一种数控加工中轮廓误差的补偿方法与流程

本发明属于数控相关技术领域，更具体地，涉及一种数控加工中轮廓误差的补偿方法。

背景技术：

随着对产品质量要求的提升，对加工工件的精度提出了新的要求。在加工过程中不可避免的会存在轮廓误差，影响数控加工的精度。误差补偿技术作为提高数控机床加工精度的有效方法，在机床行业得到了广泛的应用，其中数控机床误差补偿涉及到的常规方法包括：

(1)零件加工后，对被加工零件的尺寸精度进行测量以得到误差数据，并利用误差数据对数控加工程序进行调整；

(2)利用数控系统提供的误差补偿功能，通过参数设定的方式，将测量的误差补偿数据输入对应的误差补偿设置项(如间隙补偿、螺距误差补偿)，在实际加工中，数控系统将这些预设的误差项纳入算法计算过程进行补偿；

(3)在加工过程中，实时采集指令轮廓和实时响应轮廓以估计当前时刻的轮廓误差，在下一个时刻，在数控系统中实现轮廓误差的各轴分配与补偿(比如交叉耦合控制方法)。

传统的机床21项误差补偿、螺距误差补偿、反向间隙补偿等方法虽然可以对机床静态的几何误差进行补偿，修正机床设计、制造及装配误差。但对于与运动速度、运动件重力、传动力和摩擦力相关的机床动态的运动误差，无法通过静态测量与补偿的方式进行补偿，例如，在特定机床上进行圆度测试(加工一个圆形轮廓)，采用不同半径或者不同进给速度时，所加工出来的实际圆的轮廓误差是有差异的。因此，在特定机床上，轮廓误差的大小与工件特征(如圆的尺寸)和工艺要求(运动控制参数，如进给速度)密切相关。

现有误差补偿技术中有很多关于机床误差仿真与补偿方法的研究，如专利“一种用于在数控机床上补偿静态误差的方法和系统”应用激光测量装置测量数控机床的静态误差，根据测量数据生成静态误差模型进行误差补偿，又如专利“一种数控加工误差优化方法”通过采集机床加工实时数据和获取加工尺寸的误差数据，利用时域分析和频域分析对加工数据分析得到相关参数，联合误差数据构建误差预测模型，进而调整部分的加工程序实现误差的补偿。

但是，目前的方法只能用于静态误差的测量与补偿或者需要采集的信息(既包括机床内部信息，也包括机床外部信息)，过程复杂不简便，且无法做到预测未来的误差，只能对当前时刻的误差进行估计。同样的机床。不同的速度和不同的参数下，所加工工件的轮廓误差不同，因此补偿方法必须做到与具体工件(工件特征、工艺)相关。然而，目前的补偿方法无法做到与机床和加工工件相关，无法适应不同的加工条件。相应地，本领域存在着发展一种精度较好的数控加工中轮廓误差的补偿方法的技术需求。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种数控加工中轮廓误差的补偿方法，其基于现有轮廓误差补偿的特点，研究及设计了一种精度较好的数控加工中轮廓误差的补偿方法。所述补偿方法在非加工状态下生成对应加工工件轮廓的工件误差补偿表，工件误差补偿表与特定机床、具体工件(工件特征、工艺)绑定相关；在相同的机床上，对于不同的工件(不同的工件特征、工艺)，对应生成不同的误差补偿表，基于工件误差补偿表在加工控制的插补过程中实现轮廓误差的动态补偿，提高了复杂曲面的加工轮廓精度，适用性较强。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种数控加工中轮廓误差的补偿方法，该补偿方法包括以下步骤：

(1)获取加工工件的轮廓误差值，并基于得到的所述轮廓误差值计算得到各轴的误差补偿量，继而生成工件误差补偿表；其中，所述工件误差补偿表包括机床加工过程中各进给轴方向上的补偿点位置及对应的补偿量；

(2)数控系统基于加工工件补偿前的加工G代码及所述工件误差补偿表计算得到补偿后的控制指令序列，进而在加工控制的插补过程中实现加工工件轮廓误差的动态补偿。

进一步地，工件误差补偿表的生成包括以下步骤：首先，基于轮廓误差值获得补偿点；之后，通过分解补偿点对应的轮廓误差值得到补偿量；接着，确定补偿量相对于指令插补点时刻需提前输入的周期值，进而基于得到的补偿点位置、补偿量及周期值生成工件误差补偿表。

进一步地，当指令插补点对应的轮廓误差变化率的绝对值大于设定阈值时，则该指令插补点为补偿点。

进一步地，两个补偿点之间的补偿量是在补偿加工时通过插补确定的。

进一步地，补偿点对应的补偿量是通过分解补偿点处的轮廓误差值得到的。

进一步地，采用机床进给系统仿真预测响应模型进行仿真预测以得到加工过程中的轮廓误差值。

进一步地，在不切削工件的状态下，空载运行工件G代码，并采集机床工作台的实际反馈位置以得到工件加工时的轮廓误差值。

进一步地，对于配备有专有工装夹具的工件加工中，通过对以往加工工件测量来计算获得轮廓误差值。

进一步地，基于单轴指令时间序列，利用所需加工的工件模型与加工工件的特定进给系统响应预测模型预测出与实际加工过程中物理实体的实际响应速度相等的仿真速度，进而通过积分运算得到单轴仿真位置，并将各轴的运动响应位置组合起来得到工件的表面轮廓，将得到的表面轮廓与指令轮廓做差即可得到轮廓误差值。

进一步地，数控机床设置有伺服驱动器；所述指令时间序列是指由数控机床发送给伺服驱动器的控制信息，该控制信息是按照时间序列来向该伺服驱动器发送的。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的数控加工中轮廓误差的补偿方法主要具有以下有益效果：

1.在非加工状态下，基于得到的所述轮廓误差值计算得到各轴的误差补偿量，继而生成工件误差补偿表；其中，所述工件误差补偿表包括机床加工过程中各进给轴方向上的补偿点位置及对应的补偿量，且所述工件误差补偿表考虑了机床进给系统中的各种非线性要素、加工工件的曲面特征、机床参数设置特征，得到的各个轴方向上的误差补偿量更加准确，提高了加工精度，适用性较强。

2.数控系统基于加工工件补偿前的加工G代码及所述工件误差补偿表计算得到补偿后的控制指令序列，进而在加工控制的插补过程中实现加工工件轮廓误差的实时动态补偿，误差补偿上无时间延迟，提高了精度。

3.确定补偿量相对于指令插补点时刻需提前输入的周期值，进而基于得到的补偿点位置、补偿量及周期值生成工件误差补偿表，考虑到了进给系统响应的滞后，使得补偿量在时间上提前，由此减小了补偿量从输入到数控系统到真正补偿到工件的加工轮廓上所存在的响应滞后，提高了实时性及准确性。

4.所述补偿方法简单，易于实施，其采用的工件误差补偿表具有更好的针对性，能够对所需加工的特定加工工件进行精确的轮廓误差补偿，提高了数控加工的质量。

附图说明

图1是本发明较佳实施方式提供的数控加工中轮廓误差的补偿方法的流程示意图；

图2是图1中的数控加工中轮廓误差的补偿方法涉及的加工轨迹示意图；

图3是本发明第一实施方式提供的数控加工中轮廓误差的补偿方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1及图2，本发明提供的数控加工中轮廓误差的补偿方法，所述补偿方法主要包括以下步骤：

步骤一，获取加工工件的轮廓误差值。

具体地，数控加工中的工件形状复杂多样，加工过程中机床的切削状态也实时在变化，单纯的从机床静态几何误差的角度进行误差补偿的考虑是不足的，需要考虑机床在工件的不同加工工序时的切削状态，以提高误差补偿的效果。

数控机床的设置状态同样对加工中的轮廓误差具有较大的影响，比如在回转进给运动中，存在的角速度滞后在不同回转半径上的跟随误差大小是不相同的，半径越大，绝对误差值越大。因此，不同的工件坐标系设置也会影响轮廓误差的大小，轮廓误差补偿中考虑不同的设置状态可以一定程度上提高误差的补偿效果。

为了实现加工工件轮廓误差的补偿，需要获取加工中的轮廓误差值，而对于具体的加工工件，轮廓误差值的获取主要有以下三种方式：第一种，利用机床进给系统仿真预测响应模型进行仿真预测以得到加工过程中的轮廓误差值；第二种，在不切削工件的状态下，空载运行工件G代码，并采集机床工作台的实际反馈位置以计算获得工件加工的轮廓误差值，此方式适用于精加工阶段，主要是铣削加工，精加工时，切削进给量小，切削力小，进给系统的运动状态响应可以人为与空载加工很接近；第三种，对于大批量配备专有工装夹具的工件加工中，可以通过对以往加工工件测量，进而计算得到轮廓误差值。

步骤二，基于得到的所述轮廓误差值计算得到各轴的误差补偿量，进而生成工件误差补偿表，其中，所述工件误差补偿表包括机床加工过程中各进给轴方向上的补偿点位置及对应的补偿量。

具体地，工件误差补偿表保存有机床加工过程中各进给轴方向上的补偿量，对于一个加工G代码文件而言，其工件误差补偿表是由若干个补偿段构成，每个补偿段的内容均由“补偿段标记字CMPEN”、“补偿点位置S”、“补偿量EX/EY/EZ/EA/EB/EC”组成。其中，补偿段格式为：CMPEN S#.###.#…EX##.###.#…EY##.###.#…EZ##.###.#…EA ##.###.#…EB##.###.#…EC##.###.#…。

式中，CMPEN(compensation)表示工件误差补偿表中补偿段的标志字；G代码文件中每一个G代码可以对应若干个补偿段；S表示该补偿段内记录的各补偿量对应的位置点，S后的“#.###.#...”分别是对应于该行G代码的刀位点行程位置，即相对于每行G代码的起点，以行程长度为索引的位置，“#.###.#...”大于0；EX为X轴误差补偿量标志字，补偿量“##.###.#...”为在S#.###.#…行程区间内的误差补偿量数组，数组的维度与行程呈正相关，每个补偿量与行程区间S内的行程位置点对应，补偿量数值个数一般与数控系统插补周期总数不相等，实际应用时，每个插补周期的补偿量经插值确定，##.#为保留小数点后五位的浮点数；Y,Z,A,B,C轴类似于X轴。

以下以一个实例来来对工件误差补偿表进行详细说明。其中，以一条二维平面曲线(x、y)为例，根据机床的控制原理及测量方式，指令轨迹与实际轨迹本质上是由一系列的等时间间隔的位置坐标点构成。在机床实际加工过程中，指令轨迹与实际轨迹之间不重合，存在着偏差，即轮廓误差，对于指令插补点P处的轮廓误差值是点P与实际轨迹之间的最短距离。

在计算轮廓误差值时，以点P为例，计算比较点与实际轨迹上各点的距离，找到最小距离PK-2，连接K-2与其相邻点，分别计算点P到直线K-1K-2、直线K-2K-3的垂直距离，较小值作为点P处的轮廓误差值PO。同理，采用相同的计算方法，遍历指令轨迹上各指令插补点即可获得整条轨迹的轮廓误差。

计算得到整条轨迹的轮廓误差值后，按照对应的曲率值的绝对值大小来设定一个阈值λ，当轮廓误差变化率的绝对值大于λ时，该点被确定为补偿点，两个补偿点中间的若干插补点的补偿量是在补偿加工时通过插值确定的。

补偿量是通过分解补偿点处的轮廓误差值得到的，以点P为例，沿x，y轴方向分解点P的轮廓误差，即对向量分解为补偿量的大小为向量的模，正负根据向量与坐标轴正方向的关系确定，相同时为正，相反为负。

机床进给系统响应的规律具有延迟滞后性，在误差补偿时，需要将计算得到的补偿量相对其对应的指令插补点时刻提前一定的插补周期T输入，周期T通过实验选择最优值，对于整个加工G代码的周期值T是相同的。本实施方式中，待确定了补偿点、补偿点位置及对应的补偿量等后即可按照设计的格式生成工件误差补偿表。

以一个整圆的加工为例，其加工G代码为：

％1234

N1 G54 G90 G01 X0 Y0 F8000

N2 G02 X0 Y0 I0 J50

N3 M30

其中，所加工的图形为X，Y平面上半径50mm的整圆，其所需补偿G代码行为N2。

上述圆的工件误差补偿表为：

N2 CMPEN S 0.0000 0.0000 0.0001 0.0002 0.0003 0.0006 0.0010 0.0016 0.0024 0.0035 EX -0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 EY 0.0002 0.0002 0.0002 0.0002 0.0002 0.0002 0.0002 0.0002 0.0002 0.0003；

N2 CMPEN S 0.0048 0.0063 0.0083 0.0105 0.0132 0.0162 0.0197 0.0237 0.0282 0.0332 EX 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 EY 0.0003 0.0004 0.0005 0.0005 0.0005 0.0005 0.0005 0.0005 0.0005 0.0006；

N2 CMPEN S 0.0387 0.0448 0.0516 0.0589 0.0669 0.0756 0.0850 0.0951 0.1059 0.1175 EX 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 EY 0.0006 0.0006 0.0006 0.0006 0.0007 0.0007 0.0007 0.0007 0.0007 0.0007；

N2CMPEN S 0.1300 0.1432 0.1572 0.1721 0.1879 0.2045 0.2220 0.2405 0.2598 0.2801 EX 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 EY 0.0007 0.0007 0.0007 0.0007 0.0008 0.0008 0.0007 0.0007 0.0007 0.0008。

工件误差补偿表中N2与加工G代码中N2行对应，CMPEN为补偿段关键字，这里展示了该行G代码前4个补偿段，每个补偿段中，S后对应的值是补偿点位置，其位置是以相对于该行G代码起点的行程长度；EX后各值为对应S后各补偿点位置处的X轴补偿量；EY后各值为对应S后各补偿点位置处的Y轴补偿量。

采用工件误差补偿表的方式使误差补偿更具有针对性，非加工状态时，在进给系统的预测模型中通过输入指令时间序列，即可输出仿真轨迹；输入的指令时间序列是与特定工作任务(工件工序)相关的，并且是在特定的机床上，因此生成的工件误差补偿表就是针对该机床和工作任务的，更具有针对性，补偿值更精准。

步骤三，将所述工件误差补偿表输入到数控系统，所述数控系统基于加工工件补偿前的加工G代码及所述工件误差补偿表计算得到补偿后的控制指令序列，进而在加工控制的插补过程中实现加工工件轮廓误差的动态补偿。

请参阅图3，本发明第一实施方式提供的数控加工中轮廓误差的补偿方法主要包括以下步骤：

S1，利用所需加工的工件模型与加工工件的特定进给系统响应预测模型，输入单轴指令时间序列即可预测出与实际加工过程中物理实体的实际响应速度基本相等的仿真速度，进而通过积分运算得到单轴仿真位置，将各轴的运动响应位置组合起来得到工件的表面轮廓，进而将得到的表面轮廓与指令轮廓做差即可得到轮廓误差值。

其中，所述进给系统响应预测模型是对进给系统中的伺服驱动器、电机、机械传动机构的一个运动响应非线性仿真模型，该模型与物理实体即进给系统具有相同的响应特性，即输入相同的控制指令能够输出一致的运动响应结果，故在进给系统响应预测模型中输入进给轴上的指令时间序列时，即可预测出实际的响应。

所述指令时间序列是指由数控装置发送给伺服驱动器的相关控制信息(位置增量)，即速度；该控制信息是按照时间序列来向伺服驱动器发送的。此外，根据进给系统响应预测模型预测得到的仿真速度，经过积分即可得到单轴仿真轨迹，将各轴的运动轨迹按照时间序列组合即可得到仿真的运动轮廓，与指令的工件轮廓做差即可得到轮廓误差值。

S2，根据得到的轮廓误差值计算得到满足补偿要求的工件误差补偿表。

具体地，根据加工工件的不同的加工轮廓特征将轮廓误差分配到各个进给轴上，并生成工件误差补偿表。

S3，工件在加工运行时，数控系统同步读取原始加工G代码和所述工件误差补偿表以计算得到补偿后的控制指令序列，进而实现误差的智能补偿。

本发明提供的数控加工中轮廓误差的补偿方法，所述补偿方法是基于工件误差补偿表的，其在不增加数控系统计算资源的条件下改善了数控系统的运动控制性能，提高了数控加工的质量及精度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。