CN103135498B - 一种数控机床轮廓加工半径误差补偿控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控机床轮廓加工半径误差补偿控制方法及装置，在电脑和数控系统的数据发送通道上串联位置跟踪误差补偿控制装置；该装置接收电脑端上位机软件发送的DXF或PLT格式的指令文件；接收数控系统反馈的各个轴伺服驱动器的前向通道增益值；根据接收到的各个轴伺服驱动器的前向通道增益值、机床当前加工速度、目标轮廓曲线的瞬时位置坐标序列计算目标轮廓曲线加工过程中的半径误差；根据半径误差对目标轮廓曲线进行补偿；生成并向数控系统发送补偿后的DXF或PLT格式的指令文件。本发明的数控机床轮廓加工半径误差补偿控制方法及装置可大幅度提升数控机床轮廓加工精度，特别是提升了伺服刻字机在进行高速、小尺寸轮廓加工时的精度。

Description

一种数控机床轮廓加工半径误差补偿控制方法及装置

技术领域

本发明属于数控机床运动控制技术领域，具体涉及一种数控机床轮廓加工半径误差补偿控制方法及装置。

背景技术

数控机床集高效、柔性、精密、复合、集成等诸多优点于一身，已经成为当代装备制造业的主力加工设备和机床市场的主流产品。《机床工具行业“十二五”发展规划》提出数控机床有待解决的关键技术问题主要集中在高速高精运动控制技术的突破。提升数控机床运动控制性能，需要解决两个核心问题：插补控制器和伺服驱动。伺服驱动速度快、噪音低、精度高，已经代替步进驱动成为市场主流，但存在位置跟踪误差是伺服驱动的天生缺陷。插补控制器搭配伺服驱动在机床上使用，插补控制器只能通过精确、细致的加减速控制尽量减小伺服驱动位置跟踪误差对数控机床轮廓加工精度的影响，但实际操作中由于轮廓曲线的复杂性，加减速控制的收效甚微。为大幅度提升数控机床对各种轮廓曲线的加工精度，特别是提高小尺寸轮廓的加工精度，就必须另辟渠道。

广告设备、办公设备作为数控机床的一个分支，其中发展最为迅速的有刻字机、写真机、激光切割机、条幅机、喷绘机等。刻字机在进行高速、小尺寸轮廓绘及切时，轮廓精度受伺服驱动位置跟踪误差大小的影响剧烈，采用新方法和新装置提高轮廓加工精度势在必行。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术中数控机床轮廓加工精度不足的缺陷，提供一种提升数控机床轮廓加工精度的数控机床轮廓加工半径误差补偿控制方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的数控机床轮廓加工半径误差补偿控制方法采用如下技术方案：

一种数控机床轮廓加工半径误差补偿控制方法，所述数控机床包括电脑和数控系统，所述数控系统包括插补控制器和各个轴的伺服驱动器，包括以下步骤：

1）、接收电脑端上位机软件发送的DXF或PLT格式的指令文件，所述指令文件中包括描述目标轮廓曲线在平面或者立体坐标系中的瞬时位置坐标序列、描述文件开始和结束的标志符、描述机床当前加工速度的标识符、描述主刀动作的标识符；接收所述数控系统反馈的各个轴伺服驱动器的前向通道增益值；

2）、根据步骤1）接收到的各个轴伺服驱动器的前向通道增益值K、机床当前加工速度v、目标轮廓曲线的瞬时位置坐标来计算目标轮廓曲线加工过程中的半径误差ΔR；

3）、根据步骤2）得到的所述半径误差ΔR对所述目标轮廓曲线进行补偿；

4）、根据步骤3）得到的补偿后的目标轮廓曲线生成并向数控系统发送补偿后的DXF或PLT格式的指令文件。

更进一步的，步骤2）和步骤3）中所述目标轮廓曲线为直线、圆弧、抛物线或B样条曲线之一或它们的组合。

更进一步的，在平面数控加工中，所述半径误差ΔR通过下式计算得到：

${\mathrm{\ϵ}}_x=\frac{v_x}{K_x},$ ${\mathrm{\ϵ}}_y=\frac{v_y}{K_y},$ $\mathrm{\ΔR}=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_x^2+{\mathrm{\ϵ}}_y^2},$ 式中，v_x和v_y分别为X轴和Y轴的机床加工速度，K_x和K_y分别为X轴和Y轴的前向通道增益值，其中，v_x和v_y根据机床当前加工速度v和瞬时位置坐标计算得到，ε_x和ε_y分别为X轴和Y轴的位置跟踪误差；

在三维数控加工中，所述半径误差ΔR通过下式计算得到：

${\mathrm{\ϵ}}_x=\frac{v_x}{K_x},$ ${\mathrm{\ϵ}}_y=\frac{v_y}{K_y},$ ${\mathrm{\ϵ}}_z=\frac{v_z}{K_z},$ $\mathrm{\ΔR}=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_x^2+{\mathrm{\ϵ}}_y^2+{\mathrm{\ϵ}}_z^2},$ 式中，v_x、v_y和v_z分别为X轴、Y轴和Z轴的机床加工速度，K_x、K_y和K_z分别为X轴、Y轴和Z轴的前向通道增益值，其中，v_x、v_y和v_z根据机床当前加工速度v和瞬时位置坐标计算得到，ε_x、ε_y和ε_z分别为X轴、Y轴和Z轴的位置跟踪误差。

更进一步的，步骤4）中所述的补偿后的DXF或PLT格式的指令文件包括描述补偿后的目标轮廓曲线在平面或者立体坐标系中的瞬时位置坐标序列、描述文件开始和结束的标志符、描述机床当前加工速度的标识符、描述主刀动作的标识符。

本发明还公开了一种数控机床轮廓加工半径误差补偿控制装置。

本发明的数控机床轮廓加工半径误差补偿控制装置采用如下技术方案：

一种数控机床轮廓加工半径误差补偿控制装置，所述数控机床包括电脑、数控系统和各个轴的进给伺服电机，所述位置跟踪误差补偿控制器设置在所述电脑和所述数控系统之间，采用如权利要求1或2所述的数控机床轮廓加工半径误差补偿控制方法。

更进一步的，所述位置跟踪误差补偿控制装置通过RS232串口、USB口或网口连接所述电脑。

更进一步的，所述位置跟踪误差补偿控制装置通过并口、RS232串口、USB口或网口连接所述数控系统。

发明原理：本发明针对现有技术中数控机床轮廓加工精度不足的缺陷，首先接受位置跟踪误差及其对轮廓加工精度有影响的事实，并且分析总结位置跟踪误差产生的规律和特性，结合插补控制的实现原理，提出直接在电脑与数控系统传输指令数据的过程中，采用数控机床轮廓加工半径误差补偿控制装置对位置跟踪误差进行补偿，将补偿后的指令轮廓数据发送给数控系统，从而提高轮廓加工精度。

有益效果：本发明的数控机床轮廓加工半径误差补偿控制方法可大幅度提升数控机床轮廓加工精度，特别是提升了伺服刻字机在进行高速、小尺寸轮廓加工时的精度。

附图说明

图1是现有技术的数控机床运动控制系统的结构示意图；

图2是本发明的数控机床运动控制系统的结构示意图；

图3是本发明的数控机床轮廓加工半径误差补偿控制装置的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

请参阅图1、图2和图3所示，本发明的数控机床轮廓加工半径误差补偿控制方法，数控机床包括电脑和数控系统，数控系统包括插补控制器和各个轴的伺服驱动器，包括以下步骤：

1）、接收电脑端上位机软件发送的DXF或PLT格式的指令文件，所述指令文件中包括描述目标轮廓曲线在平面或者立体坐标系中的瞬时位置坐标序列、描述文件开始和结束的标志符、描述机床当前加工速度v的标识符、描述主刀动作的标识符；接收所述数控系统反馈的各个轴伺服驱动器的前向通道增益值K；

2）、根据步骤1）接收到的各个轴伺服驱动器的前向通道增益值K、机床当前加工速度v、目标轮廓曲线的瞬时位置坐标来计算目标轮廓曲线加工过程中的半径误差；

以平面数控加工为例，根据机床当前加工速度v和瞬时位置坐标可以得到X轴和Y轴的机床加工速度，分别为v_x、v_y。

在平面数控加工中，半径误差ΔR通过下式计算得到：

${\mathrm{\ϵ}}_x=\frac{v_x}{K_x},$ ${\mathrm{\ϵ}}_y=\frac{v_y}{K_y},$ $\mathrm{\ΔR}=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_x^2+{\mathrm{\ϵ}}_y^2},$ 式中，v_x和v_y分别为X轴和Y轴的机床加工速度，K_x和K_y分别为X轴和Y轴的前向通道增益值，其中，v_x和v_y根据机床当前加工速度v和瞬时位置坐标计算得到，ε_x和ε_y分别为X轴和Y轴的位置跟踪误差；

在三维数控加工中，半径误差ΔR通过下式计算得到：

${\mathrm{\ϵ}}_x=\frac{v_x}{K_x},$ ${\mathrm{\ϵ}}_y=\frac{v_y}{K_y},$ ${\mathrm{\ϵ}}_z=\frac{v_z}{K_z},$ $\mathrm{\ΔR}=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_x^2+{\mathrm{\ϵ}}_y^2+{\mathrm{\ϵ}}_z^2},$ 式中，v_x、v_y和v_z分别为X轴、Y轴和Z轴的机床加工速度，K_x、K_y和K_z分别为X轴、Y轴和Z轴的前向通道增益值，其中，v_x、v_y和v_z根据机床当前加工速度v和瞬时位置坐标计算得到，ε_x、ε_y和ε_z分别为X轴、Y轴和Z轴的位置跟踪误差。

3）、根据步骤2），采用逆向思维的方法，以电脑发送的DXF或者PLT格式指令文件中的目标轮廓曲线为假想实际加工轮廓曲线，以上述的半径误差，对目标轮廓曲线中的瞬时位置坐标序列逐线段进行逆向求取假想指令轮廓曲线的瞬时位置坐标序列(称该方法为补偿)，增加机床当前加工速度信息，生成补偿后的DXF或PLT格式的指令文件；向数控系统发送补偿后的DXF或PLT格式的指令文件，经过数控系统控制加工后，半径误差近似为零。从而对所述的目标轮廓曲线和实际加工轮廓曲线间的半径误差进行补偿；

4）、根据步骤3）得到的补偿后的目标轮廓曲线生成并向数控系统发送补偿后的DXF或PLT格式的指令文件。

其中，步骤2）和步骤3）中的目标轮廓曲线为直线、圆弧、抛物线或B样条曲线之一或它们的组合。

本发明还公开了一种数控机床轮廓加工半径误差补偿控制装置。数控机床包括电脑、数控系统和各个轴的进给伺服电机，位置跟踪误差补偿控制器设置在电脑和数控系统之间，采用上述的数控机床轮廓加工半径误差补偿控制方法。其中，位置跟踪误差补偿控制装置通过RS232串口、USB口或网口连接电脑。位置跟踪误差补偿控制装置通过并口、RS232串口、USB口或网口连接数控系统。

发明原理：本发明针对现有技术中数控机床轮廓加工精度不足的缺陷，首先接受位置跟踪误差及其对轮廓加工精度有影响的事实，并且分析总结位置跟踪误差产生的规律和特性，结合插补控制的实现原理，提出直接在电脑与数控系统传输指令数据的过程中，采用数控机床轮廓加工半径误差补偿控制装置对位置跟踪误差进行补偿，将补偿后的指令轮廓数据发送给数控系统，从而提高轮廓加工精度。

实施例1

如图2所示，本实施例中实现提升数控机床轮廓加工精度的装置是位置跟踪误差补偿控制器。位置跟踪误差补偿控制器的核心是微处理器。本实施例包括以下控制步骤：

（1）在电脑与数控系统的数据传输通道中插入(串联)位置跟踪误差补偿控制器。图2运动控制系统组件示意图中，数控系统由插补控制器和各个轴的伺服驱动器组成。

（2）位置跟踪误差补偿控制器中微处理器通过串口、USB口或网口接收电脑端上位机软件发送的DXF或PLT格式的指令文件。其中指令文件组成包括：描述轮廓在平面或者立体坐标系中的坐标序列、描述文件开始和结束的标志符、描述机床当前加工速度的标识符、描述主刀动作的标识符等。以加工一个圆为例，图2中“指令”为目标轮廓曲线；“轨迹”为实际加工轮廓曲线；“补偿后”为假想指令轮廓曲线(或称新的指令轮廓曲线，或称补偿后指令轮廓曲线)。

（3）位置跟踪误差补偿控制器通过并口、串口、USB口或网口接收数控系统反馈的各个轴伺服驱动器的前向通道增益值。插补控制器与伺服驱动器采用同一个微处理器设计，插补控制和各个轴伺服驱动控制均在这个微处理器内实现。如果各个伺服驱动器是独立设计，则需要通过总线向位置跟踪误差补偿控制器反馈各自的前向通道增益值。数控机床的每个进给轴都采用伺服电机驱动。

（4）位置跟踪补偿控制器具备识别DXF和PLT格式文件信息的功能；数控系统具备计算和发送各个轴伺服驱动器前向通道增益值的功能。

（5）位置跟踪误差补偿控制器具备与电脑通讯的接口；接口的表现形式为RS232串口、USB口或网口。

（6）位置跟踪误差补偿控制器具备与数控系统进行通讯的接口；或者需要与各个驱动器实现通讯的总线接口，接口的表现形式为并口、RS232串口、USB口或网口。

（7）位置跟踪误差补偿控制器具备计算目标轮廓曲线加工过程中的半径误差的功能。位置跟踪误差补偿控制器根据接收到的各个轴的前向通道增益值、当前加工速度v、轮廓曲线的瞬时位置坐标来计算目标轮廓曲线加工过程中的半径误差。其中，目标轮廓曲线包括直线、圆弧、抛物线或B样条曲线之一或它们的组合。

（8）位置跟踪误差补偿控制器具备补偿目标轮廓曲线加工过程中的半径误差的功能；如图3所示，已经计算出了“指令”轮廓和实际加工“轨迹”的半径误差为ΔR，当假设“指令”轮廓向外扩大Δr半径，出现了“补偿后”轮廓，并设计ΔR＝Δr时，以“补偿后”轮廓为新的目标轮廓，输出给数控系统进行实际加工，则此时实际加工轮廓接近补偿前的“指令”轮廓，通过这个方法来提高加工精度。

（9）位置跟踪误差补偿控制器具备生成和发送补偿后的DXF或PLT格式文件的功能。“补偿后”轮廓也是由坐标序列组成的，计算出补偿后的坐标序列，并增加文件头和尾标识符、加工速度标识符、主刀动作的标识符等，重新形成新的DXF或PLT文件。

本发明的数控机床轮廓加工半径误差补偿控制方法可大幅度提升数控机床轮廓加工精度，特别是提升了伺服刻字机在进行高速、小尺寸轮廓加工时的精度。

Claims (6)

1.一种数控机床轮廓加工半径误差补偿控制方法，所述数控机床包括电脑、数控系统和各个轴的进给伺服电机，所述数控系统包括插补控制器和各个轴的伺服驱动器，其特征在于，包括以下步骤：

1)、接收电脑端上位机软件发送的DXF或PLT格式的指令文件，所述指令文件中包括描述目标轮廓曲线在平面或者立体坐标系中的瞬时位置坐标序列、描述文件开始和结束的标志符、描述机床当前加工速度的标识符、描述主刀动作的标识符；接收所述数控系统反馈的各个轴伺服驱动器的前向通道增益值；

2)、根据步骤1)接收到的各个轴伺服驱动器的前向通道增益值K、机床当前加工速度v、目标轮廓曲线的瞬时位置坐标来计算目标轮廓曲线加工过程中的半径误差ΔR，在平面数控加工中，所述半径误差ΔR通过下式计算得到：

${\mathrm{\ϵ}}_x=\frac{v_x}{K_x},{\mathrm{\ϵ}}_y=\frac{v_y}{K_y},\mathrm{\ΔR}=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_x^2+{\mathrm{\ϵ}}_y^2},$ 式中，v_x和v_y分别为X轴和Y轴的机床加工速度，K_x和K_y分别为X轴和Y轴的前向通道增益值，其中，v_x和v_y根据机床当前加工速度v和瞬时位置坐标计算得到，ε_x和ε_y分别为X轴和Y轴的位置跟踪误差；

在三维数控加工中，所述半径误差ΔR通过下式计算得到：

${\mathrm{\ϵ}}_x=\frac{v_x}{K_x},{\mathrm{\ϵ}}_y=\frac{v_y}{K_y},{\mathrm{\ϵ}}_z=\frac{v_z}{K_z},\mathrm{\ΔR}=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_x^2+{\mathrm{\ϵ}}_y^2+{\mathrm{\ϵ}}_z^2},$ 式中，v_x、v_y和v_z分别为X轴、Y轴和Z轴的机床加工速度，K_x、K_y和K_z分别为X轴、Y轴和Z轴的前向通道增益值，其中，v_x、v_y和v_z根据机床当前加工速度v和瞬时位置坐标计算得到，ε_x、ε_y和ε_z分别为X轴、Y轴和Z轴的位置跟踪误差；

3)、根据步骤2)得到的所述半径误差ΔR对所述目标轮廓曲线进行补偿；

4)、根据步骤3)得到的补偿后的目标轮廓曲线生成并向数控系统发送补偿后的DXF或PLT格式的指令文件。

2.如权利要求1所述的数控机床轮廓加工半径误差补偿控制方法，其特征在于，步骤2)和步骤3)中所述目标轮廓曲线为直线、圆弧、抛物线或B样条曲线之一或它们的组合。

3.如权利要求1所述的数控机床轮廓加工半径误差补偿控制方法，其特征在于，步骤4)中所述的补偿后的DXF或PLT格式的指令文件包括描述补偿后的目标轮廓曲线在平面或者立体坐标系中的瞬时位置坐标序列、描述文件开始和结束的标志符、描述机床当前加工速度的标识符、描述主刀动作的标识符。

4.一种数控机床轮廓加工半径误差补偿控制装置，所述数控机床包括电脑、数控系统和各个轴的进给伺服电机，其特征在于，还包括位置跟踪误差补偿控制器，所述位置跟踪误差补偿控制器设置在所述电脑和所述数控系统之间，采用如权利要求1-3任一项所述的数控机床轮廓加工半径误差补偿控制方法。

5.如权利要求4所述的数控机床轮廓加工半径误差补偿控制装置，其特征在于，所述位置跟踪误差补偿控制器通过RS232串口、USB口或网口连接所述电脑。

6.如权利要求4所述的数控机床轮廓加工半径误差补偿控制装置，其特征在于，所述位置跟踪误差补偿控制器通过并口、RS232串口、USB口或网口连接所述数控系统。