CN102629120A - 一种采用角度头刀柄进行数控加工的非线性误差处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用角度头刀柄进行数控加工的非线性误差处理方法。该方法首先依据机床结构测量枢轴距和刀长距参数，然后根据枢轴距参数设定加工中合适的RTCP点，处理主轴方向上的非线性误差。根据刀长距参数和加工精度参数，在对刀具运动状态进行分析的基础上，建立刀具运动的非线性误差估计模型，在后置程序中通过插入合适的点位，处理角度头刀具方向产生的非线性误差。该方法解决了现有数控系统RTCP功能在角度头加工应用时的通用性问题，提高了加工效率，同时保证了使用角度头进行数控加工的精度，实现了采用角度头加工时的非线性误差控制。

Description

一种采用角度头刀柄进行数控加工的非线性误差处理方法
技术领域
本发明涉及一种采用角度头刀柄进行数控加工的非线性误差处理方法，属于CAM(计算机辅助制造)\CNC（计算机数字控制）技术领域。
背景技术
角度头（Angle Head）是数控加工中连接数控机床主轴和刀具的一种特殊刀柄，是飞机结构件加工中采用的一种新型设备。在飞机结构件加工中，机床安上角度头后刀具旋转中心线可以与主轴旋转中心线成角度加工工件，可使立式加工中心进行卧式加工，在没有改变机床结构的情况下增大机床的加工范围和适应性，实现零件的一次性装夹多工序加工，提高加工精度和效率。
在使用角度头进行五轴联动加工时，机床主轴部件的摆动带动角度头刀柄及其附属刀具摆动，使刀具中心点的实际运动轨迹偏离编程直线，产生非线性误差，使零件在加工后会存在欠切或者过切现象。 
五轴数控加工机床中，刀具中心点和主轴部件的旋转中心之间的距离称为枢轴中心距（Pivot，简称枢轴距）。枢轴距使加工中刀具的摆动引起刀具中心点平移坐标的变化，因而产生非线性误差。针对于普通刀柄夹持刀具加工，现有高档数控系统（如Sinumerik和Fidia数控系统）大多具备RTCP（Rotational Tool Center Point旋转刀具中心点）功能，设定刀具中心点为RTCP点，来补偿枢轴距，消除非线性误差，保证数控加工的准确性。在使用角度头的数控加工中单一地使用RTCP功能存在以下不足：（1）角度头角度多变，相比常规刀柄使用RTCP功能时对刀过程冗繁，对操作工人要求高，加工出错几率大；（2）现有的其它数控系统，不一定具备针对于角度头加工的RTCP配置功能，因而对工艺环境要求高，相应的加工仿真软件也需具备角度头加工的RTCP配置功能模块。
对现有的技术文献检索发现，吴大中等在学术期刊《上海交通大学学报》上发表的论文“五坐标数控加工的非线性运动误差分析与控制”，针对于常规刀柄建立了非线性误差运动模型，提出了基于后置处理的非线性误差控制策略，但针对于使用角度头的加工单独使用此类方法也存在不足：（1）针对于角度头刀柄的复杂结构，需要针对机床结构计算平移坐标补偿值等参数量，相应后置处理将变得非常繁琐；（2）由于机床结构上的枢轴距较大，后置处理中插入的刀位点将过于密集，会降低机床运行速度，影响加工效率。
发明内容
针对以上问题，本发明提出了一种采用角度头刀柄进行数控加工的非线性误差处理方法，基于角度头加工中的非线性误差由枢轴距和刀长距的合成矢量引起的原理，对枢轴距引起非线性误差与刀长距引起的非线性误差分别处理。对于枢轴距引起的误差，将通过数控系统RTCP功能来处理；对于刀长距引起的非线性误差，将在后置处理中进行控制。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种采用角度头刀柄进行数控加工的非线性误差处理方法， 将角度头加工中的非线性误差分为RTCP点到机床旋转中心的方向和RTCP点到角度头刀具中心点的方向两个方向进行处理，包括以下步骤：
1）测量RTCP点到机床旋转中心的距离参数，且称为枢轴距参数，针对于加工时主轴方向上的误差采用数控系统RTCP功能来处理；依据枢轴距，将RTCP点设置在角度头上的刀具旋转轴线与机床主轴线的交点；
2）测量RTCP点到角度头刀具中心点的距离参数，且称为刀长距参数，针对于加工时刀具方向上的误差在后置处理中进行控制；首先确立非线性运动误差中的精度参数、刀长距参数与插入点位间距之间的关系，然后依据此关系以及用户的精度参数和刀长距参数，进行点位的插入。
所述步骤2）中后置处理点位的插入，对于后置程序中某两个点位，若误差大于允许值，则插入新的点位，然后以新的点位为起点，计算其与后一个点位之间的误差，并依据误差是否满足要求插入新的点位，如此循环算直到不需插入新的点位为止，通过在后置程序中的点位间插入新的刀位点，控制走刀步长，使刀位数据密化，从而有效控制非线性运动误差。
本发明的有益效果如下：
提出数控系统RTCP与后置补偿相结合的方法，有效解决零件加工中采用角度头时的非线性误差处理难题。一方面解决了使用现有数控系统时操作的繁琐性、安全性问题，与常规刀柄一致的RTCP设置方式保证了多种数控系统和仿真软件下使用角度头刀柄的通用性。另一方面，避免了单独使用后置处理进行非线性误差的效率低下问题。本发明在保证精度的情况下，很好地提高了使用角度头进行五轴联动加工时的效率。
附图说明
图1（a） 本发明中机床在采用常规刀柄情况下的RTCP点位置设置示意图，作为角度头刀柄RTCP点位置设置的参考，图1（b）和图1（c）表示机床在采用角度头刀柄情况下的RTCP点位置设置示意图,其中图1（b）中RTCP点设置的位置为角度头主轴中心线与刀具轴线的交点，其中向量                                                表示机床主轴中心线方向，向量表示角度头刀具方向，P为RTCP点与角度头主轴中心线和刀具轴线的交点的偏距，D为RTCP点到角度头刀具中心点的距离参数，称为刀长距参数。
图2 本发明中的机床主轴中心线方向上的距离测量示意图，其中L1为机床主轴回转中心到主轴端面的距离，L2为角度头端面至RTCP点的距离，向量
Figure 5152DEST_PATH_IMAGE001
与
Figure 976651DEST_PATH_IMAGE003
含义与图1相同。
图3 本发明中的角度头刀具轴线方向上的距离测量示意图，其中D1为主轴中心线（或RTCP点）至角度头侧面的距离，D2为角度头侧面至刀具中心点距离，向量与
Figure 865027DEST_PATH_IMAGE003
含义与图1相同。
图4本发明中RTCP点位正确设置后非线性误差示意图，其中角度头刀具中心点从运动到
Figure 462678DEST_PATH_IMAGE006
，刀轴矢量由
Figure 712394DEST_PATH_IMAGE007
变为
Figure 759985DEST_PATH_IMAGE008
。
Figure 381328DEST_PATH_IMAGE009
为
Figure 514369DEST_PATH_IMAGE010
对应的RTCP点，
Figure 567775DEST_PATH_IMAGE011
为
Figure 220605DEST_PATH_IMAGE012
对应RTCP点；图中编号说明：1、RTCP点；2、主轴与刀具中心线交点；3、刀具中心点；4 、RTCP点理想轨迹；5、 RTCP点实际轨迹；6、刀具中心点理想轨迹；7、刀具中心点实际轨迹；8、非线性误差值最大处。
图5本发明中后置处理中控制非线性误差的原理图，其中
Figure 763582DEST_PATH_IMAGE013
为初始刀点位置、
Figure 56023DEST_PATH_IMAGE014
为初始刀轴矢量、
Figure 224705DEST_PATH_IMAGE009
为初始刀点对应的RTCP点位置、
Figure 981308DEST_PATH_IMAGE012
为结束刀点位置、
Figure 632869DEST_PATH_IMAGE015
为结束刀点矢量、
Figure 491235DEST_PATH_IMAGE016
为结束刀点对应的RTCP点位置、
Figure 948761DEST_PATH_IMAGE017
为新插入刀点位置、
Figure 497554DEST_PATH_IMAGE018
为新插入刀轴矢量、
Figure 897180DEST_PATH_IMAGE019
为新插入刀点对应RTCP点位置、
Figure 164214DEST_PATH_IMAGE020
为刀位点的平移矢量、
Figure 425431DEST_PATH_IMAGE021
为RTCP点的平移矢量、
Figure 641780DEST_PATH_IMAGE022
为旋转运动单位矢量、
Figure 900723DEST_PATH_IMAGE023
为平移运动单位矢量、
Figure 717369DEST_PATH_IMAGE024
为刀位点运动的合成运动矢量、S为初始刀点至结束刀点的移动距离、d为达到设定误差时刀具中心点轨迹的偏移距离、α为运动合成矢量
Figure 454381DEST_PATH_IMAGE024
与刀位点的平移矢量
Figure 289350DEST_PATH_IMAGE025
之间的夹角、t为刀位轨迹允许偏离的误差，即设定的精度参数。
图6本发明中后置处理中控制非线性误差的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
依据机床结构和角度头结构测量相关参数，采用C++语言编写程序实现后置处理中的非线性误差控制。本发明的具体步骤如下：
步骤1、测量枢轴距参数如图2所示。分别测量主轴回转中心到主轴端面的距离L1和角度头端面至RTCP点的距离L2，前者由机床结构决定，后者由角度头结构决定；由于主轴的端面和角度头端面贴合，因而将两者相加即得枢轴距参数L，即L=L1+L2；
步骤2、使用常规刀柄时RTCP点的设置位于主轴中心线上，如图1（a）所示。参照此类配置方式使用角度头刀柄时的RTCP点的设置则如图1（b）所示。通过将枢轴距参数输入数控系统，准确地设置RTCP点为角度头主轴中心线与刀具轴线的交点，如图1（c）所示，即等同于消除了图1（b）中的偏距P；
步骤3、测量刀长距参数如图3所示。主轴中心线（或RTCP点）至角度头侧面距离D1可从角度头产品说明书中获取或者实物精确测量；角度头侧面至刀具中心点距离D2由测量得到；然后将两者相加即得刀长距参数D，即D=D1+D2；
步骤4、经过RTCP功能的设置之后，刀具运动时产生的非线性误差原理如图4所示。刀具的RTCP点从
Figure 781512DEST_PATH_IMAGE009
运动到，而刀具中心点从
Figure 111310DEST_PATH_IMAGE010
运动到
Figure 754781DEST_PATH_IMAGE012
。由于RTCP功能的特点，RTCP点从
Figure 152264DEST_PATH_IMAGE009
运动到
Figure 192770DEST_PATH_IMAGE016
的轨迹为直线，则
Figure 271585DEST_PATH_IMAGE027
运动到
Figure 831879DEST_PATH_IMAGE028
的轨迹为曲线。因此，此时考虑通过后置处理进行非线性误差控制，即在后置处理计算中，在刀轨的点位间插入适当的新点位，如图5所示，缩短点位间距，以此限制点位间产生的最大误差。以下步骤将在后置处理中进行非线性误差处理，相关流程如图6所示，需要输入的相关条件：初始刀点位置
Figure 150996DEST_PATH_IMAGE027
、初始刀轴矢量、结束刀点位置、结束刀点矢量
Figure 664520DEST_PATH_IMAGE015
、精度参数t、刀长距参数D；
步骤5、结合图5依据初始刀点位置
Figure 942090DEST_PATH_IMAGE013
、初始刀轴矢量计算出初始RTCP点位置为：
；
依据结束刀点位置、结束刀点矢量
Figure 58765DEST_PATH_IMAGE015
计算出结束RTCP点位置
Figure 983995DEST_PATH_IMAGE011
为：
；
步骤6、初始RTCP点和结束RTCP点的连线构成RTCP点的平移矢量
Figure 846964DEST_PATH_IMAGE021
为：
Figure 193632DEST_PATH_IMAGE031
；
步骤7、初始刀点位置
Figure 419208DEST_PATH_IMAGE010
和结束刀点位置
Figure 181628DEST_PATH_IMAGE012
构成了刀位点的平移矢量
Figure 425527DEST_PATH_IMAGE020
为：
Figure 192364DEST_PATH_IMAGE032
；
步骤8、由于刀具的旋转运动单位矢量
Figure 92187DEST_PATH_IMAGE022
垂直于刀轴矢量，且在刀轴矢量
Figure 569752DEST_PATH_IMAGE014
和刀点的平移矢量
Figure 195906DEST_PATH_IMAGE033
构成的平面内，则刀具旋转运动单位矢量
Figure 645342DEST_PATH_IMAGE022
为：
Figure 61148DEST_PATH_IMAGE034
；
步骤9、刀具轴线摆动的角度α：
Figure 279640DEST_PATH_IMAGE035
刀具中心点的运动由平移运动和旋转运动合成，由于在固定时间内刀具摆动了α角（则刀具中心点摆动的弧长为
Figure 889744DEST_PATH_IMAGE036
），刀具又平移运动了
Figure 498580DEST_PATH_IMAGE037
的距离，再依据刀位点的平移运动单位矢量
Figure 734389DEST_PATH_IMAGE038
和刀具旋转运动矢量
Figure 56655DEST_PATH_IMAGE039
可计算出刀位点运动的合成运动矢量为：
Figure 899977DEST_PATH_IMAGE040
 ；
步骤10、在加工过程中，刀轨点位的间距和起始矢量和终止矢量之间的夹角很小，故矢量 
Figure 996109DEST_PATH_IMAGE041
和 
Figure 504451DEST_PATH_IMAGE042
之间的夹角很小，如图6所示可采用起始点切线与偏移距离构成的直角三角形的第三个边来近似代替误差t，由几何关系可知，第三边长度将会大于实际误差，保证了方法的精度。结合图6计算出偏移矢量
Figure 946803DEST_PATH_IMAGE041
和刀位点的平移矢量
Figure 85660DEST_PATH_IMAGE043
之间的夹角α为：
Figure 544454DEST_PATH_IMAGE044
；
步骤11、依据精度和偏移角度计算出偏移距离d为：
Figure 856487DEST_PATH_IMAGE045
；
步骤12、依据初始刀点位置
Figure 841760DEST_PATH_IMAGE010
和结束刀点位置
Figure 463103DEST_PATH_IMAGE012
计算出总的移动距离S为：
；
步骤13、设偏移的总距离占总的移动距离的比例为PosRate，则：
，
若比例大于1，则说明插入点位已在初始点
Figure 302381DEST_PATH_IMAGE048
和结束点
Figure 845357DEST_PATH_IMAGE049
之外，则插入点位结束，不再执行后面的步骤；
步骤14、根据比例算出新刀点位置：
Figure 449383DEST_PATH_IMAGE050
，
和新的刀轴矢量：
Figure 306480DEST_PATH_IMAGE051
，
然后输出；
步骤15、使用新的刀点位置
Figure 63084DEST_PATH_IMAGE052
和新的刀轴位置
Figure 527694DEST_PATH_IMAGE053
代替初始刀点位置和初始刀轴位置
Figure 30537DEST_PATH_IMAGE054
、然后循环重复计算以上过程，得到满足精度要求的点位；
步骤16、通过以上过程在刀轨的刀位点间插入合适控制点位，最后得到满足角度头加工非线性误差控制所需的后置程序刀位点。

Claims (2)

1.一种采用角度头刀柄进行数控加工的非线性误差处理方法，其特征在于， 
将角度头加工中的非线性误差分为RTCP点到机床旋转中心的方向和RTCP点到角度头刀具中心点的方向两个方向进行处理，包括以下步骤：
1）测量RTCP点到机床旋转中心的距离参数，且称为枢轴距参数，针对于加工时主轴方向上的误差采用数控系统RTCP功能来处理；依据枢轴距，将RTCP点设置在角度头上的刀具旋转轴线与机床主轴线的交点；
2）测量RTCP点到角度头刀具中心点的距离参数，且称为刀长距参数，针对于加工时刀具方向上的误差在后置处理中进行控制；首先确立非线性运动误差中的精度参数、刀长距参数与插入点位间距之间的关系，然后依据此关系以及用户的精度参数和刀长距参数，进行点位的插入。
2.根据权利要求1所述的一种采用角度头刀柄进行数控加工的非线性误差处理方法，其特征在于所述步骤2）中后置处理点位的插入，对于后置程序中某两个点位，若误差大于允许值，则插入新的点位，然后以新的点位为起点，计算其与后一个点位之间的误差，并依据误差是否满足要求插入新的点位，如此循环算直到不需插入新的点位为止，通过在后置程序中的点位间插入新的刀位点，控制走刀步长，使刀位数据密化，从而有效控制非线性运动误差。
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