专利名称：面向参数曲线刀具轨迹的数控系统轮廓误差控制方法
技术领域：
本发明涉及一种误差补偿控制方法，特别是涉及一种面向参数曲线刀具轨迹的数控系统轮廓误差控制方法。
背景技术：
在机械制造业中，许多复杂零件的轮廓可以用参数曲线来描述(如样条曲线、 Bezier曲线、B样条曲线、NURBS曲线等)，相应的可以用参数曲线来描述加工这些零件的刀具轨迹。对于参数曲线刀具轨迹，先进的数控系统多采用曲线插补方法。相对于用直线段逼近参数曲线刀具轨迹再进行直线插补，采用曲线插补方法时，所有插补点均在参数曲线刀具轨迹上，并且理论上可以同时提高加工精度和加工速度。另一方面，对于这些复杂零件，往往用多轴数控机床加工。数控加工中轮廓误差指当前实际刀位点到所跟踪刀具轨迹指令曲线的最短距离，轮廓误差由多种因素造成，如螺距误差、正交轴不垂直、反向间隙等几何误差，热变形引起的热误差，切削力误差以及伺服控制误差等。Syh-Shiuh Yeh等在学术期刊《IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATR0NICS)) (2002,7(1) :44-50)上发表的论文 “Estimation of the Contouring Error Vector for the Cross-Coupled Control Design”中，指出数控机床各进给轴之间实际动态性能很难做到完全匹配，这直接影响了轮廓精度的提高，是造成轮廓误差的重要原因，提出在零件加工中对轮廓误差计算并进行实时补偿，是提高系统轮廓精度的有效途径。对现有的技术文献检索发现，徐志祥等在学术期刊《机械科学与技术》(2006， 25(12) =1451-1453)上发表的论文“一种基于NURBS插补器的多轴交叉耦合控制方法”中， 提出在每个采样周期根据各轴反馈的实际刀具位置与存储的一定数量的插补指令点，找到离实际刀具位置最近的插补点，两点之间距离近似为轮廓误差，计算方法简单，但该方法中轮廓误差模型精度不太高。Syh-Shiuh Yeh等在学术期刊《IEEE TRANSACTIONS ON CONTROL SYSTEMS TECHNOLOGY》(2003,11 (3) :375-382)上发表的论文 “Analysis and Design of Integrated Control for Multi-Axis Motion Systems” 中，将某米样周期实际刀位点到指令刀轨曲线上当前插补点处切线的距离近似为轮廓误差，称为轮廓误差“切线近似法”， 该方法在进给速度较低、所跟踪轮廓曲率较小时可取得较高精度。Myung-Hoon LEE等在学术期刊《JSME International Journal》(2004,47(1) :P144_149)上发表的论文“A multi-axis contour error controller for free form curves，，中，针对参数曲线提出一种基于轮廓误差矢量的控制方法，在每个采样周期，采用二分法和牛顿迭代法求解非线性方程组来计算轮廓误差。该方法存在的问题是，牛顿迭代法对初值的要求很高，且计算量较大，有时难以满足数控系统实时性要求。Myung-Hoon LEE在该文中还提出除了各轴跟随误差PID位置控制器，对于近似计算得到的轮廓误差，另外设计一套PID控制器来计算轮廓误差补偿量，但该PID控制器的控制参数很难整定。综上所述，在零件数控加工中，对于用参数曲线描述的刀具轨迹，如何在每个采样周期，高精度并尽量简单的计算轮廓误差和轮廓误差补偿量，对各进给轴伺服执行机构进行补偿控制，对于增强各进给轴之间匹配程度，提高轮廓精度，实现多轴协同控制具有重要意义，已成为本领域技术人员急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种能克服现有技术的不足、轮廓误差计算精度高、轮廓误差补偿控制简单的面向参数曲线刀具轨迹的数控系统轮廓误差控制方法。其技术方案为采用以下步骤1)轮廓误差计算，2)轮廓误差补偿量计算及控制，其特征在于步骤I)中，在对参数曲线刀具轨迹进行曲线插补加工的每个采样周期，经X轴、Y轴、Z轴各自的位置传感器检测得到当前实际刀位点R，再找到参数曲线刀具轨迹上距当前实际刀位点
R最近的两个插补点Pa、Pb，设插补点Pa、Pb所对应曲线参数分别为ua、ub，设曲线参数^^
所对应参数曲线刀具轨迹上的点为P。，则轮廓误差ε RP。；步骤2)中，将步骤I)计算得到的轮廓误差ε沿X轴、Y轴、Z轴进给方向分解，分别得到εχ、ey、εζ;借用X轴、Y轴、 Z轴进给系统各自跟随误差PID位置控制器中的比例系数Kpx、Kpy, Kpz,计算沿X轴、Y轴、Z 轴的轮廓误差补偿量，Cex = εχ· Kpx, Ccy= ey. Kpy, Cez = ε z · Kpz ;然后将轮廓误差补偿量CEX、CEy、CEZ分别叠加到X轴、Y轴、Z轴对跟随误差的位置控制量中，最后将叠加结果输出到X轴、Y轴、Z轴的伺服执行机构进行轮廓误差补偿控制。本发明与现有技术相比，其优点是I、轮廓误差计算方法简单，计算精度高。2、轮廓误差补偿量计算方法简单、有效。
图I是本发明的面向参数曲线刀具轨迹的数控系统轮廓误差控制方法流程图。图2是本发明的面向参数曲线刀具轨迹的数控系统轮廓误差计算方法示意图。图3是本发明的面向参数曲线刀具轨迹的数控系统轮廓误差计算补偿程序流程图。图4是采用本发明的三轴联动数控运动平台硬件结构图。图5是一段用NURBS描述的参数曲线刀具轨迹。图6是插补跟踪图5所示参数曲线刀具轨迹时轮廓误差图。图中Pa、插补点Pb、插补点Pk、插补点L、刀具轨迹P。、刀具轨迹上的点R、 实际刀位点A I为刀具轨迹的控制顶点
具体实施例方式下面结合图I 3对本发明做进一步详细描述步骤I)，在对参数曲线刀具轨迹进行曲线插补加工的每个采样周期，根据当前实际刀位点和所跟踪参数曲线刀具轨迹上的插补点，计算轮廓误差，即计算当前实际刀位点到所跟踪参数曲线刀具轨迹的最短距离。具体如图2所示，设用NURBS参数曲线描述该刀具轨迹L,刀具轨迹L上每一点为
权利要求
1.一种面向参数曲线刀具轨迹的数控系统轮廓误差控制方法，采用以下步骤1)轮廓误差计算，2)轮廓误差补偿量计算及控制，其特征在于步骤I)中，在对参数曲线刀具轨迹进行曲线插补加工的每个采样周期，经X轴、Y轴、Z轴各自的位置传感器检测得到当前实际刀位点R，再找到参数曲线刀具轨迹上距当前实际刀位点R最近的两个插补点Pa、Pb，设插补点Pa、Pb所对应曲线参数分别为Ua、Ub,设曲线参数a 2 &所对应参数曲线刀具轨迹上的点为P。，则轮廓误差ε RP。；步骤2)中，将步骤I)计算得到的轮廓误差ε沿X轴、Y 轴、Z轴进给方向分解，分别得到εχ、ey、εζ;借用X轴、Y轴、Z轴进给系统各自跟随误差 PID位置控制器中的比例系数Kpx、Kpy、Kpz，计算沿X轴、Y轴、Z轴的轮廓误差补偿量，Cex = ε X * Kpx, Ccy= ε y · Kpy, Cez= ε z · Kpz ;然后将轮廊差补偿里 Cε x、Cε y、Cε z 分别置加到 X轴、Y轴、Z轴对跟随误差的位置控制量中，最后将叠加结果输出到X轴、Y轴、Z轴的伺服执行机构进行轮廓误差补偿控制。
全文摘要
本发明提供一种面向参数曲线刀具轨迹的数控系统轮廓误差控制方法，采用以下步骤1)轮廓误差计算，2)轮廓误差补偿量计算及控制，其特征在于步骤1)中，在对参数曲线刀具轨迹进行曲线插补加工的每个采样周期，根据当前实际刀位点和所跟踪参数曲线刀具轨迹上的插补点，计算轮廓误差ε，即计算当前实际刀位点到所跟踪参数曲线刀具轨迹的最短距离；步骤2)中，计算轮廓误差ε沿X轴、Y轴、Z轴的分量，经比例控制得到轮廓误差补偿量，再分别与X轴、Y轴、Z轴对跟随误差的位置控制量相叠加，输出到伺服执行机构，进行轮廓误差补偿控制。本发明优点是轮廓误差计算精度高，轮廓误差补偿方法简单、有效，能显著提高轮廓精度。
文档编号G05B19/406GK102591257SQ201210045978
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月27日 优先权日2012年2月27日
发明者王士军, 申永, 赵国勇, 赵玉刚 申请人:山东理工大学