一種數控機床綜合誤差可視化方法
【專利摘要】本發明公開了一種數控機床綜合誤差可視化方法，包括：讀取需加工的工件三維模型，選擇相應的加工要求，得到相應的名義CL文件；數控機床后處理程序讀取名義CL文件，得到相應的名義NC代碼；將名義NC代碼中各個軸的伺服進給量輸入到數控機床綜合誤差模型中，得到機床加工此工件產生的綜合誤差；機床綜合誤差結合名義CL文件，得到能反映機床綜合誤差的CL文件；用誤差CL文件對機床進行模擬仿真加工，得到包含機床誤差的工件模型，從而實現機床綜合誤差的可視化。該發明適合于不同類型的數控機床，可以清楚地反映出機床誤差對加工的影響程度，對后續的補償措施以及加工參數的調整有重大指導意義，對于提高機床加工精度有很大幫助。
【專利說明】
-種數控機床綜合誤差可視化方法
技術領域
[0001] 本發明設及五軸數控機床誤差領域，尤其設及一種數控機床綜合誤差可視化方 法。
【背景技術】
[0002] 隨著制造業的高速發展，數控機床的需求也越來越大。由于對產品的精度要求越 來越高，數控機床的精度顯得尤為重要。數控機床各種誤差都會在一定程度上影響機床的 加工精度，通過提高補償各種誤差來提高誤差精度是一種有效地措施。機床誤差包括機床 熱誤差、幾何誤差、切削誤差等，其中熱誤差和幾何誤差占70%左右。目前，機床誤差建模技 術已經比較成熟，機床誤差模型可W計算出各個誤差項對機床加工精度的最終影響。同時， 根據機床誤差模型建立的補償技術也比較多樣，根據誤差模型計算出補償量。機床的誤差 補償技術可W很大程度的提高機床精度，但是機床的綜合誤差對加工精度影響可視化研究 不是很多。
[0003] 在對機床補償前，可W對機床綜合誤差進行直觀地分析研究，運就需要實現機床 綜合誤差的可視化。因為考慮到補償的經濟效益，并不是所有的誤差都需要進行補償，將誤 差可視化后就可W直觀地得到誤差對精度的影響，然后再決定補償策略，或者通過調整加 工參數來提高機床加工精度。那么機床誤差的可視化就具有特別的價值。
【發明內容】
[0004] 本發明提供了一種適合于各種數控機床的通用綜合誤差可視化方法，其根據加工 工件=維模型實現機床加工誤差的可視化，直觀地分析機床誤差對加工工件的影響，對提 高機床加工精度有指導意義。
[0005] -種數控機床綜合誤差可視化方法，包括如下步驟：
[0006] 步驟1、根據需加工的工件=維模型，選擇相應的加工要求，得到相應的刀位文件， 即名義化文件；
[0007] 步驟2、根據數控機床后處理程序讀取名義化文件，得到相應的名義加工代碼，即 名義NC代碼；
[000引步驟3、將名義加工代碼中各個軸的伺服進給量輸入到數控機床綜合誤差模型中， 得到機床加工此工件產生的機床綜合誤差；
[0009] 步驟4、機床綜合誤差結合名義化文件，得到包含機床誤差的誤差化文件，即能反 映機床綜合誤差的化文件；
[0010] 步驟5、用誤差化文件對機床進行模擬仿真加工，得到包含機床誤差的工件模型， 從而實現機床綜合誤差的可視化。
[00川步驟1中可W利用CAM軟件，選擇合適的加工參數得到名義CL文件，如UG， 化WerMi 11等;得到的名義化文件，包括刀具位置信息和刀具姿態信息。
[0012]進一步地，步驟2中機床后處理程序與機床的類型有關，如=軸數控機床，四軸機 床，W及五軸數控機床，如果是多軸數控機床(大于=軸），與其旋轉軸類型也有關。機床后 處理程序根據機床正向運動學進行編寫。得到的加工代碼形式應與數控機床的數控系統相 符，如G代碼，L代碼等，NC代碼能夠反映各個軸的伺服進給量。
[0013] 進一步地，步驟3中數控機床綜合誤差模型與數控機床類型和具體結構有關，可包 括機床幾何誤差、熱誤差、切削誤差等。得到的綜合誤差包含刀具位置誤差和姿態誤差。
[0014] 進一步地，所述步驟5中根據誤差化文件實現機床誤差可視化的具體方法為：
[0015] 步驟5.1、根據名義化文件和誤差化文件中的刀具位置信息，重繪出工件模型，與 原工件S維模型比較，即可實現基于化文件的工件模型誤差可視化；
[0016] 步驟5.2、將誤差化文件輸入到機床后處理程序中，得到反映機床綜合誤差的加工 代碼，即誤差NC代碼；
[0017] 步驟5.3、根據名義NC代碼和誤差NC代碼，利用CAM軟件進行仿真加工，比較兩者加 工工件區別，從而實現基于加工代碼的工件加工誤差可視化效果。
[001引進一步地，步驟5.1中模型重繪軟件可W用MATLAB等實現；
[0019] 進一步地，步驟5.3 中 CAM 軟件有Ver i cut、UG、PowerMi 11 等；
[0020] 本發明方法利用機床誤差模型結合工件=維模型來實現機床綜合誤差的可視化， 可W直觀地反映機床誤差對加工精度的影響，簡單清楚。
[0021] 本發明是數控機床綜合誤差可視化方法，具體的有益效果是：
[0022] 結合加工工件=維模型，利用CAM軟件實現模擬仿真機床的綜合誤差。該方法適合 于不同的數控機床，可W清楚地反映出機床誤差對加工的影響程度，對后續的補償措施W 及加工參數的調整有重大指導意義。
【附圖說明】
[0023] 圖1為某加工工件S維模型；
[0024] 圖2為某CAFYXZ型五軸數控機床的結構示意圖；
[0025] 圖3為名義化文件和誤差化文件重繪工件模型比較圖；
[0026] 圖4為名義NC代碼和誤差NC代碼比較示意圖；
[0027] 圖5a為名義NC代碼加工仿真效果圖；
[00%]圖化為誤差NC代碼加工仿真效果圖；
[0029] 圖6為本發明數控機床綜合誤差可視化方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0030] 下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步說明。
[0031] 附圖6所示為本發明數控機床綜合誤差可視化方法流程圖，附圖1所示為某工件= 維模型，附圖2為某五軸數控機床結構示意圖，W該機床加工圖1工件為例，來闡述誤差可視 化方法。為了更方便的闡述該方法，本例子中只是針對機床的幾何誤差進行可視化。
[0032] 步驟1、根據該工件S維模型，利用UG軟件，設置相關精加工參數，得到相應的刀位 文件，即名義化文件；
[0033] 步驟2、根據數控機床后處理程序讀取名義化文件，得到相應的名義加工代碼，即 名義NC代碼。機床后處理程序可W根據機床正向運動學公式建立。
[0034] 步驟3、將名義NC代碼中各個軸的伺服進給量輸入到數控機床綜合誤差模型中，得 到機床加工此工件產生的綜合誤差。具體實施過程如下：
[0035] 運里數控機床綜合誤差模型是指幾何誤差模型，建模過程如下：
[0036] (1)對于工件運動鏈，得到工作臺相對于床身坐標系中的齊次轉換矩陣為：
[0037]
[003引其中巧表示A軸相對于床身的齊次變換矩陣;扛表示C軸相對于A軸的齊次變換矩 陣;J；e表示工作臺相對于C軸的齊次變換矩陣，為單位矩陣。
[0039] 對于刀具運動鏈，得到刀具相對于床身坐標系中的齊次轉換矩陣為：
[0040]
[0041] 其中巧表示Y軸相對于床身的齊次變換矩陣；的表示X軸相對于Y軸的齊次變換矩 陣；盡表示巧由相對于X軸的齊次變換矩陣;Tt嗦示刀具相對于巧由的齊次變換矩陣，運里為 單位矩陣。
[0042] 為了反映機床綜合誤差對加工工件精度的影響，誤差模型應在工作臺坐標系下進 行表示，則需得到刀具在工作臺坐標系下的齊次轉換矩陣：
[0043]
(I)
[0044] (2)考慮機床各個軸幾何誤差項，則各個部件(指加工機床的各個軸）的齊次變換 矩陣為：
[0045]
(2)
[0046] 其中;?；^表示部件k相對部件j的包含誤差項的齊次變換矩陣；;表示理想的齊次 變換矩陣，。巧表示部件k的誤差齊次矩陣，比如A軸和C軸的誤差齊次矩陣為：
[0047]
[004引
[0049] 其中Su表示巧由i方向的線性誤差；EU表示巧由i方向的轉角誤差，Su表示i軸和巧由 之間的垂直度誤差。
[0050] 根據式（1)和（2)，考慮各個部件的幾何誤差項，得到刀具在工作臺坐標系下的包 含機床所有幾何誤差項的齊次轉換矩陣。
[0051 ]那么該五軸數控機床的幾何誤差模型為：
[0052] pe=[px,Py,Pz,l]^=(sT/-iT/) ? [0,0,0,1]^ (3)
[0053] Ve= [Vx, Vy, Vz, 1]T= (sTtW-iT/) ?[0,0,1，0]T (4)
[0054] 其中Pe表示刀具位置誤差，Ve表示刀具姿態誤差;sT/表示刀具在工作臺坐標系下 的包含機床所有幾何誤差項的齊次轉換矩陣，iTtW表示刀具在工作臺坐標系下的包含機床 的理想齊次轉換矩陣。則刀具位置誤差為：
[00己己] Px=-Cosy ? 5xa_5xc_sin y ? 5ya+sina ? sin y ? (5zx+5zy+5zz-xeyy)
[00 日 6] +cosy ? (-zSxz+5xx+5xy+5xz+z(eyx+eyy))-xsin y ? (Say+eza+￡zc)
[00己7] +y(sina ? (cos y ? Saz+Scx-sin y ? ￡xa+COS y ? eya+￡yc)+COSa ? cos y ? (Say+￡za+ ￡zc))
[00己引 +Z(-COSa ? (cos y ? Saz+Scx-sin y ? ￡xa+COS y ? eya+￡yc)+COS y ? sina ? (Say+￡za + ￡zc))
[00己9] +cosa ? sin y ? (_xSxy_zSyz+5yx+5yy+5yz_z(exx+exy)+xezy)
[0060] Py = Siny ? Sxa-cos y ? 5ya-5y〇+cos y ? sina ? (5zx+5zy+5zz_xeyy)
[0061 ] +sin y ? ( _zSxz+5xx+5xy+5xz+Z ￡yx+Z ￡yy) _XCOS y ? (Say+^za+^zc)
[0062] -y(sina ? (Scy+COS y ? exa+^xc+sin y ? (Saz + ￡ya) )+COSa ? siny ? (Say+eza+￡zc))
[0063] +Z(COSa ? (Scy+COS y ? exa+^xc+sin y ? (Saz + ￡ya) )-sina ? siny ? (Say+eza+￡zc))
[0064] +cosa ? cos y ? (_xSxy_zSyz+5yx+5yy+5yz_z(exx+exy)+xezy)
[0065] pz 二-Sza-Szc+X(Saz+sin y ? (Scy+￡xc) + ￡ya+COS y ? (Scx+￡yc))
[0066] +ycosa ? (-exa-cos y ? (Scy+￡xc)+sin y ? (Scx+￡yc))
[0067] +zsina ? (-exa-cos y ? (Scy+￡xc)+sin y ? (Scx+￡yc) )+cosa ? (5zx+5zy+5zz-xeyy)
[0068] -sina ? (_xSxy-zSyz+5yx+5yy+5yz-z(exx+exy)+xezy)
[0069] 刀具姿態誤差為：
[0070] Vx = -Cosa ? sin y ? (exx+exy+￡xz)_cosa ? (cos y ? Saz+Scx-sin y ? ￡xa+cos y ? Eya+Eye)
[0071] +cosy ? (eyx+eyy+￡yz)+sina ? (cos y ? (Say+￡za)+COS y ? ￡zc)
[0072] Vy = -Cosa ? cos y ? ( exx+exy+￡xz)+COSa ? (Scy+cosy ? exa+^xc+sin y ? (Saz+￡ya))
[0073] -sin y ? (eyx+eyy+￡yz)+sina ? (-sin y ? (Say+￡za)_sin y ? ￡zc)
[0074] Vz二sina ? (-exa-cos y ? (Scy+exc)+￡xx+e巧+￡xz+sin y ? (Scx+￡yc))
[007日]a表示A軸轉角，y表示C軸轉角，Sij、eij、Sij定義同上。
[0076] (3)結合機床各個幾何誤差項數值，將名義NC代碼中各個軸的伺服進給量，帶入式 (3)和式(4)中得到機床綜合幾何誤差模型中，包括刀具位置誤差和姿態誤差，得到機床加 工此工件產生的刀具位置誤差和刀具姿態誤差。其中機床各個幾何誤差項可^通過激光干 涉儀、球桿儀等儀器測量得到。
[0077] 步驟4、將得到刀具位置誤差加上名義化文件中的刀具位置信息，得到包含機床誤 差的誤差化文件中的刀具位置信息;將得到刀具姿態誤差加上名義化文件中的刀具姿態信 息，得到包含機床誤差的誤差化文件中的刀具姿態信息。
[0078] 步驟5、用誤差化文件對機床進行模擬仿真加工，得到包含機床誤差的工件模型， 從而實現機床綜合誤差的可視化，具體步驟為：
[0079] 步驟5.1、根據名義化文件和誤差化文件中的刀具位置信息，用MATLAB軟件重繪出 這兩個文件對應的工件模型，并與原工件蘭維模型比較，實現基于化文件的工件模型誤差 可視化。附圖3為工件模型比較圖，可W直觀得到誤差對機床精度的影響。
[0080] 步驟5.2、將誤差化文件重新輸入到機床后處理程序中，得到反映機床綜合誤差的 加工代碼，即誤差NC代碼。附圖4為名義NC代碼和誤差NC代碼比較示意圖。
[0081 ]步驟5.3、根據名義NC代碼和誤差NC代碼，利用Vericut軟件進行仿真加工，比較兩 者加工工件區別，從而實現基于加工代碼的工件加工誤差可視化效果。附圖5a為名義NC代 碼加工仿真效果圖，圖化為誤差代碼加工仿真效果。圖化與圖5a比較可W發現，加工的工件 精度降低，運些就是由于機床誤差造成的。
[0082]本發明最后可W實現機床誤差的可視化。附圖只是一個優選實施例，上述的實施 例只是為了描述本發明，并不用W限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何 修改、等同替換、改進等，均應包含在本方面的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種數控機床綜合誤差可視化方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟1、讀取需加工的工件三維模型，根據相應的加工要求，得到名義CL文件； 步驟2、數控機床后處理程序讀取名義CL文件，得到名義NC代碼； 步驟3、將名義NC代碼中各個軸的伺服進給量輸入到數控機床綜合誤差模型中，得到機 床加工此工件產生的機床綜合誤差； 步驟4、機床綜合誤差結合名義CL文件，得到包含機床誤差的誤差CL文件； 步驟5、用誤差CL文件對機床進行模擬仿真加工，得到包含機床誤差的工件模型，從而 實現機床綜合誤差的可視化。2. 根據權利要求1所述的數控機床綜合誤差可視化方法，其特征在于，所述步驟1中采 用的軟件為UG或PowerMill，得到的名義CL文件，包括刀具位置信息和刀具姿態信息。3. 根據權利要求1所述的數控機床綜合誤差可視化方法，其特征在于，所述步驟2中機 床后處理程序根據機床正向運動學進行編寫。4. 根據權利要求1所述的數控機床綜合誤差可視化方法，其特征在于，所述步驟3中得 到的機床綜合誤差包括刀具位置誤差和刀具姿態誤差。5. 根據權利要求4所述的數控機床綜合誤差可視化方法，其特征在于，所述步驟4具體 為:將得到的刀具位置誤差加上名義CL文件中的刀具位置信息，得到包含機床誤差的誤差 CL文件中的刀具位置信息;將得到刀具姿態誤差加上名義CL文件中的刀具姿態信息，得到 包含機床誤差的誤差CL文件中的刀具姿態彳目息。6. 根據權利要求1所述的數控機床綜合誤差可視化方法，其特征在于，所述步驟5中根 據誤差CL文件實現機床誤差可視化的具體方法為： 步驟5.1、根據名義CL文件和誤差CL文件中的刀具位置信息，重繪出工件模型，與原工 件三維模型比較，實現基于CL文件的工件模型誤差可視化； 步驟5.2、將誤差CL文件輸入到機床后處理程序中，得到反映機床綜合誤差的誤差NC代 碼； 步驟5.3、根據名義NC代碼和誤差NC代碼，利用CAM軟件進行仿真加工，比較兩者加工工 件區別，實現基于加工代碼的工件加工誤差可視化。7. 根據權利要求6所述的數控機床綜合誤差可視化方法，其特征在于，步驟5.1中工件 模型重繪軟件為MATLAB或犀牛。8. 根據權利要求6所述的數控機床綜合誤差可視化方法，其特征在于，步驟5.3中CAM軟 件為 Vericut、UG 或 PowerMill 〇
【文檔編號】G05B19/4097GK106020114SQ201610342889
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月20日
【發明人】傅建中, 付國強, 賀永, 甘文峰, 賴金濤
【申請人】浙江大學