基于修改nc程序的数控机床综合误差三阶优化补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于多轴数控机床综合误差补偿关键技术研究领域，特别涉及一种修改原 NC加工程序的多轴联动数控机床综合误差离线补偿方法。
【背景技术】
[0002] 多轴联动数控机床综合误差补偿一直是数控加工和智能控制领域的研究热点。数 控机床的误差补偿方法主要分为硬件误差补偿和软件误差补偿。硬件误差补偿方法，主要 是针对数控机床系统性、规律性、可重复的误差项，通过检测各相关运动轴传动链的误差变 化曲线，设计计算出与原传动部件互补的矫正机构，实现误差补偿，该方法对不同的运动轴 和不同的机床需要设计特定的补偿装置，通用性较差且成本较高。近年来，软件误差补偿方 法成为数控机床误差补偿主要研究方向。基于神经网络、灰色理论、多体系统运动学、时间 序列及蚁群算法等理论方法，研究者们提出了各种各样的补偿方法。[张秋菊，赵一丁，毛军 红，林其骏.模糊自学习误差补偿方法及其在位置误差补偿中的应用[J].西安交通大学学 报，1995,29(2):67-72.]，该文献提出了一种模糊自学习的软件误差补偿方法并成功应用 于开环数控系统的位置误差补偿，其特点在于根据误差及其变化率，进行fuzzy推理获取误 差修正值，米用自学习技术生成误差校正表。[Hsu YY,Wang SS.A new compensation method for geometry errors of five-axis machine tools[J]?International Journal of Machine Tools and Manufacture,2007,47(2):352-360.]，该文献根据数控 机床的正向逆向运动学方程通过解耦方法先计算出转动轴误差后计算出线性轴误差，通过 修改NC代码来实现加工误差补偿。[傅建中，付国强，贺永，林志伟.一种基于工件模型重建 的三轴数控机床几何误差补偿方法[P].中国：发明专利，CN104057363A，2014.06.10]，该发 明公开了一种基于工件模型重建的数控机床几何误差补偿方法，采用等参数法得到工件表 面上各点坐标并代入误差模型进行修正，依据修正后的各关键点位重建工件模型，将工件 原点作为程序原点生成相应的加工路径和代码，实现对数控机床几何误差的补偿。
[0003] 虽然已有各种各样的多种理论和方法的研究，但对于那些长期服役后加工精度大 幅衰减的多轴数控机床还缺少通用的误差补偿方法。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了解决现有技术中，对于长期服役后加工精度大幅度衰减的多 轴数控机床缺少通用的误差补偿方法的问题。
[0005] 为达到上述目的，本发明提供一种基于修改NC程序的数控机床综合误差三阶优化 补偿方法，实现数控机床加工运动的综合误差离线补偿，从而提高加工精度。该方法的具体 步骤如下：
[0006] 根据多体系统运动学理论和机床的拓扑结构，建立多轴数控机床位姿误差预测模 型；
[0007] 基于欲加工工件的NC程序，读取进给轴运动的起始点和终止点，计算起始点与终 止点之间的距离，若所述距离产生误差大于设定的误差阈值，则进行误差三阶优化补偿并 修改所述NC程序；
[0008] 将修改后的NC程序导入多轴数控机床伺服控制系统，进行实际铣削加工。
[0009] 具体地，进行三阶优化补偿的具体方法如下：
[0010] 分段细化:将进给轴或主轴起始点位设为，终止点位设为Nn(Xn，Yn， Zn)，按优先数系增长量将起始点至终止点的轨迹分为n-1段，其各点位NdXuYhZO按下式 求出： (Zi-Xj) +(}j-^) +(^-2,) ={rty r〇〇11l j Xl = (Xn-Xl)t+X-X]<Xi<X n _ 2； - z^t+Zj；,^ <zt <zn
[0012]其中，rt为优先数系的增长系数，t与r为正数，i为取值从1到n的正整数；
[0013] 分段初次优化:将所述各个点位坐标代入公式
[0014] N^y^f = 1)
[0015] 后，将计算得到的〇,，)', 4)代入公式
[0016] N；(X；^ ,Z；) = N,(X,(A7,,(x,, v,,z,) - N,{X,,Y"Z,)) 2)；
[0017]深度优化:将计算得到的Ni '（Xi '，Yi '，Zi '）代入公式1)和2)，在约束条件| Ni"（Xi"， Yi "，ZO-K'd，h'石'）| < eff进行迭代计算实现深度优化，其中，￡1表示误差阈值。
[0018] 具体地，当预走指令为G00时，由于该指令不需要考虑中间轨迹，因此按照上述方 法进行误差离线补偿。
[0019] 一种具体的情况是，对于直线插补数控指令G01，进行三阶优化补偿后，将所述各 个点位的方向与所读取的NC程序中该段直线的方向进行比较，具体方法如下：
[0020] 比较
?的大小，
[0021] 当a最小时，Xi"为保留基准，
[0022] ，得到新的点位坐标N，' ⑷"，Yi"，Z，），
[0023] 当b最小时，Yi"为保留基准，
[0024] 丨$ = (5 -，得到新的点位坐标 N/，(X: "，Yi "，Z/，）， I ={Z"-Zl)*h + Z,_l
[0025] 当c最小时，Zi"为保留基准，
[0026] |'= $ - …，得到新的点位坐标N/，(X:"，Yi"，Z/，）。
[0027]另一种具体的情况是，对于圆弧轨迹插补指令G02/03,其三阶优化补偿方法具体 如下：
[0028] 设在G17指令设置的平面上，根据公式
[0029] r = W+I
[0030]计算出该段理想原圆弧半径，根据公式
[0032]计算出弦长，根据公式
[0034]计算出夹角，其中，当指令为G02时，a取"-"，当指令为G03时，a取"+" ；
[0035]分段细化:根据优先数系，采用圆心角度增量的方式，确定出圆弧iDiDsI上的n个关 键点位，对该段圆弧曲线进行分段细化，具体方法为:设该段圆弧起始点位DKmjOSNi (父1，￥1，21)，终止点位02(父 2，丫2,22)为化(父11，￥11，2 11)，并按公式 r 1 fX = X + r.cGsCa〗±句
[o036Mn+r-
[0037] 计算出关键点位坐标Ni(Xi，Yi)，当指令为G02时，取，当指令为G03时，取"+"，0 为角度增量；
[0038]分段优化:根据公式
[0040]计算得到各个关键点位坐标Ni(Xi，Yi，Zi)，并将各个关键点位坐标代入公式1)，计 算出进给轴或主轴实际走过的圆弧轨迹，再把各关键点位实际坐标值代入公式2)，进行分 段优化；
[0041]深度优化:把所得各优化关键点位值作为初值，代入公式1)与公式2)在约束条件 ⑷"，Y:"，Z，'），'（X，土'石'）| < e2下进行迭代计算实现深度优化，其中，￡2表示误差 阈值。
[0042]对于圆弧轨迹插补指令G02/03,进一步地，进行深度优化后，根据公式
[0043] \1, = x〇^xrl U=u丨
[0044] 对圆心进行校正，（Ii'，Ji'）表示校正后的圆心坐标。
[0045] 对于圆弧轨迹插补指令G02/03，进一步地，对于进行深度优化后的点位值，还包 括：
[0046] 计算 A = ^{r'f + {j：\ - t)_'，当 A >e3 时，根据公式
[0047] 点位做进一步的修正，其中，e3表示误差阈值。
[0048] 在本发明中，若预走指令中包含摆动轴的运动，则：
[0049] 在该段轨迹之间插入中间点位作为分段细化关键点，中间点位Nl.5(Xl.5，Yl.5，Zl.5) 坐标计算方法为：
[0051] 将点位 公式2)，实现初次优化得到点位化'（t '，h '，Zi '）与化' (M '，Bi '）；
[0052]将点位点位Ni '（Xi '，Yi '，Zi '）与Ni '（Ai '，Bi '）代入公式1)及公式2)，在约束条件 ....... , 1下进行迭代运算实现深度优化，得到修正值N/'Ui "，Yi "，Z/'）
[|飘』,+ )-顺，马)卜4 与Ni"（Ai"，Bi"），其中，￡4表不误差阈值。
[0053]本发明的有益效果是:本发明的基于修改NC程序的数控机床综合误差三阶优化补 偿方法，在不需要更新数控机床硬件设备和增加成本投入的同时，优化数控机床综合误差 补偿并提高加工精度。其中误差的测量和辨识阶段，需要依据高精度双频激光干涉仪和球 杆仪对多轴数控机床各进给轴与主轴进行全面误差测量和辨识，为三阶优化补偿方法提供 可靠地依据。运用该三阶优化补偿方法操作简单效率高。
【附图说明】
[0054]图1为实施例的多轴数控机床综合误差三阶优化补偿方法流程图；
[0055] 图2为实施例的A/B双摆角龙门数控铣床综合误差的离线式补偿三阶优化方法操 作流程图；
[0056] 图3为实施例的某型工件数控加工NC程序；
[0057]图4为实施例的某型工件修改后的数控NC程序。
【具体实施方式】
[0058] 以下结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述，应当注意的是， 实施例仅仅是为了帮助读者更好理解本发明的技术构思而例举的应用实例，其并不用以限 定本发明的保护范围。本领域技术人员根据本发明技术方法启示做出各种不脱离本发明实 质的其它各种误差补偿方法或做简单更改的方法都将在本发明的保护范围内。
[0059] 本发明针对现有技术中，长期服役后加工精度大幅度衰减的多轴数控机床缺少通 用的误差补偿方法的问题，提供一种"分段细化-分段优化-深度优化"的三阶优化数控机床 运动误差离线补偿方法。兹方法基于已有的NC程序，从相应的程序行中读取进给轴或主轴 运动的起始点位和终止点位，将该段轨迹进行分段细化;计算出该路径上的各个关键点位 并运用数控机床