一种降低三轴联动轮廓误差的方法技术

本发明专利技术一种降低三轴联动轮廓误差的方法属于复杂曲面零件精密高效加工领域，涉及一种加工进给速度再规划和轮廓误差预补偿相结合，用来降低数控机床三轴联动轮廓误差的方法。该方法首先提取数控代码中加工进给速度和理想刀位点信息，以各加工进给轴加加速度极限、加速度极限为约束条件，对数控程序中各程序段加工进给速度进行再规划；并利用累加弦长参数空间三次样条近似期望轮廓的方法，估计轮廓误差值；利用泰勒级数展开的方法计算各进给轴轮廓误差补偿量，得到预补偿后的刀位点；上述过程迭代循环，得到预补偿后的加工代码，实现复杂曲面零件的高质高效加工。本发明专利技术简单实用，可充分发挥数控机床性能，提高多轴联动轮廓精度。

【技术实现步骤摘要】
一种降低三轴联动轮廓误差的方法
本专利技术属于复杂曲面零件精密高效加工领域，特别涉及一种加工进给速度再规划和一种多轴联动轮廓误差预补偿相结合，用来降低三轴联动轮廓误差的方法。
技术介绍
具有复杂面形结构的变曲率曲面零件在高端装备领域中应用广泛。随着重大工程领域的迅猛发展以及高端装备批产进程的不断推进，该类关键复杂曲面零件不仅对轮廓精度具有极高要求，对生产效率的需求也日益提升。为提高加工效率，目前许多高档数控机床可以提供较大的主运动及加工进给运动速度。然而，由于机床伺服进给系统迟滞特性以及进给轴机械惯量等因素，采用高进给速度加工时各运行轴会产生较大随动误差，进而诱发连续路径运行加工模式下多轴联动轮廓误差；此外，由于复杂曲面零件加工时大曲率刀轨的存在以及机床运动性能的限制，加工进给轴实际运行速度极易达不到指令速度值，从而加剧了多轴联动轮廓误差。上述现象会导致高速加工变曲率复杂零件时，数控机床的性能无法得到充分发挥、零件的轮廓精度无法满足要求。因此，复杂曲面零件的精密高效加工已成为业界难题。为解决这一难题，高进给速度加工中的多轴联动轮廓误差得到了广泛关注。文献“FeedspeedschedulingmethodforpartswithrapidlyvariedgeometricfeaturebasedondriveconstraintofNCmachinetool”，ZhenyuanJia等，InternationalJournalofMachineToolsandManufacture，2014，87：73-88，该文献针对具有大曲率变化的曲线加工轮廓误差问题，提出一种分区变参数控精密加工方法，通过建立轮廓误差与几何特征、加工进给速度之间的关系，对加工区域进行合理划分，并对各分区分配不同加工进给速度，实现了变曲率曲线高精度加工。然而，该方法单纯通过规划加工进给速度降低轮廓误差，对加工效率的影响较大。文献“GeneralizedTaylorseriesexpansionforfree-formtwo-dimensionalcontourerrorcompensation”，FengHuo等，InternationalJournalofMachineToolsandManufacture，2012，53：91-99，该文献提出一种推广泰勒级数展开轮廓误差补偿方法，通过估计自由曲线各采样周期时刻的轮廓误差，利用泰勒级数展开的方法计算误差补偿值，用于轮廓误差补偿，有效提高了二轴联动自由曲线加工轮廓精度，但未被推广到三轴联动空间曲线当中。类似地，文献“空间曲线轮廓误差实时估算与补偿方法研究”，肖晓萍等，四川大学学报(工程科学版)，2015，47(1)：215-222，该文献利用Z变换预测伺服系统下一时刻输出值并估算轮廓误差，实现了空间曲线轮廓误差实时补偿。然而，该方法不仅需要伺服进给系统的准确模型，还需改变数控系统结构，增加补偿器，这对于高度集成化数控机床来说实现困难；此外，该方法主要用于补偿伺服参数失匹诱发的轮廓误差，无法降低机床加工进给轴在连续路径运行模式下所产生的多轴联动轮廓误差。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有技术缺陷，专利技术一种降低三轴联动轮廓误差的方法，将加工进给速度规划与轮廓误差预补偿结合，有效降低了数控机床加工进给轴连续路径运行时的三轴联动轮廓误差。本专利技术的技术方案是一种降低三轴联动轮廓误差的方法，其特性在于，该方法首先提取数控代码中加工进给速度和理想刀位点信息，考虑机床连续路径运行模式下加工进给速度的前瞻特性，以各加工进给轴加加速度极限、加速度极限为约束条件，对数控程序中各程序段加工进给速度进行再规划；其次，利用稳态随动误差模型估算实际刀位点，并利用累加弦长参数空间三次样条近似期望轮廓的方法，估计轮廓误差值；利用泰勒级数展开的方法计算各进给轴轮廓误差补偿量，得到预补偿后的刀位点；上述过程迭代循环，即可得到整条刀轨的规划后加工进给速度及补偿后刀位点，从而得到预补偿后的加工代码，实现复杂曲面零件的高质高效加工。整体流程参见附图1，具体步骤如下：1)加工进给速度再规划设数控加工代码中提取的第i个刀位点为Ri(Rxi,Ryi,Rzi)，第i个程序段指令加工进给速度为fi，1≤i≤n，n为刀位点总数，考虑连续路径运行加工模式下加工进给速度的前瞻算法，在各刀位点处理想加工进给速度方向应与该点的理想轮廓轨迹相切，为避免需要加工轮廓数学模型的先验信息，利用向量的方向作为Ri处轮廓轨迹切线方向的近似，因此，该点的理想加工进给速度矢量vi为：式中，令κ轴中，κ＝x,y,z，表示加工进给轴X、Y、Z，则Ri处κ轴理想加工进给速度分量vκ_i为：设κ轴加加速度极限为加速度极限为判断第i个程序段理论加工时间内，在和的约束下，κ轴实际加工进给速度能否从vκ_i-1加/减速到vκ_i，若不能，对该程序段κ轴加工进给速度分量进行优化，设优化后的进给速度分量为应满足在优化后理论加工时间内以及和的约束下，κ轴实际加工进给速度可从vκ_i-1加/减速到的计算方法为：利用优化后加工进给速度分量计算优化后合成加工进给速度fip，最后，为避免速度剧烈波动，利用三次B样条拟合方法将加工进给速度进行多次平滑，得到最终再规划后的进给速度为fis；2)轮廓误差估计首先，在刀轨上任意两个相邻刀位点之间利用累加弦长参数空间三次样条曲线拟合期望加工轮廓，得到Ri-1和Ri之间的近似期望轮廓轨迹si表示为：si＝S(ui-1,ui,u)(4)其中，参数u∈[ui-1,ui]，ui的计算方法为：其次，用Pi表示第i个实际刀位点，其坐标为Pi(Pxi,Pyi,Pzi)，令a为自然数，判断：将满足不等式(6)的最小a值记为m，在拟合曲线sm上利用“二分法”找到距离Pi最近的点Qi(Qxi,Qyi,Qzi)，则该刀位点处的轮廓误差矢量估计值εi(εx_i,εy_i,εz_i)为：3)轮廓误差预补偿首先，根据再规划后的加工进给速度fis以及稳态随动误差模型，估算连续路径运行时对应于理想刀位点Ri的实际刀位点Pi(Pxi,Pyi,Pzi)，其坐标表示为理想刀位点坐标的函数：各函数的具体表达式为：式中，Kx、Ky、Kz分别为X、Y、Z进给轴控制系统的伺服增益；其次，计算各加工进给轴方向的轮廓误差分量εx_i、εy_i、εz_i；最后利用泰勒级数展开法计算各进给轴轮廓误差补偿量，设轮廓误差补偿量为ΔRi＝[ΔRxiΔRyiΔRzi]T，则根据式(8)，补偿后实际刀位点为：将上式在点(Rxi,Ryi,Rzi)处进行一阶泰勒级数展开得：为实现轮廓误差补偿，补偿前后κ轴实际刀位点坐标Pκi、与轮廓误差矢量在κ轴分量εκ_i之间应满足关系：将式(8)和式(12)代入式(11)，并省略高阶无穷小可得：因此，在第i个刀位点处，轮廓误差补偿量ΔRi为：4)上述过程迭代循环，即可得到各刀位点处轮廓误差补偿量，进而得到补偿后指令刀位点为：利用再规划后的加工进给速度fis以及预补偿后的刀位点生成补偿后数控加工代码，用于实际加工。本专利技术的有益效果是：(1)充分考虑数控机床连续路径运行加工模式下的进给速度前瞻特性以及进给轴运动学特性对加工进给速度进行再规划，对充分发挥机床性能具有重要意义；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种降低三轴联动轮廓误差的方法，其特性在于，该方法首先提取数控代码中加工进给速度和理想刀位点信息，机床连续路径运行模式下加工进给速度以各加工进给轴加加速度极限、加速度极限为约束条件，对数控程序中各程序段加工进给速度进行再规划；其次，利用稳态随动误差模型估算实际刀位点，并利用累加弦长参数空间三次样条近似期望轮廓的方法，估计轮廓误差值；利用泰勒级数展开的方法计算各进给轴轮廓误差补偿量，得到预补偿后的刀位点；上述过程迭代循环，得到整条刀轨的规划后加工进给速度及补偿后刀位点；从而得到预补偿后的加工代码，实现复杂曲面零件的高质高效加工；具体步骤如下：1)加工进给速度再规划设数控加工代码中，提取的第i个刀位点为Ri(Rxi,Ryi,Rzi)，第i个程序段指令加工进给速度为fi，1≤i≤n，n为刀位点总数，连续路径运行加工模式下加工进给速度，在各刀位点处理想加工进给速度方向与该点的理想轮廓轨迹相切，利用向量的方向作为Ri处轮廓轨迹切线方向的近似方向，因此，该点的理想加工进给速度矢量vi为：vi=Ri-1Ri+1→||Ri-1Ri+1→||fi---(1)]]>式中，||Ri-1Ri+1→||=(Rxi+1-Rxi-1)2+(Ryi+1-Ryi-1)2+(Rzi+1-Rzi-1)2;]]>令κ轴中，κ＝x,y,z，表示加工进给轴X、Y、Z，则Ri处κ轴理想加工进给速度分量vκ_i为：vκ_i=fi(Rκi+1-Rκi-1)||Ri-1Ri+1→||---(2)]]>设κ轴加加速度极限为加速度极限为判断第i个程序段理论加工时间内，在和的约束下，κ轴实际加工进给速度能否从vκ_i‑1加/减速到vκ_i，若不能，对该程序段κ轴加工进给速度分量进行优化，设优化后的进给速度分量为应满足在优化后理论加工时间内以及和的约束下，κ轴实际加工进给速度可从vκ_i‑1加/减速到的计算方法为：Δtip=(Rκi+1-Rκi-1)||Ri-1Ri||→vκ_ip||Ri-1Ri+1||→---(3)]]>利用优化后加工进给速度分量计算优化后合成加工进给速度最后，为避免速度剧烈波动，利用三次B样条拟合方法将加工进给速度进行多次平滑，得到最终再规划后的进给速度为2)轮廓误差估计首先，在刀轨上任意两个相邻刀位点之间利用累加弦长参数空间三次样条曲线拟合期望加工轮廓，得到Ri‑1和Ri之间的近似期望轮廓轨迹si表示为：si＝S(ui‑1,ui,u)  (4)其中，参数u∈[ui‑1,ui]，ui的计算方法为：ui=0i=1Σ2i||Ri-1Ri→||i≥2---(5)]]>其次，用Pi表示第i个实际刀位点，其坐标为Pi(Pxi,Pyi,Pzi)，令▿i(Rj)=RiRj→·Rj-1Rj+1→,]]>a为自然数，判断：▿i(Ri-a)·▿i(Ri-a-1)<0---(6)]]>将满足不等式(6)的最小a值记为m，在拟合曲线sm上利用“二分法”找到距离Pi最近的点Qi(Qxi,Qyi,Qzi)，则该刀位点处的轮廓误差矢量估计值εi(εx_i,εy_i,εz_i)为：ϵx_i=Qxi-Pxiϵy_i=Qyi-Pyiϵz_i=Qzi-Pzi---(7)]]>3)轮廓误差预补偿首先，根据再规划后的加工进给速度以及稳态随动误差模型，估算连续路径运行时对应于理想刀位点Ri的实际刀位点Pi(Pxi,Pyi,Pzi)，其坐标表示为理想刀位点坐标的函数：Pxi=fxi(Rxi,Ryi,Rzi)Pyi=fyi(Rxi,Ryi,Rzi)Pzi=fzi(Rxi,Ryi,Rzi)---(8)]]>各函数的具体表达式为：fxi(x,y,z)=x-fis(x-Pxi-1)Kx(x-Pxi-1)2(y-Pyi-1)2+(z-Pzi-1)2fyi(x,y,z)=y-fis(y-Pyi-1)Ky(x-Pxi-1)2+(y-Pyi-1)2+(z-Pzi-1)2fzi(x,y,z)=z-fis(z-Pzi-1)Kz(x-Pxi-1)2+(y-Pyi-1)2+(z-Pzi-1)2---(9)]]>式中，Kx、Ky、Kz分别为X、Y、Z进给轴控制系统的伺服增益；其次，计算各加工进给轴方向的轮廓误差分量εx_i、εy_i、εz_i；最后利用泰勒级数展开法计算各进给轴轮廓误差补偿量，设轮廓误差补偿量为...

【技术特征摘要】
1.一种降低三轴联动轮廓误差的方法，其特性在于，该方法首先提取数控代码中加工进给速度和理想刀位点信息，机床连续路径运行模式下加工进给速度以各加工进给轴加加速度极限、加速度极限为约束条件，对数控程序中各程序段加工进给速度进行再规划；其次，利用稳态随动误差模型估算实际刀位点，并利用累加弦长参数空间三次样条近似期望轮廓的方法，估计轮廓误差值；利用泰勒级数展开的方法计算各进给轴轮廓误差补偿量，得到预补偿后的刀位点；上述过程迭代循环，得到整条刀轨的规划后加工进给速度及补偿后刀位点；从而得到预补偿后的加工代码，实现复杂曲面零件的高质高效加工；具体步骤如下：1)加工进给速度再规划设数控加工代码中，提取的第i个刀位点为Ri(Rxi,Ryi,Rzi)，第i个程序段指令加工进给速度为fi，1≤i≤n，n为刀位点总数，连续路径运行加工模式下加工进给速度，在各刀位点处理想加工进给速度方向与该点的理想轮廓轨迹相切，利用向量的方向作为Ri处轮廓轨迹切线方向的近似方向，因此，该点的理想加工进给速度矢量vi为：式中，令κ轴中，κ＝x,y,z，表示加工进给轴X、Y、Z，则Ri处κ轴理想加工进给速度分量vκ_i为：设κ轴加加速度极限为加速度极限为判断第i个程序段理论加工时间内，在和的约束下，κ轴实际加工进给速度能否从vκ_i-1加/减速到vκ_i，若不能，对该程序段κ轴加工进给速度分量进行优化，设优化后的进给速度分量为应满足在优化后理论加工时间内以及和的约束下，κ轴实际加工进给速度可从vκ_i-1加/减速到的计算方法为：利用优化后加工进给速度分量计算优化后合成加工进给速度fip，最后，为避免速度剧烈波动，利用三次B样条拟合方法将加工进给速度进行多次平滑，得到最终再规划后的进给速度为fis；2)轮廓误差估计首先，在刀轨上任意两个相邻刀位点之间利用累加弦长参数空间三次样条曲线拟合期望加工轮廓，得到Ri-1和Ri之间的近似期望轮廓轨迹si表示为：si＝S(ui-1,ui,u)(4)其中，参数u∈[ui-1,ui]，ui的计算方法为：其次，用Pi表示第i个实际刀位点，其坐标为Pi(Pxi,Pyi,Pzi)，令a为自然数，判断：将满足不等式(6)的最小a值记为m，在拟合曲线sm上利用“二分法”找到距离Pi最近的点Qi(Qxi,Qyi,Qzi)，则该刀位点处的轮廓误差矢量估计值εi(εx_i,εy_i,εz_i)为：3)轮廓误差预补偿首先，根据再规划后的加工进给速度fis以及稳态随动误差模型，估算连续路径运行时对应于理想刀位点Ri的实际刀位点Pi(Pxi,Pyi,Pzi)，其坐标表示为理想刀位点坐标的函数：各函数的具体表达式为：式中，Kx、Ky、Kz分别为X、Y、Z进给轴控制系统的伺服增益；其次，计算各加工进给轴方向的轮廓误差分量εx_i、εy_i、εz_i；最后利用泰勒级数展开法计算各进给轴轮廓误差补偿量，设轮廓误差补偿量为ΔRi＝[ΔRxiΔRyiΔRzi]T，则根据式(8)，补偿后实际刀位点为：

【专利技术属性】
技术研发人员：马建伟，王福吉，宋得宁，贾振元，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