一种五轴机床几何误差补偿的刀具姿态优化方法技术

本发明专利技术提供了一种五轴机床几何误差补偿的刀具姿态优化方法：建立刀具姿态的角度坐标表示形式；建立刀具姿态的角度坐标与刀具姿态向量转换关系；建立五轴机床刀具位置几何误差模型；获取刀位点信息，并设i初始值为1；应用鸡群优化算法对第i个刀位点的刀具姿态进行优化，获得第i个刀位点的刀具姿态的最优角度坐标；得到第i个刀位点的最优刀具姿态，根据五轴机床后处理程序得到第i个刀位点的补偿加工代码；i增加1，判断i的值是否大于刀位点数目n，若是，则输出补偿加工代码作为几何误差补偿结果。本发明专利技术能有效地解决从代表工件纹理的刀触轨迹出发，实现工件纹理约束的补偿几何误差的问题。

A tool attitude optimization method for geometric error compensation of five axis machine tool

【技术实现步骤摘要】
一种五轴机床几何误差补偿的刀具姿态优化方法
本专利技术属于数控加工误差补偿
，尤其涉及一种五轴机床几何误差补偿的刀具姿态优化方法。
技术介绍
五轴机床广泛用于航天、航空、航海、汽车、国防等各个领域，五轴机床加工成为衡量一个国家先进制造水平的重要标志之一。几何误差和热误差是影响五轴机床加工精度的主要误差源之一，占总制造误差的60％左右，几何误差具有系统性高、重复性好、长时间内稳定和易测量的特点，使得几何误差补偿成为提高五轴机床精度的一种重要手段。现有主要几何误差补偿方法可分为三种。最简单的方法是从机床理想加工代码中减去综合误差相应的代码分量，并结合迭代计算保证补偿效果，机床雅克比矩阵是计算加工代码修正量的第二种手段，最理想的补偿方法是考虑机床误差之间的耦合作用对各个运动轴误差进行解耦补偿。大多补偿方法通过加工代码调整或刀位修正针对各个刀位点调整几何误差影响下的实际刀具位姿，忽略了曲面刀触点的限制以及工件和刀路的整体补偿效果。理论上，误差补偿应首先保证曲面原始刀触点轨迹不变，需要在刀具位姿调整时必须以原始刀触点作为旋转支点，从而不影响曲面纹理质量。但是由于五轴机床几何误差补偿输入为加工代码，无法获得刀触点信息，那么最直接的办法保证误差补偿中刀具位置不变只优化刀具姿态，目前相关研究还比较少。
技术实现思路
针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的一种五轴机床几何误差补偿的刀具姿态优化方法，能有效地解决从代表工件纹理的刀触轨迹出发，实现工件纹理约束的补偿几何误差的问题。为了达到以上目的，本专利技术采用的技术方案为：本方案提供一种五轴机床几何误差补偿的刀具姿态优化方法，包括以下步骤：S1、构建刀具姿态的角度坐标表示形式其中，θ表示相对于参考刀具姿态向量的倾斜角，表示相对于参考刀具姿态向量的旋转角；S2、构建刀具姿态的角度坐标与刀具姿态向量的转换关系；S3、根据五轴机床结构构建五轴机床刀具位置的几何误差模型；S4、读取加工工件的刀位文件，获取刀位点信息，并设刀位点的个数i初始值为1，其中，i表示刀位点的个数；S5、根据所述几何误差模型，利用鸡群优化算法对第i个刀位点的刀具姿态进行优化处理，得到第i个刀位点的刀具姿态的最优角度坐标；S6、根据所述转换关系和第i个刀位点的刀具姿态的最优角度坐标，得到第i个刀位点的最优刀具姿态，并结合第i个刀位点的刀具位置，根据五轴机床后处理程序得到第i个刀位点的补偿加工代码；S7、令i＝i+1，判断i的值是否大于刀位点数目n，若是，则完成对刀具姿态的优化处理，并输出所述补偿加工代码作为几何误差补偿结果，并输出所述补偿加工代码作为几何误差补偿结果，从而完成对刀具姿态的优化，否则，返回步骤S5。进一步地，所述步骤S1包括以下步骤：S101、生成垂直于参考刀具姿态向量T0的单位向量T1；S102、计算得到同时垂直于参考刀具姿态向量T0和单位向量T1的单位向量T2；S103、以参考刀具姿态对应的刀具位置M0为原点，以参考刀具姿态向量T0为z轴，以单位向量T1为x轴，以单位向量T2为y轴，建立参考刀具姿态坐标系；S104、将刀具姿态的刀具位置与参考刀具姿态对应的刀具位置M0重合，并根据所述参考刀具姿态坐标系，得到刀具姿态与刀具姿态向量T0的倾斜角θ，以及得到刀具姿态在参考刀具姿态坐标系的T1M0T2平面投影与单位向量T1的旋转角从而完成对刀具姿态的角度坐标表示形式的构建。再进一步地，所述步骤S2中转换关系的表达式如下：其中，T表示转换关系，θ表示刀具姿态相对于参考刀具姿态向量T0的倾斜角，表示刀具姿态相对于参考刀具姿态向量的旋转角，T1表示参考刀具姿态向量的单位向量，T2表示同时垂直于参考刀具姿态向量T0和单位向量T1的单位向量。再进一步地，所述步骤S3包括以下步骤：S301、根据五轴机床结构得到五轴机床从工件到刀具的运动链中运动轴顺序；S302、根据所述运动链中运动轴顺序，建立不包含机床几何误差项的相对于工件的理想刀具位置；S303、根据所述运动链中运动轴顺序，建立包含机床几何误差项的相对于工件的实际刀具位置；S304、将所述实际刀具位置和理想刀具位置作相减计算，得到五轴机床刀具位置的几何误差模型。再进一步地，所述步骤S4中刀位点信息包括：总的刀位点数目n、刀具姿态向量以及刀具位置向量，其中，n表示大于0的自然数。再进一步地，所述步骤S5包括以下步骤：S501、将第i个刀位点的刀具姿态作为参考刀具姿态向量，选择刀具姿态的角度坐标表示形式作为鸡群形式，并根据所述五轴机床刀具位置的几何误差模型选择机床刀具位置误差作为适应度函数；S502、以相对于参考刀具姿态向量的倾斜角范围作为长边，以相对于参考刀具姿态向量的旋转角范围作为短边构建鸡群矩形可行域，并建立初始化策略为在所述矩形可行域内随机生成刀具姿态的角度坐标；S503、根据所述转换关系，以第i个刀位点的刀具姿态作为参考刀具姿态向量获取鸡群的刀具姿态向量，并结合第i个刀位点的刀具位置，以及根据五轴机床后处理程序得到鸡群对应的加工代码，并将所述加工代码代入所述适应度函数计算得到鸡群的适应度值；S504、利用鸡群优化算法比较鸡群的适应度值，并根据比较结果对不同类型鸡群的位置进行更新；S505、设置鸡群位置更新最大次数，并利用鸡群优化算法计算得到第i个刀位点的刀具姿态的最优角度坐标。再进一步地，所述步骤S6具体为：根据所述转换关系和第i个刀位点的刀具姿态的最优角度坐标得到第i个刀位点的最优刀具姿态时，将第i个刀位点的刀具姿态作为参考刀具姿态向量，并根据五轴机床后处理程序得到第i个刀位点的补偿加工代码。再进一步地，所述五轴机床后处理程序应结合五轴机床结构参数，且其生成的加工代码反映了运动轴相对于其零位置的运动量。本专利技术的有益效果(1)本专利技术通过定义刀具姿态的角度坐标表示形式，采用优化算法获得最优角度坐标而实现刀具姿态优化，实现几何误差补偿，该方法可进一步提高五轴机床加工精度和工件表面质量，能有效地解决从代表工件纹理的刀触轨迹出发，实现工件纹理约束的补偿几何误差的问题；(2)本专利技术中建立刀具姿态的角度坐标形式，方便作为鸡群优化算法中鸡群形式实现位置更新，有利于将鸡群优化算法应用于几何误差补偿中；(3)本专利技术建立刀具姿态的角度坐标与刀具姿态向量的转换关系，实现刀具姿态角度坐标形式向向量形式的转换，以利于代入几何误差模型中计算鸡群的适应度函数，进一步实现鸡群优化算法在几何误差补偿中的应用；(4本专利技术中得到第i个刀位点的补偿加工代码，能完善鸡群优化算法输出与五轴机床加工之间的关联，通过将最优角度坐标转换到向量形式，从而得到五轴机床加工代码形式。附图说明图1为本专利技术的方法流程图。图2为本实施例中鼠标型工件及加工刀路示意图。图3为本实施例中刀具姿态的角度坐标表示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种五轴机床几何误差补偿的刀具姿态优化方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、构建刀具姿态的角度坐标表示形式

【技术特征摘要】
1.一种五轴机床几何误差补偿的刀具姿态优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、构建刀具姿态的角度坐标表示形式其中，θ表示相对于参考刀具姿态向量的倾斜角，表示相对于参考刀具姿态向量的旋转角；
S2、构建刀具姿态的角度坐标与刀具姿态向量的转换关系；
S3、根据五轴机床结构构建五轴机床刀具位置的几何误差模型；
S4、读取加工工件的刀位文件，获取刀位点信息，并设刀位点的个数i初始值为1，其中，i表示刀位点的个数；
S5、根据所述几何误差模型，利用鸡群优化算法对第i个刀位点的刀具姿态进行优化处理，得到第i个刀位点的刀具姿态的最优角度坐标；
S6、根据所述转换关系和第i个刀位点的刀具姿态的最优角度坐标，得到第i个刀位点的最优刀具姿态，并结合第i个刀位点的刀具位置，根据五轴机床后处理程序得到第i个刀位点的补偿加工代码；
S7、令i＝i+1，判断i的值是否大于刀位点数目n，若是，则完成对刀具姿态的优化处理，并输出所述补偿加工代码作为几何误差补偿结果，从而完成对刀具姿态的优化，否则，返回步骤S5。


2.根据权利要求1所述的五轴机床几何误差补偿的刀具姿态优化方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：
S101、生成垂直于参考刀具姿态向量T0的单位向量T1；
S102、计算得到同时垂直于参考刀具姿态向量T0和单位向量T1的单位向量T2；
S103、以参考刀具姿态对应的刀具位置M0为原点，以参考刀具姿态向量T0为z轴，以单位向量T1为x轴，以单位向量T2为y轴，建立参考刀具姿态坐标系；
S104、将刀具姿态的刀具位置与参考刀具姿态对应的刀具位置M0重合，并根据所述参考刀具姿态坐标系，得到刀具姿态与刀具姿态向量T0的倾斜角θ，以及得到刀具姿态在参考刀具姿态坐标系的T1M0T2平面投影与单位向量T1的旋转角从而完成对刀具姿态的角度坐标表示形式的构建。


3.根据权利要求1所述的五轴机床几何误差补偿的刀具姿态优化方法，其特征在于，所述步骤S2中转换关系的表达式如下：



其中，T表示转换关系，θ表示刀具姿态相对于参考刀具姿态向量T0的倾斜角，表示刀具姿态相对于参考刀具姿态向量的旋转角，T1表示参考刀具姿态向量的单位向量，T2表示同时垂直于参考刀具姿态向量T0和单位向量T1的单位向量。


4.根据权利要求1所述的五轴机床几何误差补偿的刀具姿态...

【专利技术属性】
技术研发人员：付国强，陶春，谢云鹏，饶勇建，鲁彩江，高宏力，郭亮，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51