專利名稱：面向參數曲線刀具軌跡的數控系統輪廓誤差控制方法
技術領域：
本發明涉及一種誤差補償控制方法，特別是涉及一種面向參數曲線刀具軌跡的數控系統輪廓誤差控制方法。
背景技術：
在機械制造業中，許多復雜零件的輪廓可以用參數曲線來描述(如樣條曲線、 Bezier曲線、B樣條曲線、NURBS曲線等)，相應的可以用參數曲線來描述加工這些零件的刀具軌跡。對于參數曲線刀具軌跡，先進的數控系統多采用曲線插補方法。相對于用直線段逼近參數曲線刀具軌跡再進行直線插補，采用曲線插補方法時，所有插補點均在參數曲線刀具軌跡上，并且理論上可以同時提高加工精度和加工速度。另一方面，對于這些復雜零件，往往用多軸數控機床加工。數控加工中輪廓誤差指當前實際刀位點到所跟蹤刀具軌跡指令曲線的最短距離，輪廓誤差由多種因素造成，如螺距誤差、正交軸不垂直、反向間隙等幾何誤差，熱變形引起的熱誤差，切削力誤差以及伺服控制誤差等。Syh-Shiuh Yeh等在學術期刊《IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATR0NICS)) (2002,7(1) :44-50)上發表的論文 “Estimation of the Contouring Error Vector for the Cross-Coupled Control Design”中，指出數控機床各進給軸之間實際動態性能很難做到完全匹配，這直接影響了輪廓精度的提高，是造成輪廓誤差的重要原因，提出在零件加工中對輪廓誤差計算并進行實時補償，是提高系統輪廓精度的有效途徑。對現有的技術文獻檢索發現，徐志祥等在學術期刊《機械科學與技術》(2006， 25(12) =1451-1453)上發表的論文“一種基于NURBS插補器的多軸交叉耦合控制方法”中， 提出在每個采樣周期根據各軸反饋的實際刀具位置與存儲的一定數量的插補指令點，找到離實際刀具位置最近的插補點，兩點之間距離近似為輪廓誤差，計算方法簡單，但該方法中輪廓誤差模型精度不太高。Syh-Shiuh Yeh等在學術期刊《IEEE TRANSACTIONS ON CONTROL SYSTEMS TECHNOLOGY》(2003,11 (3) :375-382)上發表的論文 “Analysis and Design of Integrated Control for Multi-Axis Motion Systems” 中，將某米樣周期實際刀位點到指令刀軌曲線上當前插補點處切線的距離近似為輪廓誤差，稱為輪廓誤差“切線近似法”， 該方法在進給速度較低、所跟蹤輪廓曲率較小時可取得較高精度。Myung-Hoon LEE等在學術期刊《JSME International Journal》(2004,47(1) :P144_149)上發表的論文“A multi-axis contour error controller for free form curves，，中，針對參數曲線提出一種基于輪廓誤差矢量的控制方法，在每個采樣周期，采用二分法和牛頓迭代法求解非線性方程組來計算輪廓誤差。該方法存在的問題是，牛頓迭代法對初值的要求很高，且計算量較大，有時難以滿足數控系統實時性要求。Myung-Hoon LEE在該文中還提出除了各軸跟隨誤差PID位置控制器，對于近似計算得到的輪廓誤差，另外設計一套PID控制器來計算輪廓誤差補償量，但該PID控制器的控制參數很難整定。綜上所述，在零件數控加工中，對于用參數曲線描述的刀具軌跡，如何在每個采樣周期，高精度并盡量簡單的計算輪廓誤差和輪廓誤差補償量，對各進給軸伺服執行機構進行補償控制，對于增強各進給軸之間匹配程度，提高輪廓精度，實現多軸協同控制具有重要意義，已成為本領域技術人員急需解決的技術問題。
發明內容
本發明的目的是提供一種能克服現有技術的不足、輪廓誤差計算精度高、輪廓誤差補償控制簡單的面向參數曲線刀具軌跡的數控系統輪廓誤差控制方法。其技術方案為采用以下步驟1)輪廓誤差計算，2)輪廓誤差補償量計算及控制，其特征在于步驟I)中，在對參數曲線刀具軌跡進行曲線插補加工的每個采樣周期，經X軸、Y軸、Z軸各自的位置傳感器檢測得到當前實際刀位點R，再找到參數曲線刀具軌跡上距當前實際刀位點
R最近的兩個插補點Pa、Pb，設插補點Pa、Pb所對應曲線參數分別為ua、ub，設曲線參數^^
所對應參數曲線刀具軌跡上的點為P。，則輪廓誤差ε RP。；步驟2)中，將步驟I)計算得到的輪廓誤差ε沿X軸、Y軸、Z軸進給方向分解，分別得到εχ、ey、εζ;借用X軸、Y軸、 Z軸進給系統各自跟隨誤差PID位置控制器中的比例系數Kpx、Kpy, Kpz,計算沿X軸、Y軸、Z 軸的輪廓誤差補償量，Cex = εχ· Kpx, Ccy= ey. Kpy, Cez = ε z · Kpz ;然后將輪廓誤差補償量CEX、CEy、CEZ分別疊加到X軸、Y軸、Z軸對跟隨誤差的位置控制量中，最后將疊加結果輸出到X軸、Y軸、Z軸的伺服執行機構進行輪廓誤差補償控制。本發明與現有技術相比，其優點是I、輪廓誤差計算方法簡單，計算精度高。2、輪廓誤差補償量計算方法簡單、有效。
圖I是本發明的面向參數曲線刀具軌跡的數控系統輪廓誤差控制方法流程圖。圖2是本發明的面向參數曲線刀具軌跡的數控系統輪廓誤差計算方法示意圖。圖3是本發明的面向參數曲線刀具軌跡的數控系統輪廓誤差計算補償程序流程圖。圖4是采用本發明的三軸聯動數控運動平臺硬件結構圖。圖5是一段用NURBS描述的參數曲線刀具軌跡。圖6是插補跟蹤圖5所示參數曲線刀具軌跡時輪廓誤差圖。圖中Pa、插補點Pb、插補點Pk、插補點L、刀具軌跡P。、刀具軌跡上的點R、 實際刀位點A I為刀具軌跡的控制頂點
具體實施例方式下面結合圖I 3對本發明做進一步詳細描述步驟I)，在對參數曲線刀具軌跡進行曲線插補加工的每個采樣周期，根據當前實際刀位點和所跟蹤參數曲線刀具軌跡上的插補點，計算輪廓誤差，即計算當前實際刀位點到所跟蹤參數曲線刀具軌跡的最短距離。具體如圖2所示，設用NURBS參數曲線描述該刀具軌跡L,刀具軌跡L上每一點為
權利要求
1.一種面向參數曲線刀具軌跡的數控系統輪廓誤差控制方法，采用以下步驟1)輪廓誤差計算，2)輪廓誤差補償量計算及控制，其特征在于步驟I)中，在對參數曲線刀具軌跡進行曲線插補加工的每個采樣周期，經X軸、Y軸、Z軸各自的位置傳感器檢測得到當前實際刀位點R，再找到參數曲線刀具軌跡上距當前實際刀位點R最近的兩個插補點Pa、Pb，設插補點Pa、Pb所對應曲線參數分別為Ua、Ub,設曲線參數a 2 &所對應參數曲線刀具軌跡上的點為P。，則輪廓誤差ε RP。；步驟2)中，將步驟I)計算得到的輪廓誤差ε沿X軸、Y 軸、Z軸進給方向分解，分別得到εχ、ey、εζ;借用X軸、Y軸、Z軸進給系統各自跟隨誤差 PID位置控制器中的比例系數Kpx、Kpy、Kpz，計算沿X軸、Y軸、Z軸的輪廓誤差補償量，Cex = ε X * Kpx, Ccy= ε y · Kpy, Cez= ε z · Kpz ;然后將輪廊差補償里 Cε x、Cε y、Cε z 分別置加到 X軸、Y軸、Z軸對跟隨誤差的位置控制量中，最后將疊加結果輸出到X軸、Y軸、Z軸的伺服執行機構進行輪廓誤差補償控制。
全文摘要
本發明提供一種面向參數曲線刀具軌跡的數控系統輪廓誤差控制方法，采用以下步驟1)輪廓誤差計算，2)輪廓誤差補償量計算及控制，其特征在于步驟1)中，在對參數曲線刀具軌跡進行曲線插補加工的每個采樣周期，根據當前實際刀位點和所跟蹤參數曲線刀具軌跡上的插補點，計算輪廓誤差ε，即計算當前實際刀位點到所跟蹤參數曲線刀具軌跡的最短距離；步驟2)中，計算輪廓誤差ε沿X軸、Y軸、Z軸的分量，經比例控制得到輪廓誤差補償量，再分別與X軸、Y軸、Z軸對跟隨誤差的位置控制量相疊加，輸出到伺服執行機構，進行輪廓誤差補償控制。本發明優點是輪廓誤差計算精度高，輪廓誤差補償方法簡單、有效，能顯著提高輪廓精度。
文檔編號G05B19/406GK102591257SQ201210045978
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月27日 優先權日2012年2月27日
發明者王士軍, 申永, 趙國勇, 趙玉剛 申請人:山東理工大學