一种空间曲线一次插补缓变误差补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及数控机床加工误差补偿领域，尤其是涉及加工轨迹为空间曲线的加工 过程中对缓变误差的补偿方法。
【背景技术】
[0002] 影响数控机床加工精度的主要因素有：热变形、机床制造精度、承载变形和伺服系 统误差等。提高数控系统加工精度的途径主要有两种：硬技术和软技术；其中硬技术即为 误差预防技术，指通过提高机床的零件精度和装配精度、改善材料的力学性能和热学性能、 提高伺服系统的精度和稳定性等方法，从根本上阻止误差的产生。软技术即为误差补偿技 术，即通过一定方式获得误差量，并在数控系统中对误差量进行补偿。在实际应用中，硬技 术往往收到成本和技术的限制，软技术则可以在成本较低的情况下获得较好的效果。
[0003] 误差补偿技术有多种实施方式，可以从精度、系统复杂度、技术难度、经济性等不 同层面，选择合适的补偿方式。
[0004] 从误差补偿的实时性考虑则有，补偿技术的实现有如下实施方式：1.静态补偿方 式，即将误差表储存在数控系统中，在加工过程中不再改变和更新。2.实时补偿法。通过在 线检测和反馈，实时接受直接或间接的误差信息，并及时调整补偿量。
[0005] 其中静态补偿法虽然技术上比较容易实现，但该方法都行、鲁棒性差，且无法对缓 变误差进行测量。而实时补偿法对检测工具要求高、误差计算难度大，同时对补偿的实时性 要求很高，这使实时补偿法在技术上实现难度很大。
[0006] 因此针对以缓变误差为主的应用需求，可以使用在线软实时补偿方法。这种方法 介于静态法和实时法之间，以某一设定好的频率来反馈误差相关?目息，获得误差表后，定期 更新数控系统的误差信息。该方法有滞后性，但对于缓变的热变形已具有足够的精度。
[0007] 从补偿系统结构来说，本补偿方法采用一次插补级独立式补偿，这种方法采用独 立的补偿控制器，收集温度信息和误差信息，建立补偿表，并根据NC代码的空间位置信息， 输出各插补周期内的补偿量。一次插补级独立式补偿一般在理论一次插补数据产生之后， 插补加工实施之前，因此无法做到硬实时，但能满足缓变误差补偿需要。
【发明内容】
[0008] 针对空间曲线缓变误差补偿问题，本发明提供了一种空间曲线一次插补缓变误差 补偿方法。
[0009] 本发明所采用的三个轴上的误差补偿表是动态计算获得的，由于误差补偿表上的 分段采样点都在加工曲线的轨迹上，因此误差模型的计算只在分段采样点实施，相比在整 个机床工作空间中计算误差分布，其计算量大大减小。
[0010] -种空间曲线一次插补缓变误差补偿方法的步骤是：
[0011] 步骤1 :以补偿更新周期Tqips为周期对一次插补数据进行读取，并对一次插补数据 进行分段采样，分段采样的要求是，各分段采样点之间的距离在X、Y、Z三坐标轴上的分量 不超过L，分段采样点即误差补偿计算点。
[0012] 步骤2 :通过多点温度值在线测量，并根据步骤1中对一次插补数据的分段采样， 建立缓变误差的正反向补偿表。
[0013] 步骤3 :对理论一次插补数据在各轴上进行补偿，根据不同的加工方向使用对应 的补偿表。
[0014] 步骤4 :用进行补偿过的一次插补数据代替缓冲区中的理论插补数据。
[0015] 步骤5 :返回步骤2,更新误差表。
[0016] 进一步地，本方法步骤2建立缓变误差的正反向补偿表的过程包括步骤：
[0017] 步骤2. 1 :在步骤1中计算出的分段采样点上，使用激光干涉仪测量几何及热相关 误差，同时测量该点温度。
[0018] 所述的几何及热相关误差包括21项几何误差，包括6个直线度误差、3个线性位移 误差、9个转角误差以及3个垂直度误差；14项热相关误差，包括主轴的绕X、Y的倾斜、X、 Y、Z三轴溜板在3个方向的热漂移和主轴在X、Y、Z三个方向的热漂移。
[0019] 步骤2. 2 :采用齐次坐标变换理论结合刀具与工件联结链矢量建立包含35项几何 及热相关的误差综合补偿模型，获得X、Y、Z轴上相应的补偿量ex，ey，ez。
[0020] 步骤2. 3 :结合所有分段采样上的补偿量，即可建立补偿表。
[0021] 步骤2. 4 :由于一些机床驱动部件具有反向死区，各机械传动副具有反向误差，数 控加工中必须对反向间隙进行补偿。因此，要对不同加工方向独立建模，建立正反两方向的 补偿表，补偿时采用正反向独立的补偿表进行双向补偿。
[0022] 进一步地，步骤3对理论一次插补数据在各轴上进行补偿的过程包括步骤：
[0023] 步骤3. 1 :读取第j个插补点数据，获得其X、Y、Z方向坐标值。
[0024] 步骤3. 2 :根据当前插补点数据和（j-Ι)点数据，判断使用正向或反向补偿表，具 体判断方式为：
[0026] X ta_(j)表示在j点的位移，当前点位移大于下一点位移时，使用反向误差表，否 则使用正向误差表；
[0027] 步骤3. 3 :确定当前点在补偿表中的区间位置，即从表中找到两个连续的补偿点， 使该插补点位于两补偿点之间：
[0028] K X target< β 1+1 (2)
[0029] β ρ β 1+1指补偿表中的补偿点；
[0030] 步骤3. 4 :根据理论位置与实际位置的对应关系，采用线性插值的方式获得指令 点Xtal^tU)对应的输出值x?re. (j)。各轴补偿计算表示为： CN 105116840 A 说明书 3/4 页
[0032] 本发明通过在线软实时补偿，解决了静态补偿动态性差的问题以及实时补偿成本 较高、技术难度大的问题，较好地对空间曲线插补中的缓变误差进行了补偿。
【附图说明】
[0033] 图1为用于验证的空间曲线；
[0034] 图2为X轴速度曲线补偿效果；
[0035] 图3为X轴步长值补偿量；
[0036] 图4为Y轴速度曲线补偿效果；
[0037] 图5为Y轴步长值补偿量；
[0038] 图6为Z轴速度曲线补偿效果；
[0039] 图7为Z轴步长值补偿量；
[0040] 图8为曲线整体轮廓在一次插补数据补偿后的效果。
【具体实施方式】
[0041] 本发明以如图1所示空间曲线为对象，对其有效性进行了验证。
[0042] 出于仿真研究便利性考虑，直接预设X、Y、Z轴统一误差补偿表，X轴统一误差补偿 表见表1〇
[0043] 表1X轴统一误差补偿表
[0045] -次插补点数为3178,统一误差表分段数η = 61。图2、图4和图6为X、Y、Z轴 的补偿前后速度变化，图3、图5和图7为单个周期内各轴向补偿量。
[0046] 从步长值补偿量图可以看到，最大补偿量一般出现在加工方向转换处，即由于补 偿反向间隙误差引起。从速度曲线可知，X轴出现1次反向运动，因此，进行一次反向误差 补偿；Z轴进行三次反向误差补偿；Y轴速度一直为正值，不存在反向加工，因此补偿量相对 均匀，其最大补偿量6. 3 X 10 5mm。
[0047] 曲线整体轮廓在一次插补数据补偿后的效果如图8示，由于补偿量数量级很小， 在几十微米左右，可以看出与用于验证的图1曲线非常吻合。
【主权项】
1. 一种空间曲线一次插补缓变误差补偿方法，其特征在于包含以下步骤： 步骤1 :以补偿更新周期TeMPS为周期对一次插补数据进行读取，并对一次插补数据进行 分段采样，分段采样的要求是，各分段采样点之间的距离在X、Y、Z三坐标轴上的分量不超 过定值L，分段采样点即误差补偿计算点； 步骤2 :根据步骤1中对一次插补数据的分段，通过多点温度值在线测量和误差评估模 型获得采样分段点处的误差值，进而在三个轴上分别建立缓变误差的正反向补偿表； 步骤3 :对机床内部的一次插补数据在各轴上进行补偿，根据不同的加工方向使用对 应的补偿表； 步骤4 :用进行补偿过的一次插补数据代替缓冲区中的插补数据； 步骤5 :返回步骤2,更新误差表。2. 根据权利要求1所述的空间曲线一次插补缓变误差补偿方法，其特征在于使用一次 插补数据点分段采样_合成的方法对缓变误差进行补偿，将空间曲线根据步骤1中的要求 进行分段采样，根据分段采样来进行缓变误差的测量和补偿计算，建立正反向补偿表。3. 根据权利要求1所述的空间曲线一次插补缓变误差补偿方法，其特征在于，所述方 法步骤2建立缓变误差的正反向补偿表的步骤是： 步骤2. 1 :在步骤1中计算出的分段采样点上，使用激光干涉仪测量几何及 热相关误差，同时测量该点温度， 步骤2. 2 :采用齐次坐标变换理论结合刀具与工件联结链矢量建立包含几何及热相关 的误差综合补偿模型，获得X、Y、Z轴上相应的补偿量ex，ey，ez; 步骤2. 3 :结合所有分段采样上的补偿量，即可建立补偿表； 步骤2. 4 :由于一些机床驱动部件具有反向死区，各机械传动副具有反向误差，数控加 工中必须对反向间隙进行补偿，因此，对不同加工方向独立建模，建立正反两方向的补偿 表，补偿时采用正反向独立的补偿表进行双向补偿。4. 根据权利要求1所述的空间曲线一次插补缓变误差补偿方法，其特征在于，所述方 法步骤3对机床内部一次插补数据在各轴上进行补偿的步骤是： 步骤3. 1 :读取第j个插补点数据，获得其X、Y、Z方向坐标值； 步骤3.2:根据当前插补点数据和（j-1)点数据，判断使用正向或反向补偿表，具体判 断方式为-xta_t(j)表示在j点的位移，当前点位移大于下一点位移时，使用反向误差表，否则使 用正向误差表； 步骤3. 3 :确定当前点在补偿表中的区间位置，即从表中找到两个连续的补偿点，使该 插补点位于两补偿点之间： Kxtarget< 0 1+1 (2) 0,、01+1指补偿表中的补偿点； 步骤3. 4 :根据理论位置与实际位置的对应关系，采用线性插值的方式获得指令点的 位移Xta_t(j)对应的输出值xeMPS.(j)，各轴补偿计算表示为：
【专利摘要】本发明公开了一种空间曲线一次插补缓变误差补偿的方法，该方法包括如下步骤：将空间曲线根据算法条件进行分段采样，分段采样点即为误差补偿点；通过多点在线测量，建立误差补偿表；对理论一次插补数据进行补偿；用补偿过的一次插补数据代替原始一次插补数据。本发明通过在线软实时补偿，解决了静态补偿动态性差的问题以及实时补偿成本较高、技术难度大的问题，较好地对空间曲线插补中的缓变误差进行了补偿。<!-- 2 -->
【IPC分类】G05B19/404
【公开号】CN105116840
【申请号】CN201510555858
【发明人】沈洪垚, 侯笛声, 傅建中
【申请人】浙江大学
【公开日】2015年12月2日
【申请日】2015年9月2日