位点与实际加工位置坐标相同，并综合式(7)、(8)、(9)可得估计实际加工位置的数学模型为：3)利用“累加弦长参数三次样条”插值估计期望加工轨迹根据直线插补数控加工代码，估计期望加工轨迹在各刀位点处的切向量；对于第i个插补刀位点Ri来说，利用其前一个刀位点Ri-1和后一个刀位点Ri+1连线的矢量作为Ri处理论加工轨迹的切线Tangi；另外，对于加工轨迹的起始点R1，没有前一个刀位点，利用第一和第二个刀位点连线矢量作为加工轨迹起始刀位点R1处的切向量Tang1；对于加工轨迹终点Rn，不存在后一个刀位点，利用其前一个刀位点和轨迹终点Rn自身连线矢量作为加工轨迹终点Rn处的切向量Tangn；综上，加工轨迹上每个刀位点切向量表示为：每个刀位点处加工轨迹切线的斜率表示为：式中，为第i个插补刀位点Ri处加工轨迹的斜率，n为加工轨迹刀位点总数；令“累加弦长参数三次样条”插值曲线的累加弦长参数为u，表示的是各刀位点间距的累加和，则其在各刀位点处的值ui表示为：令由于参数u的含义是弦长的累加和，故根据勾股定理du2＝dx2+dy2等得出和的计算公式为：式中，正负号的选取方法为：对于来说，首先判断Tangi在X方向分量Tangi(1)的正负，若Tangi(1)＞0，说明此处X轴具有向正方向运行的趋势，故取正号；若Tangi(1)＜0，说明此处X轴具有向负方向运行的趋势，故取负号；同理可判断的符号；此外，当Tangi(1)＝0时，说明加工曲线在Tangi(1)＝0时的刀位点Ri具有竖直切线，既这时的记为和利用式(14)通过取极限的方法获得：

【专利技术属性】
技术研发人员：贾振元，宋得宁，马建伟，王福吉，高媛媛，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21