一种基于插补数据的多轴加工轮廓误差预补偿方法技术

本发明专利技术公开了一种基于插补数据的多轴加工轮廓误差预补偿方法，属于数控机床加工优化领域，包括：将工件G代码输入数控系统后，进行如下迭代过程：使数控系统空载运行，对于多轴加工，则在插补过程中同步确定各指令插补点处的旋转轴角度，运行完成后，计算各实际插补点处的轮廓误差矢量，若满足精度要求，则预补偿结束，否则，基于轮廓误差矢量对指令插补点进行修正；对于每一个G代码段，对其中所有修正后的指令插补点进行样条拟合，得到对应的样条曲线，拟合过程中，维持G代码段端点对应的旋转轴角度不变；将各样条曲线以及刀位点对应旋转轴角度作为数控系统新的输入，开始下一轮迭代。本发明专利技术能够简化轮廓误差补偿过程，并提高补偿精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于插补数据的多轴加工轮廓误差预补偿方法
本专利技术属于数控机床加工优化领域，更具体地，涉及一种基于插补数据的多轴加工轮廓误差预补偿方法。
技术介绍
数控加工过程中，由于各个加工环节中都存在误差，比如刀具过切或干涉等，致使最后加工出的工件产生轮廓误差，几何精度降低。目前，多种误差补偿技术在机床加工领域得到应用。传统方法是在工件加工后，利用三坐标测量仪对工件尺寸精度进行测量以得到误差数据，并利用误差数据对加工程序进行调整。这种方法操作复杂，自动化程度低，受人员操作水平等外在因素影响较大。也有许多新颖的自动化高效的轮廓误差补偿与修正方法。中国专利技术专利CN110032142A公开了一种基于数控加工路径最小化修正的轮廓误差预补偿方法，其补偿原理是：基于伺服系统对输入信号的误差响应，建立机床进给系统随动误差与刀位指令序列的时域解析关系，从而预估机床实际刀位点；然后以刀位点补偿量最小为优化目标建立带约束的二次规划模型，通过求解方程组得到最优的补偿量值。中国专利技术专利CN107479497B公开了一种五轴加工轨迹轮廓误差双闭环补偿方法，其补偿原理是：基于模型预测和反馈校正，预估下一时刻各物理轴运动位置，通过切向逆推及牛顿法计算下一时刻及当前时刻刀尖点及刀轴方向轮廓误差。中国专利技术专利CN109960215A公开了一种四轴车床加工轨迹轮廓误差离线补偿方法，其补偿原理是：利用理论刀位点和理论刀轴矢量，构建雅各比矩阵，离线计算进给轴实际速度，从而预估车床进给轴随动误差，计算实际刀位点和刀轴矢量。再采用B样条进行拟合，计算出刀位点轮廓误差与刀轴矢量轮廓误差，最后分别对进给轴随动误差进行预补偿。上述各种轮廓误差补偿方法，都需要建立复杂的预测模型来对整个伺服控制系统进行数据采集与分析，而且实际加工位置主要依赖于前向数据或理论位置进行预估。这些特点都会使得轮廓误差的补偿过程变得异常复杂，且补偿精度随预估方法的不同而波动。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种基于插补数据的多轴加工轮廓误差预补偿方法，其目的在于，简化对多轴加工轮廓误差的补偿过程，提高对轮廓精度误差的补偿精度。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于插补数据多轴加工轮廓误差预补偿方法，包括如下步骤：(S1)将工件G代码作为数控系统的输入；(S2)使数控系统在非加工状态下空载运行，对于多轴加工，则在插补过程中，根据指令插补点相互位置，同步确定各指令插补点处的旋转轴角度，运行完成后，获取数控系统反馈的实际插补数据，以计算每一个实际插补点处的轮廓误差矢量，若轮廓误差满足预设的精度要求，则转入步骤(S6)；若不满足，则转入步骤(S3)；(S3)基于所计算的轮廓误差矢量对指令插补点进行修正，以减小实际插补点与理论加工轨迹之间的误差；(S4)对于每一个G代码段，获得属于G代码段的修正后的指令插补点，并对所获得的指令插补点进行样条拟合，得到用于描述G代码段的刀尖点加工轨迹的样条曲线，拟合过程中，维持G代码段端点对应的旋转轴角度不变；(S5)将各G代码段所对应的样条曲线以及刀位点对应旋转轴角度作为数控系统新的输入，并转入步骤(S2)；(S6)将最后一次拟合得到的样条曲线，以及各指令插补点处的旋转轴角度作为预补偿后的结果，预补偿结束。进一步地，步骤(S4)中，对属于G代码段的修正后的指令插补点进行样条拟合，得到用于描述G代码段的加工轨迹的样条曲线，其方式包括：以G代码段的端点pk、pk+1的切矢作为变量，以相邻G代码段在端点处至少满足G2连续作为约束条件、以修正后的指令插补点到拟合曲线的偏差之和最小作为目标函数，得到一个工程优化问题，通过求解工程优化问题，得到G代码段对应的样条曲线。进一步地，步骤(S4)中，采用Hermite样条进行拟合。进一步地，工程优化问题的数学模型如下：其中，n表示指令插补点总数；Pi'表示一个修正后的指令插补点，Pi表示指令插补点Pi'到Hermite样条曲线距离的对应点，Δi(ui)＝||Pi'Pi||表示指令插补点Pi'与点Pi之间的距离；Pi'＝(x’i,y’i,z’i)＝P(ui)，ui表示指令插补点Pi'在Hermite样条曲线上的参数；P(ui)表示Hermite样条拟合曲线的表达式；λi-1r、λil、λir和λi+1l分别表示相邻两段G代码段所对应的两段样条曲线中，前一段样条曲线的左端点切矢模长和右端点切矢模长，以及后一段样条曲线的左端点切矢模长和右端点切矢模长，f和g分别表示前一段样条曲线和后一段样条曲线的二阶导矢函数。进一步地，通过求解工程优化问题，得到G代码段对应的样条曲线，包括：通过求解工程优化问题，得到G代码段的端点pk、pk+1的切矢模长，确定G代码段的端点pk、pk+1的切矢方向后，得到G代码段的端点pk、pk+1的切矢代入Hermite样条拟合曲线的表达式由此得到G代码段的样条曲线；其中，H0(u)、H1(u)、H2(u)、H3(u)为基函数。进一步地，步骤(S2)中，在插补过程中，通过线性插值的方式确定各指令插补点处的旋转轴角度。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，包括存储的计算机程序；计算机程序被处理器执行时，控制计算机可读存储介质所在设备执行本专利技术提供的基于插补数据的多轴加工轮廓误差预补偿方法。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：(1)本专利技术直接根据数控机床实际加工时的插补数据对多轴加工轮廓误差进行补偿，无需建立复杂模型对伺服系统进行测量或预测，操作简单，易于实施，大大简化了轮廓误差补偿过程，并且由于数据源更加真实，能够有效提高对轮廓精度误差的补偿精度。(2)本专利技术在对修正后的指令插补点进行样条拟合时，以相邻G代码段在端点处至少满足G2连续作为约束条件，能够保证加工时的速度连续并使得加速度突变较小。(3)本专利技术对多轴加工轮廓误差的预补偿过程针对全局加工轨迹，不局限于局部信息，可以较好地保证加工整体过程的连续性。(4)本专利技术基于插补数据完成多轴加工轮廓误差的补偿，不受数控机床结构、工件模型等条件的影响，适用于多种复杂的多轴加工工况。(5)本专利技术提供的基于插补数据的轮廓误差预补偿方法，整个补偿过程是离线完成的，不会影响数控系统的实时性和稳定性。附图说明图1为本专利技术实施例提供的基于插补数据的多轴加工轮廓误差预补偿方法流程图；图2为本专利技术实施例提供的基于插补数据的多轴加工轮廓误差补偿方法的加工轨迹示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。在本专利技术中，本专利技术及附本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于插补数据的多轴加工轮廓误差预补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(S1)将工件G代码作为数控系统的输入；/n(S2)使数控系统在非加工状态下空载运行，对于多轴加工，则在插补过程中，根据指令插补点相互位置，同步确定各指令插补点处的旋转轴角度，运行完成后，获取所述数控系统反馈的实际插补数据，以计算每一个实际插补点处的轮廓误差矢量，若轮廓误差满足预设的精度要求，则转入步骤(S6)；若不满足，则转入步骤(S3)；/n(S3)基于所计算的轮廓误差矢量对指令插补点进行修正，以减小实际插补点与理论加工轨迹之间的误差；/n(S4)对于每一个G代码段，获得属于所述G代码段的修正后的指令插补点，并对所获得的指令插补点进行样条拟合，得到用于描述所述G代码段的刀尖点加工轨迹的样条曲线，拟合过程中，维持所述G代码段端点对应的旋转轴角度不变；/n(S5)将各G代码段所对应的样条曲线以及刀位点对应旋转轴角度作为所述数控系统新的输入，并转入步骤(S2)；/n(S6)将最后一次拟合得到的样条曲线，以及各指令插补点处的旋转轴角度作为预补偿后的结果，预补偿结束。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于插补数据的多轴加工轮廓误差预补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
(S1)将工件G代码作为数控系统的输入；
(S2)使数控系统在非加工状态下空载运行，对于多轴加工，则在插补过程中，根据指令插补点相互位置，同步确定各指令插补点处的旋转轴角度，运行完成后，获取所述数控系统反馈的实际插补数据，以计算每一个实际插补点处的轮廓误差矢量，若轮廓误差满足预设的精度要求，则转入步骤(S6)；若不满足，则转入步骤(S3)；
(S3)基于所计算的轮廓误差矢量对指令插补点进行修正，以减小实际插补点与理论加工轨迹之间的误差；
(S4)对于每一个G代码段，获得属于所述G代码段的修正后的指令插补点，并对所获得的指令插补点进行样条拟合，得到用于描述所述G代码段的刀尖点加工轨迹的样条曲线，拟合过程中，维持所述G代码段端点对应的旋转轴角度不变；
(S5)将各G代码段所对应的样条曲线以及刀位点对应旋转轴角度作为所述数控系统新的输入，并转入步骤(S2)；
(S6)将最后一次拟合得到的样条曲线，以及各指令插补点处的旋转轴角度作为预补偿后的结果，预补偿结束。


2.如权利要求1所述的基于插补数据的多轴加工轮廓误差预补偿方法，其特征在于，所述步骤(S4)中，对属于所述G代码段的修正后的指令插补点进行样条拟合，得到用于描述所述G代码段的加工轨迹的样条曲线，其方式包括：
以所述G代码段的端点pk、pk+1的切矢作为变量，以相邻G代码段在端点处至少满足G2连续作为约束条件、以修正后的指令插补点到拟合曲线的偏差之和最小作为目标函数，得到一个工程优化问题，通过求解所述工程优化问题，得到所述G代码段对应的样条曲线。


3.如权利要求2所述的基于插补数据的多轴加工轮廓误差预补偿方法，其特征在于，所述步骤(S4)中，采用Hermite样条进行拟合。

【专利技术属性】
技术研发人员：杨建中，朱万强，周会成，张建雄，高嵩，张成磊，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42