CN112526926A - 一种五轴数控机床旋转轴结构参数误差补偿方法 - Google Patents

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Abstract

一种五轴数控机床旋转轴结构参数误差补偿方法，在RTCP功能开启的情况下，将五轴数控机床各旋转轴的转动行程均分为多个节点，每一个旋转轴的检测过程中控制机床摆动至给定节点；采集每个节点下刀具中心点相对初始位置在X轴、Y轴、Z轴三个方向的偏移量；在刀具中心点偏移误差作用下，建立基于刀尖点位置偏差的旋转轴结构参数误差辨识数学模型，得出辨识方程，计算出机床旋转轴结构参数误差；将结构参数误差数值补偿进数控***对应的旋转轴结构参数中，实现机床旋转轴的误差补偿；采集刀尖点RTCP误差验证误差补偿效果，确定旋转轴结构参数误差是否消除，若消除，则结束；若未消除，则重新进行。

Description

一种五轴数控机床旋转轴结构参数误差补偿方法
技术领域
本发明涉及数控机床领域，特别涉及一种五轴数控机床旋转轴结构参数误差补偿方法。
背景技术
五轴数控机床可以控制刀轴空间方向，使刀具保持最佳切削姿态，实现复杂曲线曲面加工。在加工过程中为有效减小因旋转轴带来的非线性误差，需对刀尖点进行控制，保证其始终位于编程轨迹上。五轴数控机床RTCP功能可以实现刀尖点控制，保证加工过程中刀尖点始终处于编程轨迹上，有效减少刀尖点非线性误差。
五轴数控机床RTCP运动控制需要使用旋转轴结构参数进行计算控制，机床在使用过程中因磨损、设备事故等导致旋转轴结构参数发生变化，实际结构参数偏离***中保存的结构参数值，若数控机床仍按***中保存的结构参数值进行RTCP运动控制，将导致精度无法满足要求，因此需要提出有效的旋转轴结构参数误差检测、辨识及补偿方法对数控机床结构参数误差进行修正，使其与真实的机械结构参数一致，方可有效消除旋转轴结构参数误差引起的刀具中心运动误差。
而目前的现有技术中提供了一些技术方案，但这些技术方案都存在一些问题。
在现有技术《CN105159228A五轴联动数控机床实现RTCP功能的五轴标定方法》中，通过旋转轴在两个摆角状态下球头棒停靠标准块相邻三个表面，记录数控***中X、Y、Z三个方向坐标读数（注意球头半径）来获取相同刀尖点坐标下旋转轴中心位置坐标。基于三角几何关系 ，得出需要标定的第一旋转轴和第二旋转轴的偏心距，测量得出第一旋转轴半径RA和第二旋转轴半径RB。该方法利用数控***坐标值进行计算，计算精度受数控***直线轴空间精度的影响；球头碰靠方块的松紧程度影响测量结果；且数据量小，测出的结构参数值难以代表整个行程的平均水平且该方法效率较低，过程繁琐；并且该方法只进行旋转轴位置的计算及补偿，未进行旋转轴轴线的方向误差计算及补偿，且计算的旋转轴位置误差包含有旋转轴方向误差，补偿精度较低。
在现有技术《CN 105269406A 双转台五轴联动机床旋转轴的误差补偿方法》中，使用球杆仪分别安装在轴向、径向和切向，根据测得的RTCP运动过程中球杆仪杆长变化值检测刀尖点误差。通过建立包含安装误差和机床装配关系在内的旋转轴误差模型，计算两个旋转轴旋转时产生的12项误差值。该方法对旋转轴和直线轴误差补偿解耦，修正误差补偿值；根据误差补偿值修正数控代码，实现双转台五轴联动机床旋转轴误差补偿。该方法每次只能检测一个方向的误差，检测过程繁琐，需要多次拆装；在检测过程中检测的每一个方向误差均受其他方向误差的影响，容易引入检测的不准确性。该方法通过补偿NC代码修正刀尖点误差与通过数控***旋转轴结构参数修正方法相比，不具有通用性。
因此目前亟需一种具有通用性的五轴数控机床旋转轴结构参数误差的补偿方法。
发明内容
本发明的目的在于：提供了一种五轴数控机床旋转轴结构参数误差补偿方法，检测多个方向的误差，并且除了进行旋转轴位置的计算及补偿，还进行了旋转轴轴线的方向误差计算及补偿，解决了现有技术中存在的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种五轴数控机床旋转轴结构参数误差补偿方法，包括以下步骤：
步骤S1：在五轴数控机床RTCP功能开启的情况下，按照预设的检测轨迹，将五轴数控机床各旋转轴的转动行程均分为多个节点，每一个旋转轴的检测过程中控制机床摆动至给定节点；
步骤S2：采集并记录每个节点下刀具中心点相对初始位置在X轴、Y轴、Z轴三个方向的偏移量，采集到的刀尖点误差数据序列分别记作
Figure 216538DEST_PATH_IMAGE001
；
步骤S3：在刀具中心点偏移误差作用下，建立基于刀尖点位置偏差的旋转轴结构参数误差辨识数学模型，得出辨识方程，计算出机床旋转轴结构参数误差；
步骤S4：将结构参数误差数值补偿进数控***对应的旋转轴结构参数中，实现机床旋转轴的误差补偿；
步骤S5：采集刀尖点RTCP误差验证误差补偿效果，确定旋转轴结构参数误差是否消除，若消除，则结束；若未消除，则从步骤S2开始重新进行。
为了更好地实现本方案，进一步地，所述步骤S3中的计算机床旋转轴结构参数误差的方法具体为：
步骤S301：根据五轴数控机床的数控***中当前旋转轴的结构参数建立五轴数控机床旋转轴某一节点下刀尖点的理论位置
Figure 864557DEST_PATH_IMAGE002
的数学模型为：
Figure 717238DEST_PATH_IMAGE003
其中，θ为采样点处旋转轴的角度；a、b、c为数控***中保存的旋转轴方向向量
Figure 755601DEST_PATH_IMAGE004
的三个元素，为单位向量；s、l、h为数控***中保存的机床空间坐标系下旋转中心三个方向的位置参数分量；这些参数均可通过数控***获取，为已知量；
步骤S302：建立五轴数控机床旋转轴机械结构在受到与机械结构相匹配的***结构参数控制下摆动到对应节点时刀尖点的实际位置
Figure 702828DEST_PATH_IMAGE005
的数学模型：
Figure 267671DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 540520DEST_PATH_IMAGE008
其中，d、e、f为与机械结构相对应的五轴数控机床旋转轴真实方向向量
Figure 800600DEST_PATH_IMAGE009
中的三个元素，为单位向量；△s、△l、△h为结构参数误差，具体为数控***中保存的旋转中心位置相对真实机械结构旋转中心位置的偏差；d、e、f、△s、△l、△h均为未知量；
步骤S303：根据步骤S301和步骤S302中的数学模型建立五轴数控机床旋转轴结构参数误差与刀尖点误差
Figure 302251DEST_PATH_IMAGE010
映射模型：
Figure 472332DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 165351DEST_PATH_IMAGE013
其中，△x、△y、△z为采样点处刀具中心误差，为误差数据序列
Figure 912727DEST_PATH_IMAGE001
中对应的元素。
为了更好地实现本方案，进一步地，根据采集到的刀尖点误差数据，通过矩阵最小二乘法计算出与机床旋转轴真实机械结构相对应的方向向量d、e、f和结构参数误差△s、△l、△h，并将方向向量d、e、f和结构参数误差△s、△l、△h录入数控***的旋转轴结构参数列表中。
为了更好地实现本方案，进一步地，所述采集数据使用非接触式三向位移传感器。
为了更好地实现本方案，进一步地，在所述步骤S1之前，将标准球头（2）通过刀柄（1）安装于五轴数控机床上，在五轴数控机床的各旋转轴处于初始状态下通过移动机床直线坐标轴，将标准球头（2）移动到非接触式三向位移传感器（3）的原点位置，通过刀柄（1）上的调节结构将标准球头的球心调至五轴数控机床的主轴轴线上，保证主轴慢速旋转过程中非接触式三向位移传感器（3）的数据变化在±0.001mm内。
在本方案中，首先需要按照预设的检测轨迹，将五轴数控机床各旋转轴的转动行程均分为多个节点，每一个旋转轴的检测过程中控制机床摆动至给定节点，这里的预设检测轨迹，一般是使用现有的标准协议中的检测轨迹，常用的为ISO 10791-6标准，然后使用非接触式三向位移传感器记录每个节点下刀具中心点相对初始位置在X轴、Y轴、Z轴三个方向的偏移量；然后在刀具中心点偏移误差作用下，通过建立基于刀尖点位置偏差的旋转轴结构参数误差辨识数学模型，得出辨识方程，计算出机床旋转轴结构参数误差；将结构参数误差数值补偿进数控***对应的旋转轴结构参数中，实现机床旋转轴的误差补偿；最后通过非接触式三向位移传感器采集刀尖点RTCP误差，以此验证误差补偿效果，确定旋转轴结构参数误差是否消除，若消除，则结束；若未消除，则重新进行刀具中心点偏移量的采集和辨识方程的建立，重新计算出机床旋转轴结构参数误差。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明所述的一种五轴数控机床旋转轴结构参数误差补偿方法，一次同时检测XYZ轴三个方向的误差，检测过程简单，不需要多次拆装；
2.本发明所述的一种五轴数控机床旋转轴结构参数误差补偿方法，不仅进行了旋转轴位置的计算及补偿，并且也进行了旋转轴轴线的方向误差计算及补偿。
附图说明
为了更清楚地说明本技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：
图1是本发明的方法流程框图；
图2是本发明的非接触式三向传感器示意图；
图3是本发明的标准球头示意图；
图4是本发明的刀尖点误差采集硬件安装示意图；
图5是本发明的刀尖点误差采集工作示意图；
图6是本发明的旋转轴结构参数补偿前后刀具中心点误差分布图；
图7是本发明的旋转轴结构参数补偿前后刀尖点误差分布图；
图中，1-刀柄，2-标准球头，3-非接触式三向位移传感器，4-支撑座。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合图1至图7对本发明作详细说明。
实施例1：
一种五轴数控机床旋转轴结构参数误差补偿方法，如图1，包括以下步骤：
步骤S1：在五轴数控机床RTCP功能开启的情况下，按照预设的检测轨迹，将五轴数控机床各旋转轴的转动行程均分为多个节点，每一个旋转轴的检测过程中控制机床摆动至给定节点；
步骤S2：采集并记录每个节点下刀具中心点相对初始位置在X轴、Y轴、Z轴三个方向的偏移量，采集到的刀尖点误差数据序列分别记作
Figure 467336DEST_PATH_IMAGE001
；
步骤S3：在刀具中心点偏移误差作用下，建立基于刀尖点位置偏差的旋转轴结构参数误差辨识数学模型，得出辨识方程，计算出机床旋转轴结构参数误差；
步骤S4：将结构参数误差数值补偿进数控***对应的旋转轴结构参数中，实现机床旋转轴的误差补偿；
步骤S5：采集刀尖点RTCP误差验证误差补偿效果，确定旋转轴结构参数误差是否消除，若消除，则结束；若未消除，则从步骤S2开始重新进行。
工作原理：在本方案中，首先需要按照预设的检测轨迹，将五轴数控机床各旋转轴的转动行程均分为多个节点，每一个旋转轴的检测过程中控制机床摆动至给定节点，这里的预设检测轨迹，一般是使用现有的标准协议中的检测轨迹，常用的为ISO 10791-6标准，然后采集并记录每个节点下刀具中心点相对初始位置在X轴、Y轴、Z轴三个方向的偏移量；然后在刀具中心点偏移误差作用下，通过建立基于刀尖点位置偏差的旋转轴结构参数误差辨识数学模型，得出辨识方程，计算出机床旋转轴结构参数误差；将结构参数误差数值补偿进数控***对应的旋转轴结构参数中，实现机床旋转轴的误差补偿；最后采集刀尖点RTCP误差，以此验证误差补偿效果，确定旋转轴结构参数误差是否消除，若消除，则结束；若未消除，则重新进行刀具中心点偏移量的采集和辨识方程的建立，重新计算出机床旋转轴结构参数误差。
另外，步骤S2中采集刀具中心点在每个节点的偏移量具体为，机床在到达所述节点后，暂停时间T，所述时间T根据传感器采集数据所需时间确定，采集到的刀尖点误差数据序列分别记作
Figure 236797DEST_PATH_IMAGE001
。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上，如图1，所述步骤S3中的计算机床旋转轴结构参数误差的方法具体为：
步骤S301：根据五轴数控机床的数控***中当前旋转轴的结构参数建立五轴数控机床旋转轴某一节点下刀尖点的理论位置
Figure 710504DEST_PATH_IMAGE014
的数学模型为：
Figure 820542DEST_PATH_IMAGE003
其中，θ为采样点处旋转轴的角度；a、b、c为数控***中保存的旋转轴方向向量
Figure 162531DEST_PATH_IMAGE004
的三个元素，为单位向量；s、l、h为数控***中保存的机床空间坐标系下旋转中心三个方向的位置参数分量；这些参数均可通过数控***获取，为已知量；
步骤S302：建立五轴数控机床旋转轴机械结构在受到与机械结构相匹配的***结构参数控制下摆动到对应节点时刀尖点的实际位置
Figure 307204DEST_PATH_IMAGE015
的数学模型：
Figure 217391DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 565458DEST_PATH_IMAGE008
其中，d、e、f为与机械结构相对应的五轴数控机床旋转轴真实方向向量
Figure 727449DEST_PATH_IMAGE009
中的三个元素，为单位向量；△s、△l、△h为结构参数误差，具体为数控***中保存的旋转中心位置相对真实机械结构旋转中心位置的偏差；d、e、f、△s、△l、△h均为未知量；
步骤S303：根据步骤S301和步骤S302中的数学模型建立五轴数控机床旋转轴结构参数误差与刀尖点误差
Figure 444739DEST_PATH_IMAGE010
映射模型：
Figure 525827DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 610458DEST_PATH_IMAGE013
其中，△x、△y、△z为采样点处刀具中心误差，为误差数据序列
Figure 61293DEST_PATH_IMAGE001
中对应的元素。
根据采集到的刀尖点误差数据，通过矩阵最小二乘法计算出与机床旋转轴真实机械结构相对应的方向向量d、e、f和结构参数误差△s、△l、△h，并将方向向量d、e、f和结构参数误差△s、△l、△h录入数控***的旋转轴结构参数列表中。
所述采集数据使用非接触式三向位移传感器。
工作原理：本实施例所述的方案通过非接触式位移传感器采集五轴数控机床RTCP运动过程中刀尖点误差，基于误差辨识模型根据刀尖点误差求解旋转轴结构参数误差并进行补偿。为了验证误差检测及补偿效果，在CA结构五轴数控机床上进行验证。在检测A旋转轴结构参数误差过程中，按照ISO10791-6规定的AK1运动轨迹检测刀尖点误差。AK1运动过程中只有A、Y、Z三个运动轴协同参与RTCP运动。下表1和图6反映了误差补偿前的刀尖点误差，经模型计算获取结构参数误差。将A旋转轴在Y方向的偏移误差(-0.086mm)和A旋转轴在Z方向的偏移误差(-0.031mm)补偿进数控***对应的结构参数；由模型确定的旋转轴方向矢量误差很小，不进行旋转轴轴线方向误差补偿。
表1 误差补偿前RTCP开启条件下旋转轴在±75°范围内刀尖点误差
Figure DEST_PATH_IMAGE017
下表2和图7反映了误差补偿后的刀尖点误差。经通过检测结果可以看出旋转轴结构参数修正后RTCP精度明显得到改善。
本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。
表2 误差补偿后RTCP开启条件下旋转轴在±75°范围内刀尖点误差
Figure DEST_PATH_IMAGE019
实施例3
本实施例在实施例1或2的基础上，如图2-图5，在所述步骤S1之前，将标准球头2通过刀柄1安装于五轴数控机床上，在五轴数控机床的各旋转轴处于初始状态下通过移动机床直线坐标轴，将标准球头2移动到非接触式三向位移传感器3的原点位置，通过刀柄1上的调节结构将标准球头的球心调至五轴数控机床的主轴轴线上，保证主轴慢速旋转过程中非接触式三向位移传感器3的数据变化在±0.001mm内。
本实施例的其他部分与上述实施例1或2相同，故不再赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种五轴数控机床旋转轴结构参数误差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：在五轴数控机床RTCP功能开启的情况下，按照预设的检测轨迹，将五轴数控机床各旋转轴的转动行程均分为多个节点，每一个旋转轴的检测过程中控制机床摆动至给定节点；
步骤S2：采集并记录每个节点下刀具中心点相对初始位置在X轴、Y轴、Z轴三个方向的偏移量，采集到的刀尖点误差数据序列分别记作
Figure 611004DEST_PATH_IMAGE001
；
步骤S3：在刀具中心点偏移误差作用下，建立基于刀尖点位置偏差的旋转轴结构参数误差辨识数学模型，得出辨识方程，计算出机床旋转轴结构参数误差；
步骤S4：将结构参数误差数值补偿进数控***对应的旋转轴结构参数中，实现机床旋转轴的误差补偿；
步骤S5：采集刀尖点RTCP误差验证误差补偿效果，确定旋转轴结构参数误差是否消除，若消除，则结束；若未消除，则从步骤S2开始重新进行。
2.根据权利要求1所述的一种五轴数控机床旋转轴结构参数误差补偿方法，其特征在于，所述步骤S3中的计算机床旋转轴结构参数误差的方法具体为：
步骤S301：根据五轴数控机床的数控***中当前旋转轴的结构参数建立五轴数控机床旋转轴某一节点下刀尖点的理论位置
Figure 324882DEST_PATH_IMAGE002
的数学模型为：
Figure 776723DEST_PATH_IMAGE003
其中，θ为采样点处旋转轴的角度；a、b、c为数控***中保存的旋转轴方向向量
Figure 860348DEST_PATH_IMAGE004
的三个元素，为单位向量；s、l、h为数控***中保存的机床空间坐标系下旋转中心三个方向的位置参数分量；这些参数均可通过数控***获取，为已知量；
步骤S302：建立五轴数控机床旋转轴机械结构在受到与机械结构相匹配的***结构参数控制下摆动到对应节点时刀尖点的实际位置
Figure 81245DEST_PATH_IMAGE005
的数学模型：
Figure 90658DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 154429DEST_PATH_IMAGE008
其中，d、e、f为与机械结构相对应的五轴数控机床旋转轴真实方向向量
Figure 759854DEST_PATH_IMAGE009
中的三个元素，为单位向量；△s、△l、△h为结构参数误差，具体为数控***中保存的旋转中心位置相对真实机械结构旋转中心位置的偏差；d、e、f、△s、△l、△h均为未知量；
步骤S303：根据步骤S301和步骤S302中的数学模型建立五轴数控机床旋转轴结构参数误差与刀尖点误差
Figure 851569DEST_PATH_IMAGE010
映射模型：
Figure 641670DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
其中，△x、△y、△z为采样点处刀具中心误差，为误差数据序列
Figure 661579DEST_PATH_IMAGE001
中对应的元素。
3.根据权利要求2所述的一种五轴数控机床旋转轴结构参数误差补偿方法，其特征在于：根据采集到的刀尖点误差数据，通过矩阵最小二乘法计算出与机床旋转轴真实机械结构相对应的方向向量d、e、f和结构参数误差△s、△l、△h，并将方向向量d、e、f和结构参数误差△s、△l、△h录入数控***的旋转轴结构参数列表中。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种五轴数控机床旋转轴结构参数误差补偿方法，其特征在于：所述采集数据使用非接触式三向位移传感器。
5.根据权利要求1所述的一种五轴数控机床旋转轴结构参数误差补偿方法，其特征在于：在所述步骤S1之前，将标准球头（2）通过刀柄（1）安装于五轴数控机床上，在五轴数控机床的各旋转轴处于初始状态下通过移动机床直线坐标轴，将标准球头（2）移动到非接触式三向位移传感器（3）的原点位置，通过刀柄（1）上的调节结构将标准球头的球心调至五轴数控机床的主轴轴线上，保证主轴慢速旋转过程中非接触式三向位移传感器（3）的数据变化在±0.001mm内。
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