基于刀位点修改的曲面刀轨轮廓误差补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于一种数控机床的动态误差补偿领域，涉及一种轮廓误差估计新方法和 基于刀位点修改的曲面刀轨轮廓误差补偿新方法。
【背景技术】
[0002] 航空航天、能源动力等领域高端装备中存在许多对轮廓精度要求高的复杂曲面零 件，如航空发动机叶片、船用整体叶轮等。以航空发动机叶片为例，若其轮廓精度不达标，将 直接影响其气动性能，进而导致航空发动机工作存在重大安全隐患。目前，为保证该类零件 的加工精度，导致加工效率低，无法满足航空航天、能源动力等领域快速发展对高轮廓精度 复杂曲面零件的大量需求。
[0003] 采用高进给速度进行加工是提高高轮廓精度复杂曲面零件加工效率的重要手段 之一。然而，由于数控机床伺服控制系统动态特性的限制，加工进给速度较高时，数控机床 刀具加工轨迹曲线的轮廓误差明显增加。针对高轮廓精度复杂曲面零件，其刀具加工轨迹 往往为曲率变化较大的曲线，导致产生的轮廓误差更加明显，刀具加工轨迹曲线大的线轮 廓误差将直接导致高轮廓精度复杂曲面零件加工表面的面轮廓精度降低，无法满足高轮廓 精度复杂曲面零件加工质量要求。由此，高轮廓精度复杂曲面零件数控加工效率的提升与 轮廓精度不高之间的矛盾凸显。
[0004] 曲面数控加工轮廓误差得到了学者的广泛关注。相关研究主要集中在轮廓误差估 计和轮廓误差降低两个方面。轮廓误差估计方面，文献"Estimationofthecontouring errorvectorforthecross-coupledcontroldesign，'，Syh-ShiuhYeh等，IEEE/ASME TransactionsonMechatronics, 2002, 7(1) :44_51，该文献中利用切线近似代替期望加工 轨迹的方法对自由曲线轮廓误差进行估计，然而当加工轨迹曲线的曲率较大时，该方法的 估计精度显著降低。文献"一种实时轮廓误差估计方法"，李培新等，中国机械工程，2011， 22(4) :419-423,该文献中利用三次样条插值的方法估计轮廓误差，提高了估计精度。然 而，由于三次样条曲线是基于"小挠度"假设定义的，故当加工轨迹曲线的曲率较大时，三 次样条插值曲线势必产生很大波动，故该方法不适用于估计大曲率曲线的加工轮廓误差。 此外，三次样条无法对垂直切线轮廓进行拟合，导致算法不稳定。轮廓误差降低方面，文 献"Contourerrorreductionforfree-formcontourfollowingtasksofbiaxial motioncontrolsystems，'，Ming-YangCheng等，RoboticsandComputer-Integrated Manufacturing，2009, 25 (2) :323-333,该文献通过在伺服控制系统中增加前馈控制器、反 馈控制器和交叉耦合控制器，以及调整加工进给速度的方法有效降低了轮廓误差。然而，该 方法须改进数控机床各进给轴伺服控制系统结构，对高度集成化数控机床适用性降低。
[0005] 综上，目前的轮廓误差估计方法均无法估计大曲率加工轨迹曲线的轮廓误差，轮 廓误差降低方法亦存在缺陷。
【发明内容】
[0006] 本发明旨在克服现有技术的缺陷，发明一种适用范围广、精度高、稳定性好的轮廓 误差估计方法和一种基于刀位点修改的曲面刀轨轮廓误差补偿方法，补偿方法通过测量拐 角轮廓和直线轮廓的加工误差，辨识各加工进给轴控制系统的位置环伺服增益；利用直线 插补加工代码估计理论刀位点对应的的实际加工位置；再利用"累加弦长参数三次样条"插 值方法，对期望加工轨迹进行拟合，有效提高复杂曲面零件轮廓精度。
[0007] 本发明的技术方案是一种基于刀位点修改的曲面刀轨轮廓误差补偿方法，该方法 基于典型刀具加工轨迹的误差测量，对各加工进给轴控制系统的伺服增益系数进行辨识； 根据伺服控制系统随动误差模型，利用直线插补加工代码估计理论刀位点对应的的实际加 工位置；再利用"累加弦长参数三次样条"插值方法，对期望加工轨迹进行拟合，通过计算实 际加工位置到期望加工轨迹曲线轮廓的距离，获得轮廓误差矢量的估计值；最后，利用轮廓 误差矢量在各加工进给轴的分量计算刀具加工轨迹轮廓误差补偿值，得到补偿后刀位点， 进而得到补偿后直线插补加工代码，并用于实际加工，从而提高刀具加工轨迹的轮廓精度， 最终提高复杂曲面零件轮廓精度；该方法的具体步骤如下：
[0008] 1)基于典型刀具加工轨迹轮廓误差测量对各加工进给轴控制系统的位置环伺服 增益进行辨识
[0009] 由于刀具加工轨迹轮廓误差估计算法以获得各加工进给轴控制系统的伺服增益 系数为前提，故基于典型刀具加工轨迹轮廓误差测量对机床X、Y进给轴位置环伺服增益进 行辨识。
[0010] 首先，设计拐角轮廓CAQ，其中CiC2段与机床X进给轴正向夹角为零，数控指令 加工进给速度为％，C2C3段与机床X进给轴正向夹角为a，数控指令加工进给速度为V(l/ cosa，故在该加工轨迹全程，X进给轴加工进给速度分量始终为V(l。与该加工轨迹对应的 实际加工轨迹为C/C2'C3'，考虑静态误差的影响，（：2和C2'之间的距离，即拐点处加工误差 Ex=ex(V(l)+e(l，其中ex(V(l)为与加工进给速度有关的随动误差，且
【主权项】
1. 一种基于刀位点修改的加工曲面刀轨轮廓误差补偿方法，其特征是，该方法在辨识 加工进给轴控制系统伺服增益的基础上，根据随动误差模型和直线插补加工代码，离线估 计实际加工点；利用理想刀轨"累加弦长参数三次样条"近似的方法估计轮廓误差矢量；再 利用轮廓误差矢量在各轴的分量计算轮廓误差补偿值，得到补偿后刀位点，进而生成补偿 后直线插补数控加工代码，用于实际加工，从而提高高进给速度加工曲面刀轨的轮廓精度； 方法的具体步骤如下： 1)基于典型刀具加工轨迹轮廓误差测量，对各加工进给轴控制系统的位置环伺服增益 进行辨识： 首先，设计拐角轮廓，其中CiC2段与机床X进给轴正向夹角为零，数控指令加工 进给速度为％，C2C3段与机床X进给轴正向夹角为a，数控指令加工进给速度为Vycosa， 故在该加工轨迹全程，X进给轴加工进给速度分量始终为V(l;与该加工轨迹对应的实际加 工轨迹为C/C2'C3'，考虑静态误差的影响，（：2和C2'之间的距离，即拐点处加工误差Ex= 6!￡(￥(|)+6(|，其中，6 !￡(￥(|)为与加工进给速度有关的随动误差，且A为机床在 (：2点处的静态误差，故得到：
拐点误差Ex与X进给轴加工进给速度分量V(l之间呈线性关系，利用最小二乘法辨识 出X进给轴控制系统的位置环伺服增益Kvx; 其次，通过测量直线轨迹的轮廓误差，对Y进给轴控制系统的位置环伺服增益进行辨 识；与拐角误差相比，直线轨迹轮廓误差较小，不易测量，故设计li、12、13三条间距相同的 理论加工直线段轨迹，且与X进给轴正向夹角相同，为0pV、12'、13'分别为lp12、13对 应的实际加工轨迹；1:和13的加工进给速度相同且相对很低，故轮廓误差相等且相对较小， 为E1(l;l2的加工进给速度高，