一种严格定义下切削加工的零件轮廓误差预测方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种严格定义下切削加工的零件轮廓误差预测方法和系统，属于数控加工技术领域。首先给出轮廓误差的严格定义，避免了在大曲率零件计算过程中定义失效的问题；其次采用系统辨识的方法代替复杂的坐标变换，建立进给伺服系统模型；接下来采用局部搜索的方法确定目标插补点，同时采用局部直线插补的方式拟合加工轨迹，并且根据理论插补点与实际插补点的位置关系分别求解轮廓误差，提高了计算效率，适用于复杂零件轮廓误差的预测。本发明专利技术方法同时考虑了轮廓误差的预测效率与计算准确性，适用于大曲率零件轮廓误差的预测。适用于大曲率零件轮廓误差的预测。适用于大曲率零件轮廓误差的预测。

【技术实现步骤摘要】
一种严格定义下切削加工的零件轮廓误差预测方法和系统


[0001]本专利技术属于数控加工
，涉及一种严格定义下切削加工的零件轮廓误差预测方法和系统。

技术介绍

[0002]近年在航空航天、汽车、船舶等领域，逐渐使用大量高速高精数控加工中心进行精密、复杂零部件的加工制造。特别是一些关键的零件，逐渐向型面复杂化、结构轻量化和制造精密化发展，其几何构型复杂且难加工，并且对外形协调性要求较高，对多轴联动数控机床的工作性能提出新的更高要求。而在数控加工过程中，由于机床进给轴伺服系统滞后、多轴动态特性不匹配以及外部扰动因素的存在，导致实际加工轨迹与理论轨迹产生偏差，即轮廓误差。因此，研究轮廓误差预测方法，对提高数控系统跟踪精度，实现高精密数控加工具有重要意义。
[0003]在轮廓误差研究方面，专利号CN108803487A公布了一种零件侧铣表面的点位轮廓误差预测方法，重构加工表面，计算实际刀位点到理想加工表面的距离，得到点位轮廓误差；专利号CN109240214A公布了一种面向多轴数控加工的轮廓误差估计与可视化方法，将加工轨迹划分为直线与曲线，曲线轨迹采用线性样条插值为直线，计算各刀位点距离理想轨迹的距离；专利号CN106843146A公布了一种自适应变增益轮廓误差补偿方法，根据数控参数曲线插补器所生成的自由曲线与实际刀位点之间的几何位置关系，利用切向误差逆推策略快速寻找曲线轮廓上距离实际刀位点最近的垂足点，进而实现轮廓误差矢量的高精度估计；专利号CN110262394A公布了一种数控加工中轮廓误差的补偿方法，通过实时采集指令轮廓和实时响应轮廓以估计当前时刻的轮廓误差；李学伟等(李学伟,赵万华,卢秉恒.轨迹误差建模的多轴联动机床轮廓误差补偿技术[J].西安交通大学学报,2012,46(03):47
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52.)计算实际点到理论曲线上最近的三个点组成的两条直线的最短距离，选取其中的最小值作为轮廓误差。
[0004]综上所述，目前有关轮廓误差预测的研究基本思路为：根据理想插补点数据生成加工轨迹，计算与理想插补点对应的实际位置点坐标，求解实际位置点到理想加工轨迹的距离作为轮廓误差。这种做法的缺点是轮廓误差定义不严格，当加工轨迹曲率变化较大时，会产生较大偏差。同时在轮廓误差预测算法方面，大部分研究聚焦于提高预测精度而忽略了算法计算复杂、计算时间长的问题，很难具体应用到实时轮廓误差计算的任务中，尤其是在零件比较复杂的情况下。因此，亟需发展一种新的关于轮廓误差计算的方法以解决上述问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服上述现有技术中，轮廓误差测量方法的误差定义不严格且算法计算过程复杂、耗时较长的缺点，提供一种严格定义下切削加工的零件轮廓误差预测方法和系统。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0007]一种严格定义下切削加工的零件轮廓误差预测方法，包括如下步骤：
[0008]步骤1)获取机床传递函数，并基于零件加工的理论插补指令位置，得到零件加工的实际插补指令位置；
[0009]步骤2)基于零件加工特征，为轮廓误差进行严格定义，基于严格定义后的轮廓误差，获取距离实际插补指令位置最近的理论插补指令位置；
[0010]严格定义后的轮廓误差为时间跨度最小的前提下，实际插补指令位置到理想加工轨迹的法向距离；
[0011]步骤3)基于步骤2)的理论插补指令位置计算得到零件的理想加工轨迹，基于理想加工轨迹得到零件轮廓误差计算需要的理论插补指令位置；
[0012]步骤4)基于实际插补指令位置与零件轮廓误差计算需要的理论插补指令位置，获取实际插补指令位置处对应的轮廓误差；
[0013]步骤5)重复步骤1)～步骤4)，得到每个实际插补指令位置处的轮廓误差。
[0014]优选地，步骤1)中机床传递函数是通过系统辨识的方法对机床伺服系统进行辨识得到的。
[0015]优选地，机床传递函数的建立过程具体为：
[0016]首先获取能够激励机床各进给轴运动的激励信号；
[0017]之后将激励信号转化为激励代码输入机床数控系统中，使机床各进给轴进行激励运动；
[0018]在机床各进给轴激励运动的过程中，采集理论插补指令位置、光栅检测位置数据；
[0019]基于理论插补指令位置和光栅检测位置数据，经过系统辨识，建立机床传递函数。
[0020]优选地，步骤2)中，距离实际插补指令位置最近的理论插补指令位置是通过中心窗口法或系统遍历法得到的。
[0021]优选地，步骤2)中，通过中心窗口法获得距离实际插补指令位置最近的理论插补指令位置时，具体操作过程为：
[0022]在每一个插补点指定一个移动窗口，分别计算实际插补指令位置与窗口内各插补点的距离，从而确定距离实际插补指令位置最近的理论插补指令位置。
[0023]优选地，步骤3)中，理想加工轨迹是通过直线插补的方法得到的。
[0024]优选地，步骤4)中，轮廓误差的具体计算过程为：
[0025]首先获取距离实际插补指令位置最近的理论插补指令位置，计算理论插补指令位置的方向向量、实际插补指令位置与理论插补指令位置连线的方向向量；
[0026]根据两个方向向量数量积的符号，确定轮廓误差的具体计算情况；
[0027]作实际指令位置到理论插补指令点的方向向量的垂线，得到垂足的位置坐标；
[0028]基于轮廓误差定义，得到轮廓误差矢量，进一步计算得到轮廓误差。
[0029]进一步优选地，步骤4)中，轮廓误差的具体计算情况包括以下三种：
[0030]情况1：当计算P
a
到的距离作为轮廓误差值；
[0031]情况2：当计算P
a
到的距离作为轮廓误差值；
[0032]情况3：当计算P
a
到P
r
的距离作为轮廓误差值；
[0033]其中，P
a
为实际插补指令位置；P
r
为距离实际插补指令位置最近的理论插补指令位置；P
r+1
为P
r
后一个理论插补指令位置；P
r
‑1为P
r
前一个理论插补指令位置。
[0034]一种严格定义下切削加工的零件轮廓误差预测系统，包括：
[0035]传递函数模块，用于获取机床传递函数，基于机床传递函数和加工的理论插补指令位置，得到零件加工的实际插补指令位置；
[0036]理想加工轨迹模块，与传递函数模块相交互，用于基于严格定义后的轮廓误差，获取距离实际插补指令位置最近的理论插补指令位置，并进一步计算得到零件的理想加工轨迹；
[0037]轮廓误差计算模块，与理想加工轨迹模块相交互，用于计算实际插补指令位置到理想加工轨迹的法向距离。
[0038]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0039]本专利技术公开了一种严格定义下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种严格定义下切削加工的零件轮廓误差预测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1)获取机床传递函数，并基于零件加工的理论插补指令位置，得到零件加工的实际插补指令位置；步骤2)基于零件加工特征，为轮廓误差进行严格定义，基于严格定义后的轮廓误差，获取距离实际插补指令位置最近的理论插补指令位置；严格定义后的轮廓误差为时间跨度最小的前提下，实际插补指令位置到理想加工轨迹的法向距离；步骤3)基于步骤2)的理论插补指令位置计算得到零件的理想加工轨迹，基于理想加工轨迹得到零件轮廓误差计算需要的理论插补指令位置；步骤4)基于实际插补指令位置与零件轮廓误差计算需要的理论插补指令位置，获取实际插补指令位置处对应的轮廓误差；步骤5)重复步骤1)～步骤4)，得到每个实际插补指令位置处的轮廓误差。2.根据权利要求1所述的严格定义下切削加工的零件轮廓误差预测方法，其特征在于，步骤1)中机床传递函数是通过系统辨识的方法对机床伺服系统进行辨识得到的。3.根据权利要求1所述的严格定义下切削加工的零件轮廓误差预测方法，其特征在于，机床传递函数的建立过程具体为：首先获取能够激励机床各进给轴运动的激励信号；之后将激励信号转化为激励代码输入机床数控系统中，使机床各进给轴进行激励运动；在机床各进给轴激励运动的过程中，采集理论插补指令位置、光栅检测位置数据；基于理论插补指令位置和光栅检测位置数据，经过系统辨识，建立机床传递函数。4.根据权利要求1所述的严格定义下切削加工的零件轮廓误差预测方法，其特征在于，步骤2)中，距离实际插补指令位置最近的理论插补指令位置是通过中心窗口法或系统遍历法得到的。5.根据权利要求4所述的严格定义下切削加工的零件轮廓误差预测方法，其特征在于，步骤2)中，通过中心窗口法获得距离实际插补指令位置最近的理论插补指令位置时，具体操作过程为：在每一个插补点指定一个移动窗口，分别计算实际插补指令位置与窗口内各插补点的距离，从而确定距离实际插补指令位置最近的理论插补指令位置。6.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：张俊，吴浩宇，尹佳，张会杰，赵万华，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：