专利名称：一种基于指令序列分析的数控机床加工动态误差补偿方法
技术领域：
本发明涉及数控机床加工误差补偿技术领域，具体是一种基于指令序列分析的数 控机床加工动态误差补偿方法。
背景技术：
数控机床是一种高效的自动化加工设备，它严格按照加工程序，自动的对被加工 工件进行加工，把从数控系统外部输入的直接用于加工的程序称为数控加工程序，数控加 工程序表示了数控机床要完成的全部动作。一个完整的数控加工程序由程序名、程序内容 和程序结束指令三部分组成，程序内容是整个数控加工程序的核心，它由若干个程序段组 成，每个程序段是一个完整的加工工步单元，它由若干个指令字组成。指令字是指一系列按 规定排列的字符，作为一个信息单元存储、传递和操作。指令字是由一个英文字母与随后的 若干位十进制数字组成，这个英文字母称为地址符。如“X250”是一个指令字，X为地址符， 数字“250”为地址中的内容。指令字是数控加工程序中最小的有效单位。把一个数控加工 程序的程序段按照加工顺序进行排列，所构成的一个序列，称为指令序列。由于目前的数控加工程序在设计编写时，只基于加工零件的几何轮廓特征，是加 工轨迹的几何信息表达，没有考虑数控机床的机电系统动态特性，因此，容易带来实际运行 轨迹与编程轨迹的偏离。例如，在加工由大量小线段构成的数控加工程序的过程中，数控加 工程序指令段表示的线段长度微小，由于机电系统加速度和速度特性限制容易导致动态误 差超过允许范围，产生加工的过冲或欠切。动态误差用来表示数控机床在加工过程中的实 际反馈位置与目标位置的差值。这样一些由于在数控加工程序规划编写时，没有考虑到机 电系统的动态特性而带来的动态误差，称为指令序列引起的动态误差。为保证加工精度，采用误差补偿的方式控制轨迹的偏离，通过人为地制造一种新 的误差去抵消或减弱当前成为问题的原始误差。通过分析、统计、归纳及掌握原始误差的特 点和规律，建立误差数学模型，尽可能使得人为造出的误差和原始误差在数值上相等，方向 相反，从而减少加工误差，提高零件加工的精度。误差补偿一般采用硬件补偿和软件补偿两 种方式，例如，根据测出的传动链误差曲线，制造滚齿机的凸轮校正机构；根据测量的螺距 误差曲线，制造丝杆车床的校正尺装置等，这些硬件补偿方式属于机械式的固定补偿，在机 床误差发生变化时，要对新误差进行补偿必须重新制作凸轮，校正尺或重新调整补偿机构， 硬件补偿方式是基于误差预防的，无法补偿加工过程中出现的随机误差，缺乏柔性，且对于 精度达到一定程度的误差补偿，这种补偿方式所花费的精力和成本是巨大的。另外一种方 式是软件补偿方式，借助现代信号分析处理手段对数控机床加工过程的误差进行测量，根 据测量得到的信息建立加工过程的动态误差预测模型，预测在实际加工过程中的误差情 况，根据此模型，对正式加工的轨迹偏离量进行预测，从而在加工过程中，在相应环节进行 实时的误差补偿。在加工过程中，往往按照以下步骤来实施误差补偿首先，通过对数控机 床的各项检测和测量，建立该机床的误差预报模型，再将模型输入到数控系统，在加工过程 中，数控系统根据预报模型，在对应的处理环节实时预报误差量，并对应输出一个补偿量，从而实现加工过程中动态误差的实时补偿。这种补偿方式需要在正式加工前，对数控机床 进行测量，建立误差预报模型，一旦模型确定下来，对后面在此机床上加工的任何数控加工 程序都采用此模型进行误差预报和补偿控制。因此对误差补偿模型的通用性和准确性提出 了很高的要求，一旦误差模型建立不准确，将无法有效对误差进行控制。动态误差是各种影 响因素的综合体现，确定其补偿模型的算法往往比较复杂，此方式对数控机床用户的技术 能力和知识程度要求很高，不便于实际操作和应用。以上误差补偿技术都是在系统或机床的设计开发过程中进行实施的，只能由设计 和开发人员完成，机床用户无法实现对加工过程的动态误差的控制和补偿。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于指令序列分析的数控机床加工动态误差补偿方 法，该方法可以实现对数控机床加工过程的动态误差的控制和补偿。本发明提供的一种基于指令序列分析的数控机床加工动态误差补偿方法，其步骤 包括(1)通过自学习方式，获取数控机床加工过程的多种信息曲线图；(2)根据预先设定的动态误差阈值要求，在步骤(1)所得到的各个运动轴基于 指令序列的动态误差曲线图中查找是否有超过动态误差阈值的程序段，如果有，进入步骤 (3)，否则转入步骤(4)；(3)根据步骤(2)得到的超过动态误差阈值的程序段和它所对应的运动轴，对数 控加工程序进行优化，优化完成后输出优化后的数控加工程序，然后进入步骤(4)；(4)将优化后的数控加工程序调入数控系统加工缓冲区，进行加工，实现动态误差 的补偿。数控机床在加工过程中受到各种不同的内/外部因素影响，使其加工轨迹偏离编 程轨迹，影响了加工精度，与现有的技术相比，本发明具有下列区别于传统方法的显著优 势1、建立基于指令序列的加工过程信息曲线图，突破了传统方式采用时间序列或频 率序列的建模方式，将各种加工信息与数控加工程序的程序段相对应，直接明了。2、通过学习方式获取数控机床加工过程中的动态误差规律，此方式无需另外附加 信号采集传感器，不用额外的数据分析和算法设计，操作过程简单方便。3、通过直接修改数控加工程序来实现对数控加工程序的动态误差的补偿，让用户 也可以方便的实现动态误差补偿。
图1为本发明方法的实施步骤流程图；图2为本发明的数控机床加工信息采集的数据流程图；图3为本发明的基于指令序列的动态误差曲线图。图4为本发明的基于指令序列的加工速度曲线图。Ex为X轴的动态误差指示轴，P为加工G代码的指令序列指示轴，F为加工速度指 示轴，er为动态误差阈值，A点为动态误差超过阈值的误差值，N11，N12，N13，N14，N15，N16，
4N17,NlS000000分别为待补偿数控加工程序的程序段号。图5为本发明的采用优化刀具轨迹方式优化数控加工程序的示意图。图6为本发明的通过修改速度指令字优化的数控加工程序前后对比图，(6. 1)为 待优化的数控加工程序，(6.2)为优化后的数控加工程序。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。如图1所示，本发明所提供的一种基于指令序列分析的数控机床加工动态误差补 偿方法包含如下步骤步骤1 通过自学习方式，获取数控机床加工过程的多种信息曲线图。如图2所示，在数控机床运行待补偿的数控加工程序的过程中，对数控系统执行 的每个插补周期，从数控系统原有的软件程序的插补模块中获取当前插补周期的加工信 息，包括加工速度、各个运动轴的实际位置和动态误差等数据，同时，从数控系统原有的软 件程序的解释模块获取当前正在执行的程序段。此步骤中，还对每个程序段开始和结束运 行的时间进行记录，对加工信息每次的获取时刻也进行记录。待数控机床运行完毕后，根据记录的加工信息，以指令序列为横坐标，分别以速 度、每个运动轴动态误差等加工信息为纵坐标，绘制出基于指令序列的速度曲线图以及每 个运动轴的动态误差曲线图，同时，根据得到的实际位置绘制运动轨迹图。例如图3所示 为X轴基于指令序列的动态误差曲线图，图4为基于指令序列的速度曲线图。步骤2 根据动态误差阈值要求，在步骤1所得到的各个运动轴基于指令序列的动 态误差曲线图中查找是否有超过动态误差阈值的程序段，如果有，进入步骤3，否则转入步 骤4。根据预先设定的动态误差阈值，动态误差阈值依据被加工零件的精度要求和机 床机电系统的控制精度能力进行设定，通常而言，动态误差阈值的取值范围为0. OOlmm到 1mm。在步骤1生成的各个运动轴基于指令序列的动态误差曲线图上查找是否有超过动态 误差阈值的程序段，如果没有，则将该数控加工程序送入加工缓冲区。若有超过动态误差阈 值的程序段，则将该加工程序进行优化。如图3中，er为设定的动态误差阈值，A为超出er的误差点，出现在附4号程序段 过渡到N15号程序段的过程中。如图4中，N14号程序段过渡到N15号程序段时，速度出现 了较大的跳跃，这种情况下往往会产生过冲或欠切，导致动态误差过大。因此，需要对数控 加工程序进行优化。步骤3 根据步骤2得到的超过动态误差阈值的程序段和它所对应的运动轴，对数 控加工程序进行优化，输出优化后的数控加工程序。本发明对数控加工程序进行优化的方式并无特殊的要求，如可采用优化刀具轨 迹、优化切削参数或/和补偿误差量的方式进行优化。采用优化刀具轨迹方式即对数控加 工程序的程序段进行修改和调整，优化切削参数即对数控加工程序的程序段指令字进行修 改和调整，补偿误差量方式即在数控加工程序原程序段所指定的每个轴的移动量上累加上 各轴的补偿量。例如采用优化刀具轨迹分两步进行，第一步，删除或增加程序段，将步骤1获取的运动轨迹图与被加工零件的设计轮廓图进行对比，搜索出运动轨迹和轮廓轨迹之间超过 轮廓误差阈值的程序段，轮廓误差阈值根据被加工零件的精度要求确定，通常而言，轮廓误 差阈值的取值范围为0. OOlmm到1mm。如果该程序段与超过动态误差阈值的段正好对应，且 此段运行的距离小于1mm，则将此段删除，同时将前后两段进行衔接，如图5所示，1为预先 存储的零件轮廓a- > b- > C- > e，2为获取的运动轨迹al- > bl_ > cl_ > dl_ > el, 3为优化后的运动轨迹，δ为轮廓误差。相邻两点之间的运动轨迹分别对应一个加工程序 段，2中cl- > dl程序段与零件的设计轮廓不符合，且从cl点开始，轮廓误差超过了允许 轮廓误差的阈值，且cl- > dl的距离小于1mm，因此，将该段删除，将bl_ > cl和dl- > el 衔接起来，取cl- > dl程序段的中点位置作为衔接点的位置，分别修改bl- > cl和dl- > el所对应的程序段。如果运动轨迹的轮廓误差没有超过允许的轮廓误差阈值，而且出现动态误差超过 阈值的两个程序段之间的夹角小于等于90度，则采用插入过渡程序段方式对数控加工程 序进行优化。例如，数控加工程序所运行的轨迹为A- > B- > C，在转角B点时出现了动态 误差超过动态误差阈值，而轮廓误差并没有超过轮廓误差阈值。则在两段之间插入圆弧段 进行过渡，其圆弧段的半径取大于1倍刀具半径而小于两倍刀具半径之间的值，且切削接 触长度小于刀具截面周长的1/3。如果不属于以上两种情况，就到第二步，采用修正速度指令字的方式对数控加工 程序进行优化。根据步骤2中给出的超过动态误差阈值的程序段(超过动态误差阈值的动 态误差往往出现在两个程序段过渡的时候，因此，给出的是此时过渡的两个相邻程序段)， 对应在步骤1所获取的基于指令序列的速度曲线图中查找程序段的速度变化值，对出现超 过动态误差阈值的相邻两程序段进行速度均勻化处理。速度均勻化的方式有多种，如将 高速程序段速度改为平均速度等，即设低速程序段指令速度为F1，高速程序段指令速度为 F2，取Fm= (F1+F2V2，将高速程序段速度修改为Fm。例如从图4的基于指令序列的速度 曲线图上可以看出，速度在程序段N14和N15之间出现了突然的跳变，低速为1000，高速为 5000，修改程序段W5的速度指令字为F3000，图6中所示。步骤4 将优化后的数控加工程序调入数控系统加工缓冲区，进行加工，实现动态 误差的补偿。本发明不仅局限于上述具体实施方式
，本领域一般技术人员根据实施例和附图公 开的内容，可以采用其它多种具体实施方式
实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构 和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。
权利要求
1.一种基于指令序列分析的数控机床加工动态误差补偿方法，其步骤包括(1)通过自学习方式，获取数控机床加工过程的信息曲线图，信息曲线图包括速度曲线 图、每个运动轴的动态误差曲线图和运动轨迹图；(2)根据预先设定的动态误差阈值要求，在步骤(1)所得到的各个运动轴基于指令序 列的动态误差曲线图中查找是否有超过动态误差阈值的程序段，如果有，进入步骤(3)，否 则转入步骤⑷；(3)根据步骤(2)得到的超过动态误差阈值的程序段和它所对应的运动轴，对数控加 工程序进行优化，优化完成后输出优化后的数控加工程序，然后进入步骤(4)；(4)将优化后的数控加工程序调入数控系统加工缓冲区，进行加工，实现动态误差的补
2.根据权利要求1所述的数控机床加工动态误差补偿方法，其特征在于，按照下述过 程获取信息曲线图在数控机床运行待补偿的数控加工程序的过程中，对数控系统执行的每个插补周期， 从数控系统原有的软件程序的插补模块中获取当前插补周期的加工信息，包括加工速度、 各个运动轴的实际位置和动态误差数据，同时，从数控系统原有的软件程序的解释模块获 取当前正在执行的程序段；此步骤中，还对每个程序段开始和结束运行的时间进行记录，对 加工信息每次的获取时刻也进行记录；待数控机床运行完毕后，根据记录的加工信息，以指令序列为横坐标，分别以速度、每 个运动轴动态误差等加工信息为纵坐标，绘制出基于指令序列的速度曲线图以及每个运动 轴的动态误差曲线图，同时，根据得到的实际位置绘制运动轨迹图。
3.根据权利要求1或2所述的数控机床加工动态误差补偿方法，其特征在于，步骤(3) 采用优化刀具轨迹、优化切削参数或/和补偿误差量的方式进行优化，采用优化刀具轨迹 方式即对数控加工程序的程序段进行修改和调整，优化切削参数即对数控加工程序的程序 段指令字进行修改和调整，补偿误差量方式即在数控加工程序原程序段所指定的每个轴的 移动量上累加上各轴的补偿量。
4.根据权利要求1或2所述的数控机床加工动态误差补偿方法，其特征在于，数控加工 程序优化的过程为将步骤(1)获取的运动轨迹图与被加工零件的设计轮廓图进行对比， 搜索出运动轨迹和轮廓轨迹之间超过轮廓误差阈值的程序段，如果该程序段与超过动态误 差阈值的段正好对应，且此段运行的距离小于1mm，则将此段删除，同时将前后两段进行衔 接，如果运动轨迹的轮廓误差没有超过允许的轮廓误差阈值，而且出现动态误差超过阈值 的两个程序段之间的夹角小于等于90度，则采用插入过渡程序段方式对数控加工程序进 行优化，如果不属于以上两种情况，则采用修正速度指令字的方式对数控加工程序进行优 化；修正速度指令字的方式为根据步骤(2)中给出的超过动态误差阈值的程序段，对应 在步骤(1)所获取的基于指令序列的速度曲线图中查找程序段的速度变化值，对出现超过 动态误差阈值的相邻两程序段进行速度均勻化处理。
全文摘要
本发明公开了一种基于指令序列分析的数控机床加工动态误差补偿方法，步骤为①通过自学习方式，获取数控机床加工过程的多种信息曲线图；②根据预先设定的动态误差阈值要求，在动态误差曲线图中查找是否有超过动态误差阈值的程序段；③根据②得到的超过动态误差阈值的程序段和它所对应的运动轴，采用优化刀具轨迹、优化切削参数或/和补偿误差量方式对数控加工程序进行优化；④将优化后的数控加工程序调入数控系统加工缓冲区，进行加工，实现动态误差的补偿。本发明突破了传统方式采用时间序列或频率序列的建模方式，将各种加工信息与数控加工程序的程序段相对应，直接明了，让用户可以方便的实现动态误差补偿。
文档编号G05B19/404GK102004466SQ20101051879
公开日2011年4月6日 申请日期2010年10月25日 优先权日2010年10月25日
发明者吴继春, 周向东, 唐小琦, 唐玉枝, 尹玲, 陈吉红 申请人:华中科技大学, 武汉华中数控股份有限公司