CN102540977B - 数控加工中的误差估算方法 - Google Patents

数控加工中的误差估算方法 Download PDF

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CN102540977B CN 201210069540 CN201210069540A CN102540977B CN 102540977 B CN102540977 B CN 102540977B CN 201210069540 CN201210069540 CN 201210069540 CN 201210069540 A CN201210069540 A CN 201210069540A CN 102540977 B CN102540977 B CN 102540977B
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Abstract

本发明为一种数控加工中的误差估计方法。针对当前误差估计方法中存在的问题，本发明以原有方法为基础，首先根据由CAM软件导出的NC代码得到的刀具中心轨迹确定各个点的单位切矢，然后结合刀具半径、刀具中心坐标、已经确定的各点切矢反算得到实际加工的曲线轨迹，最后根据计算得到的实际曲线轨迹计算弓高误差。本发明提出的方法是根据实际曲线轨迹估算的误差，从而可以更精确的判断加工精度，改善加工质量，为复杂曲面精加工过程工艺参数的选择提供了直观而有效的参考依据。

Description

数控加工中的误差估算方法
所属技术领域
本发明涉及一种数控加工中的误差估算方法，属于数控技术领域，具体来说属于数控加工中的精度控制领域。
背景技术
高速高精度是当前数控技术的发展趋势，要控制精度就需要估算数控加工中的误差，而误差估算的是否准确，就决定了数控加工的精度是否控制得当。传统的误差估算方法都是直接根据CAM软件中得出的NC代码的得到的点的坐标计算弓高误差，但是由于CAM软件中得到的NC代码是刀具中心的点的坐标，而不是实际加工曲线的轨迹，这样计算得到的误差就会与实际情况相差很大，从而造成误差控制的不准确，影响加工精度。因此本发明提出了一种先计算实际加工曲线再估算误差的新的方法，这样可以使计算得到的误差更接近实际情况，从而可以准确的控制加工精度，改善加工质量。
发明内容
本发明针对现有误差估算方法中存在的问题，以CAM软件得出的NC代码为基础数据，提出了一种先计算实际加工曲线再根据实际曲线估算误差的新的数控加工中的误差估算方法，从而使估算得到的误差更精确，进而提高加工精度，改善加工质量。
为达到上述发明目的，本发明的构思是：
对于任意工件，在CAM软件中通过选择合适的加工方法和刀具，并设置相应的参数，得到刀路轨迹，然后选择加工方法对应的后处理器生成NC代码。如图1所示，将生成的NC代码导入所示的界面程序中进行处理，得到数控加工中用于逼近曲线的微小直线段的点的坐标，即刀具中心点坐标，但这实际上是加工过程中刀具中心的运动点坐标，并不是实际加工曲线轮廓上点的坐标。
如图2所示，对于已经得出的一系列的刀具中心点坐标                                                
Figure 2012100695406100002DEST_PATH_IMAGE001
，N为点的个数。连接
Figure 111806DEST_PATH_IMAGE002
、，通过
Figure 504742DEST_PATH_IMAGE004
作直线
Figure 2012100695406100002DEST_PATH_IMAGE005
平行于
Figure 404564DEST_PATH_IMAGE006
，则的方向即
Figure 938588DEST_PATH_IMAGE004
点的切矢方向；过作直线
Figure 2012100695406100002DEST_PATH_IMAGE007
并使角
Figure 889543DEST_PATH_IMAGE008
，则
Figure 931449DEST_PATH_IMAGE007
方向即
Figure 87624DEST_PATH_IMAGE002
点切矢方向；过点
Figure 884678DEST_PATH_IMAGE003
做直线
Figure 2012100695406100002DEST_PATH_IMAGE009
使角
Figure 431197DEST_PATH_IMAGE010
，即点切矢方向，以后各点以此类推，确定所有点的切矢方向。接下来确定各点的单位切矢，如图3所示，记第i、i-1点坐标为
Figure 2012100695406100002DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 458693DEST_PATH_IMAGE012
，i是正整数且
Figure 2012100695406100002DEST_PATH_IMAGE013
；为
Figure 2012100695406100002DEST_PATH_IMAGE015
点处单位切矢。
连线长度为
Figure 2012100695406100002DEST_PATH_IMAGE017
点处单位切矢
Figure 145841DEST_PATH_IMAGE014
与
Figure 729269DEST_PATH_IMAGE018
连线的夹角为
Figure 2012100695406100002DEST_PATH_IMAGE019
Figure 916667DEST_PATH_IMAGE018
段的首、末切矢、
Figure 149383DEST_PATH_IMAGE020
在点处构成一等腰三角形，设底边中点为
根据分点公式，可以求得底边的中点
Figure 211197DEST_PATH_IMAGE021
的坐标为
Figure 50977DEST_PATH_IMAGE022
反用中点公式,得出
Figure 2012100695406100002DEST_PATH_IMAGE023
段的首切矢为
Figure 469320DEST_PATH_IMAGE024
式中的三个坐标
Figure 2012100695406100002DEST_PATH_IMAGE025
即切矢三个方向角
Figure 699444DEST_PATH_IMAGE026
的方向余弦
其中
Figure 2012100695406100002DEST_PATH_IMAGE027
Figure 556541DEST_PATH_IMAGE028
为矢量的三个方向角
如图3所示，已知为CAM软件导出的G01节点，设刀具半径为r，过点
Figure 188511DEST_PATH_IMAGE030
作一长度为刀具半径r并垂直于
Figure 2012100695406100002DEST_PATH_IMAGE031
的线段，并且这条线段在与
Figure 155964DEST_PATH_IMAGE030
点切矢决定的平面内，线段端点为
Figure 704757DEST_PATH_IMAGE034
。
Figure 2012100695406100002DEST_PATH_IMAGE035
类似分别得点
Figure 748060DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 2012100695406100002DEST_PATH_IMAGE037
。
接下来求
Figure 952776DEST_PATH_IMAGE038
点的坐标。
如图3所示，假设整条曲线插补点的个数为N。若i=1或N，则
Figure 2012100695406100002DEST_PATH_IMAGE039
点即
Figure 823781DEST_PATH_IMAGE038
；若
Figure 492659DEST_PATH_IMAGE040
，过点
Figure 2012100695406100002DEST_PATH_IMAGE041
作平面
Figure 751602DEST_PATH_IMAGE042
平行于并垂直于，过点
Figure 180627DEST_PATH_IMAGE039
作平面
Figure DEST_PATH_IMAGE045
平行于
Figure 641695DEST_PATH_IMAGE031
并垂直于
Figure 805960DEST_PATH_IMAGE032
，直线
Figure 47586DEST_PATH_IMAGE043
与
Figure 525971DEST_PATH_IMAGE031
决定的平面为
Figure 903863DEST_PATH_IMAGE046
。、
Figure 967951DEST_PATH_IMAGE045
、
Figure 250028DEST_PATH_IMAGE046
相交于一点即为
Figure 748005DEST_PATH_IMAGE038
。
顺次连接
Figure 254073DEST_PATH_IMAGE038
（i=1……N）即可得到实际曲线的轨迹。
    如图4所示，
Figure DEST_PATH_IMAGE047
为实际加工曲线轮廓上的两个点，
Figure 407974DEST_PATH_IMAGE048
为两点处的切矢方向。由于
Figure DEST_PATH_IMAGE049
段的长度很短，两点之间的曲线可以用圆弧近似逼近，过作两条直线分别垂直于
Figure 580646DEST_PATH_IMAGE048
，交点即为圆心，过圆心作一直线垂直于
Figure 257615DEST_PATH_IMAGE049
。则即为弓高。
假设
Figure 695550DEST_PATH_IMAGE050
点处的单位切矢分别为
Figure 319429DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure DEST_PATH_IMAGE053
为切矢
Figure 526420DEST_PATH_IMAGE054
与
Figure DEST_PATH_IMAGE055
的夹角，
Figure 577552DEST_PATH_IMAGE056
为圆弧段对应圆心角的一半，由图中几何关系可得
Figure DEST_PATH_IMAGE057
。
Figure 502783DEST_PATH_IMAGE049
的段长为
Figure 664774DEST_PATH_IMAGE058
夹角
Figure DEST_PATH_IMAGE059
由图中几何关系可得。此即为估算得到的误差。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种数控加工中的误差估计方法，操作步骤如下：（1）建模：在UG或Solidworks三维造型软件中生成实体模型；（2）NC代码生成：在CAM软件中设置刀具、加工方法参数生成刀具加工路径，后处理生成NC代码；（3）获得刀具中心坐标：将NC代码进行处理得到刀具中心坐标；（4）切矢确定：根据刀具中心坐标确定各个点的单位切矢，（5）计算实际加工曲线：综合刀具半径、刀具中心坐标、已确定的各点的切矢条件计算得到实际加工曲线轨迹；（6）计算弓高误差：根据实际曲线轨迹两点之间用圆弧逼近估计弓高误差。
本发明提出的方法与现有方法相比较，具有如下显而易见的突出实质性和显著进步特点：
1、根据本发明提出方法计算得到的误差更接近于实际误差，更能精确反映零件加工表面的加工质量
2、根据本发明提出方法计算得到的误差，可以更准确的控制精度，改善加工质量。
附图说明
图1为处理NC代码程序界面
图2为切矢确定示意图
图3为计算实际曲线示意图
图4为弓高计算示意图
图5为本发明实施流程图
图6为本发明提出方法与现存方法计算误差的比较。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图详述如下：
实施例一：
参见图5，本数控加工中的误差估计方法，操作步骤如下：（1）建模：在UG或Solidworks三维造型软件中生成实体模型；（2）NC代码生成：在CAM软件中设置刀具、加工方法参数生成刀具加工路径，后处理生成NC代码；（3）获得刀具中心坐标：将NC代码进行处理得到刀具中心坐标；（4）切矢确定：根据刀具中心坐标确定各个点的单位切矢，（5）计算实际加工曲线：综合刀具半径、刀具中心坐标、已确定的各点的切矢条件计算得到实际加工曲线轨迹；（6）计算弓高误差：根据实际曲线轨迹两点之间用圆弧逼近估计弓高误差。
实施例二：
参见图1-5，本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
所述步骤（1）建模：在UG或Solidworks三维造型软件中生成实体模型，根据实体模型的形状选择CAM软件并导入CAM软件
所述步骤（2）NC代码生成：在CAM软件中根据相应工件模型，选择刀具和加工方法，在加工方法选项卡中设置相应的参数，生成刀具路径，然后相应的后处理器生成NC代码。
所述步骤（3）获得刀具中心坐标：根据生成的NC代码，编制程序进行处理，去除NC代码中的刀具信息、加工方法得到X、Y、Z坐标即刀具中心的坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE061
。
所述步骤（4）切矢确定：对于已经得出的一系列的刀具中心点坐标
Figure 213884DEST_PATH_IMAGE001
，N为点的个数，连接、
Figure 388830DEST_PATH_IMAGE003
，通过
Figure 508096DEST_PATH_IMAGE004
作直线
Figure 963348DEST_PATH_IMAGE005
平行于
Figure 863171DEST_PATH_IMAGE006
，则
Figure 429282DEST_PATH_IMAGE005
的方向即
Figure 403054DEST_PATH_IMAGE004
点的切矢方向；过
Figure 29207DEST_PATH_IMAGE002
作直线
Figure 150747DEST_PATH_IMAGE007
并使角，则
Figure 614407DEST_PATH_IMAGE007
方向即
Figure 411461DEST_PATH_IMAGE002
点切矢方向；过点做直线
Figure 860034DEST_PATH_IMAGE009
使角
Figure 870715DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 838671DEST_PATH_IMAGE009
即
Figure 934803DEST_PATH_IMAGE003
点切矢方向，以后各点以此类推，确定所有点的切矢方向，然后根据公式
Figure 584090DEST_PATH_IMAGE062
确定各点的单位切矢；其中
Figure DEST_PATH_IMAGE063
为
Figure 714858DEST_PATH_IMAGE061
点坐标，
Figure 853715DEST_PATH_IMAGE064
 为
Figure 109247DEST_PATH_IMAGE015
点处单位切矢
Figure 624542DEST_PATH_IMAGE014
与
Figure 609815DEST_PATH_IMAGE018
连线的夹角，
Figure DEST_PATH_IMAGE065
为点处单位切矢，
Figure 662402DEST_PATH_IMAGE066
为处单位切矢，
Figure DEST_PATH_IMAGE067
 为
Figure 493272DEST_PATH_IMAGE016
连线长度。
步骤（5）计算实际曲线：设刀具半径为r，过点
Figure 973932DEST_PATH_IMAGE030
作一长度为刀具半径r并垂直于
Figure 531952DEST_PATH_IMAGE031
的线段，并且这条线段在
Figure 21019DEST_PATH_IMAGE031
与
Figure 672580DEST_PATH_IMAGE030
点切矢决定的平面内，线段端点为
Figure 785210DEST_PATH_IMAGE034
。
Figure 599582DEST_PATH_IMAGE035
类似分别得点
Figure 422045DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 626761DEST_PATH_IMAGE037
；整条曲线插补点的个数为N，若i=1或N，则
Figure 825661DEST_PATH_IMAGE039
点即
Figure 494540DEST_PATH_IMAGE038
；若
Figure 487904DEST_PATH_IMAGE040
，过点
Figure 179916DEST_PATH_IMAGE041
作平面平行于
Figure 705893DEST_PATH_IMAGE043
并垂直于
Figure 807841DEST_PATH_IMAGE044
，过点作平面
Figure 590169DEST_PATH_IMAGE045
平行于
Figure 968061DEST_PATH_IMAGE031
并垂直于
Figure 506489DEST_PATH_IMAGE032
，直线
Figure 969832DEST_PATH_IMAGE043
与
Figure 314225DEST_PATH_IMAGE031
决定的平面为
Figure 484307DEST_PATH_IMAGE046
。
Figure 255954DEST_PATH_IMAGE042
、
Figure 206592DEST_PATH_IMAGE045
、相交于一点即为
Figure 379265DEST_PATH_IMAGE038
，顺次连接（i=1……N）即可得到实际曲线的轨迹。
所述步骤（6）计算弓高误差：根据实际加工曲线插补点
Figure 759747DEST_PATH_IMAGE038
、各个插补点处单位切矢
Figure 445944DEST_PATH_IMAGE054
，将任意两个插补点
Figure 590617DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure 704067DEST_PATH_IMAGE068
之间的微小直线段用圆弧逼近，根据公式
Figure DEST_PATH_IMAGE069
计算弓高误差d；L为段长，为逼近圆弧段对应圆心角的一半
实施例三：
本数控加工中的误差估计方法，针对当前误差估计方法中存在的问题，以原有方法为基础，首先根据由CAM软件导出的NC代码得到的刀具中心坐标确定各个点的单位切矢，然后结合刀具半径、刀具中心坐标、已经确定的各点切矢计算得到实际加工的曲线轨迹，最后根据计算得到的实际曲线轨迹用圆弧逼近微小直线段并计算弓高误差。本方法的实施流程图，如图5所示。
在UG或Solidworks等三维造型软件中建立实体模型，导入MasterCAM中，选择合适的加工方法和刀具，设置加工余量、截断误差等生成刀路轨迹，选择相应的后处理器生成NC代码文件。如图1所示的程序界面，点击打开文件选择保存的NC代码文件并勾选同时XLS则可得到刀位点的X、Y、Z坐标，即刀具中心轨迹，N为刀位点的个数。根据刀位点
Figure 137136DEST_PATH_IMAGE061
的X、Y、Z坐标确定每个点的单位切矢
Figure 487346DEST_PATH_IMAGE054
。结合刀位点
Figure 515345DEST_PATH_IMAGE061
，刀具半径r，刀位点处单位切矢
Figure 696927DEST_PATH_IMAGE054
计算得到实际加工曲线上的点
Figure 152180DEST_PATH_IMAGE038
，顺次连接即可得到实际加工曲线。对于实际加工曲线上的任意两点
Figure 718247DEST_PATH_IMAGE050
之间的曲线段用圆弧段逼近，计算圆弧的弓高
Figure 284358DEST_PATH_IMAGE069
，L为段长，为与单位切矢的夹角，即圆弧段对应圆心角的一半。
图6所示为用本方法计算得到误差与现存方法的比较。刀具半径为5mm，设置截断误差为0.005。图中蓝色线为本发明提出方法计算误差，黑色线为现存方法计算误差，红色的直线为设置的截断误差。

Claims (6)

1.一种数控加工中的误差估计方法，其特征在于操作步骤如下：
（1）建模：在UG或Solidworks三维造型软件中生成实体模型；
（2）NC代码生成：在CAM软件中设置刀具、加工方法参数生成刀具加工路径，后处理生成NC代码；
（3）获得刀具中心坐标：将NC代码进行处理得到刀具中心坐标；
（4）切矢确定：根据刀具中心坐标确定各个点的单位切矢，具体方法为：对于已经得出的一系列的刀具中心点坐标
Figure 682212DEST_PATH_IMAGE002
，N为点的个数，连接
Figure 2012100695406100001DEST_PATH_IMAGE003
、，通过
Figure 2012100695406100001DEST_PATH_IMAGE005
作直线
Figure 709391DEST_PATH_IMAGE006
平行于
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，则
Figure 783658DEST_PATH_IMAGE006
的方向即
Figure 452536DEST_PATH_IMAGE005
点的切矢方向；过
Figure 445900DEST_PATH_IMAGE003
作直线
Figure 137913DEST_PATH_IMAGE008
并使角，则
Figure 874924DEST_PATH_IMAGE008
方向即
Figure 398310DEST_PATH_IMAGE003
点切矢方向；过点
Figure 765837DEST_PATH_IMAGE004
做直线
Figure 7463DEST_PATH_IMAGE010
使角
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 220269DEST_PATH_IMAGE010
即
Figure 863740DEST_PATH_IMAGE004
点切矢方向，以后各点以此类推，确定所有点的切矢方向，然后根据公式
Figure 198907DEST_PATH_IMAGE012
确定各点的单位切矢；其中
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为
Figure 865511DEST_PATH_IMAGE001
点坐标，
Figure 944326DEST_PATH_IMAGE014
 为点处单位切矢与
Figure DEST_PATH_IMAGE017
连线的夹角，
Figure 89316DEST_PATH_IMAGE018
为
Figure 39955DEST_PATH_IMAGE001
点处单位切矢，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为处单位切矢，
Figure 212627DEST_PATH_IMAGE020
 为连线长度；
（5）计算实际加工曲线：综合刀具半径、刀具中心坐标、已确定的各点的切矢条件计算得到实际加工曲线轨迹；
（6）计算弓高误差：根据实际曲线轨迹两点之间用圆弧逼近估计弓高误差。
2.根据权利要求1所述的数控加工中的误差估计方法，其特征在于：所述（1）建模：在UG或Solidworks三维造型软件中生成实体模型，根据实体模型的形状选择CAM软件并导入CAM软件。
3.根据权利要求1所述的数控加工中的误差估计方法，其特征在于：所述（2）NC代码生成：在CAM软件中根据相应工件模型，选择刀具和加工方法，在加工方法选项卡中设置相应的参数，生成刀具路径，然后相应的后处理器生成NC代码。
4.根据权利要求1所述的数控加工中的误差估计方法，其特征在于：所述（3）获得刀具中心坐标：根据生成的NC代码，编制程序进行处理，去除NC代码中的刀具信息、加工方法得到X、Y、Z坐标即刀具中心的坐标 
Figure 2012100695406100001DEST_PATH_IMAGE001
。
5.根据权利要求1所述的数控加工中的误差估计方法，其特征在于：（5）计算实际曲线：设刀具半径为r，过点
Figure 155175DEST_PATH_IMAGE022
作一长度为刀具半径r并垂直于
Figure DEST_PATH_IMAGE023
的线段
Figure 530793DEST_PATH_IMAGE024
，并且这条线段在
Figure 951410DEST_PATH_IMAGE023
与
Figure 355803DEST_PATH_IMAGE022
点切矢
Figure DEST_PATH_IMAGE025
决定的平面内，线段端点为
Figure 469253DEST_PATH_IMAGE026
；
Figure DEST_PATH_IMAGE027
类似分别得点
Figure 332167DEST_PATH_IMAGE028
、；整条曲线插补点的个数为N，若i=1或N，则
Figure 556475DEST_PATH_IMAGE030
点即
Figure DEST_PATH_IMAGE031
；若
Figure 555655DEST_PATH_IMAGE032
，过点
Figure DEST_PATH_IMAGE033
作平面
Figure 840006DEST_PATH_IMAGE034
平行于
Figure DEST_PATH_IMAGE035
并垂直于
Figure 190215DEST_PATH_IMAGE036
，过点
Figure 218214DEST_PATH_IMAGE030
作平面
Figure DEST_PATH_IMAGE037
平行于
Figure 337480DEST_PATH_IMAGE023
并垂直于
Figure 527153DEST_PATH_IMAGE024
，直线
Figure 426976DEST_PATH_IMAGE035
与
Figure 993086DEST_PATH_IMAGE023
决定的平面为；
、
Figure 980131DEST_PATH_IMAGE037
、
Figure 287616DEST_PATH_IMAGE038
相交于一点即为
Figure 178211DEST_PATH_IMAGE031
，顺次连接
Figure 975266DEST_PATH_IMAGE031
（i=1……N）即可得到实际曲线的轨迹。
6.根据权利要求1所述的数控加工中的误差估计方法，其特征在于：所述（6）计算弓高误差：根据实际加工曲线插补点
Figure 584102DEST_PATH_IMAGE031
、各个插补点处单位切矢
Figure DEST_PATH_IMAGE039
，将任意两个插补点
Figure 695277DEST_PATH_IMAGE031
、之间的微小直线段用圆弧逼近，根据公式
Figure DEST_PATH_IMAGE041
计算弓高误差d；L为
Figure 611598DEST_PATH_IMAGE042
段长，
Figure DEST_PATH_IMAGE043
为逼近圆弧段对应圆心角的一半。
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