一种四轴车床加工轨迹轮廓误差离线补偿方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN109960215A(43)申请公布日2019.07.02(21)申请号201910283229.3(22)申请日2019.04.10(71)申请人大连理工大学地址116024辽宁省大连市甘井子区凌工路2号(72)发明人马建伟秦逢泽贾振元李冠霖曲梓文鲁晓司立坤(74)专利代理机构大连理工大学专利中心21200代理人关慧贞(51)Int.Cl.G05B19/404(2006.01)权利要求书5页说明书7页附图4页(54)发明名称一种四轴车床加工轨迹轮廓误差离线补偿方法(57)摘要本发明一种四轴车床加工轨迹轮廓误差离线补偿方法属于数控机床加工的轮廓误差补偿领域，涉及一种用于提高封闭式闭环四轴数控车床加工精度的加工轨迹轮廓误差离线补偿方法。该方法利用初始车削加工代码生成理论刀位点与理论刀轴矢量，构建四轴车床雅可比矩阵，离线计算进给轴实际速度，从而预估车床进给轴随动误差，计算实际刀位点与实际刀轴矢量。采用三次非均匀有理B样条曲线拟合理论刀位点与刀轴标记点，利用切向误差逆推法预估实际刀位点到理论刀位点拟合曲线的垂足，计算刀位点轮廓误差与刀轴矢量轮廓误差。最后，分别对进给轴随动误差进行预补偿。该方法可实现封闭式闭环四轴数控车床轮廓误差预补偿，实施方法便捷，效果明显。CN109960215ACN109960215A权利要求书1/5页1.一种四轴车床加工轨迹轮廓误差离线补偿方法，其特性在于，该方法通过建立四轴车床运动学模型，将初始车削加工代码转化为理论刀位点坐标与理论刀轴矢量，预估刀具实际运动速度，计算车床雅可比矩阵，预估车床进给轴实际速度，从而计算出车床进给轴随动误差，采用三次非均匀有理B样条曲线分别拟合理论刀位点与理论刀轴标记点，采用切向误差逆推法预估实际刀位点到理论刀位点拟合曲线的垂足，进而计算刀位点轮廓误差与刀轴矢量轮廓误差，最后，分别对四轴车床进给轴随动误差进行预补偿；方法的具体步骤如下：步骤1建立车床运动学模型，生成理论刀位点与理论刀轴矢量四轴车床由床身0、两个直线轴X轴1、Z轴4和两个旋转轴B轴5、C轴2组成，按照D-H参数法建立四轴车床运动链坐标系统，包括：车床基坐标系{O0:x0,y0,z0}，X轴坐标系{O1:x1,y1,z1}，C轴坐标系{O2:x2,y2,z2}，工件坐标系{O3:x3,y3,z3}，Z轴坐标系{O4:x4,y4,z4}，B轴坐标系{O5:x5,y5,z5}，刀具坐标系{O6:x6,y6,z6}；将工件坐标系与C轴坐标系重合，刀具坐标系与B轴坐标系重合，按照坐标系之间的齐次变换规则计算相邻坐标系齐次变换矩阵，如公式(1)，四轴车床的运动学模型，即相邻坐标系间的齐次坐标变换矩阵关系满足公式(2)：其中，X、Z、B、C分别为车床X轴位移、Z轴位移、B轴位移、C轴位移，等式(2)左边矩阵为刀具坐标系相对于工件坐标系的齐次坐标变换矩阵，等式(2)右边矩阵：为X轴坐标系相对于车床基坐标系的齐次坐标变换矩阵，为C轴坐标系相对于X轴坐标系的齐次坐标变换矩阵，为Z轴坐标系相对于车床基坐标系的齐次坐标变换矩阵，为B轴坐标系相对于Z轴坐标系的齐次坐标变换矩阵；令P＝[px,py,pz]T表示工件坐标系中的理论刀位点，记刀具中心轴上另一点Q为刀轴标记点，记PQ方向的单位矢量为刀轴矢量，令O＝[oi,oj,ok]T表示工件坐标系中的理论刀轴矢量，理论刀位向量为L＝[PT,OT]T，初始车削加工代码中车床进给轴位移为q＝[X,Z,B,C]T；利用公式(2)构建车床正向运动学函数，将车床进给轴位移转化为理论刀位向量：2CN109960215A权利要求书2/5页式中，fDT为四轴车床的正向运动学函数；将初始加工代码中各点的进给轴位移R＝[Rx,Rz,Rb,Rc]T转化为理论刀位向量：步骤2预估车床进给轴速度，计算车床进给轴随动误差根据微分运动学中运动机构的雅可比矩阵定义与四轴车床正向运动学函数，计算四轴车床的雅可比矩阵：根据第i+1个理论刀位向量、第i个实际刀位向量、第i+1个理论刀位点与第i个实际刀位点的距离di以及加工代码中提供的进给速度F，计算刀具的实际运动速度：3CN109960215A权利要求书3/5页式中，v＝[vx,vy,vz,vi,vj,vk]T表示刀具实际运动速度矢量，i为刀位点序号，i＝1,2,…,N，N为刀位点总数，Li+1为第i+1个理论刀位向量，为第i个实际刀位TT向量，其中P′i＝[px′i,py′i,pz′i]为第i个实际刀位点，O′i＝[oi′i,oj′i,ok′i]为第i个实际刀轴矢量，令P′1＝P1，O′1＝O1，di为第i+1个理论刀位点与第i个实际刀位点的距离，即根据微分运动学，利用四轴车床雅可比矩阵，构建车床进给轴