CN106020114B - 一种数控机床综合误差可视化方法 - Google Patents

一种数控机床综合误差可视化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种数控机床综合误差可视化方法，包括：读取需加工的工件三维模型，选择相应的加工要求，得到相应的名义CL文件；数控机床后处理程序读取名义CL文件，得到相应的名义NC代码；将名义NC代码中各个轴的伺服进给量输入到数控机床综合误差模型中，得到机床加工此工件产生的综合误差；机床综合误差结合名义CL文件，得到能反映机床综合误差的CL文件；用误差CL文件对机床进行模拟仿真加工，得到包含机床误差的工件模型，从而实现机床综合误差的可视化。该发明适合于不同类型的数控机床，可以清楚地反映出机床误差对加工的影响程度，对后续的补偿措施以及加工参数的调整有重大指导意义，对于提高机床加工精度有很大帮助。

Description

一种数控机床综合误差可视化方法
技术领域
本发明涉及五轴数控机床误差领域，尤其涉及一种数控机床综合误差可视化方法。
背景技术
随着制造业的高速发展，数控机床的需求也越来越大。由于对产品的精度要求越来越高，数控机床的精度显得尤为重要。数控机床各种误差都会在一定程度上影响机床的加工精度，通过提高补偿各种误差来提高误差精度是一种有效地措施。机床误差包括机床热误差、几何误差、切削误差等，其中热误差和几何误差占70％左右。目前，机床误差建模技术已经比较成熟，机床误差模型可以计算出各个误差项对机床加工精度的最终影响。同时，根据机床误差模型建立的补偿技术也比较多样，根据误差模型计算出补偿量。机床的误差补偿技术可以很大程度的提高机床精度，但是机床的综合误差对加工精度影响可视化研究不是很多。
在对机床补偿前，可以对机床综合误差进行直观地分析研究，这就需要实现机床综合误差的可视化。因为考虑到补偿的经济效益，并不是所有的误差都需要进行补偿，将误差可视化后就可以直观地得到误差对精度的影响，然后再决定补偿策略，或者通过调整加工参数来提高机床加工精度。那么机床误差的可视化就具有特别的价值。
发明内容
本发明提供了一种适合于各种数控机床的通用综合误差可视化方法，其根据加工工件三维模型实现机床加工误差的可视化，直观地分析机床误差对加工工件的影响，对提高机床加工精度有指导意义。
一种数控机床综合误差可视化方法，包括如下步骤：
步骤1、根据需加工的工件三维模型，选择相应的加工要求，得到相应的刀位文件，即名义CL文件；
步骤2、根据数控机床后处理程序读取名义CL文件，得到相应的名义加工代码，即名义NC代码；
步骤3、将名义加工代码中各个轴的伺服进给量输入到数控机床综合误差模型中，得到机床加工此工件产生的机床综合误差；
步骤4、机床综合误差结合名义CL文件，得到包含机床误差的误差CL文件，即能反映机床综合误差的CL文件；
步骤5、用误差CL文件对机床进行模拟仿真加工，得到包含机床误差的工件模型，从而实现机床综合误差的可视化。
步骤1中可以利用CAM软件，选择合适的加工参数得到名义CL文件，如UG，PowerMill等；得到的名义CL文件，包括刀具位置信息和刀具姿态信息。
进一步地，步骤2中机床后处理程序与机床的类型有关，如三轴数控机床，四轴机床，以及五轴数控机床，如果是多轴数控机床(大于三轴)，与其旋转轴类型也有关。机床后处理程序根据机床正向运动学进行编写。得到的加工代码形式应与数控机床的数控系统相符，如G代码，L代码等,NC代码能够反映各个轴的伺服进给量。
进一步地，步骤3中数控机床综合误差模型与数控机床类型和具体结构有关，可包括机床几何误差、热误差、切削误差等。得到的综合误差包含刀具位置误差和姿态误差。
进一步地，所述步骤5中根据误差CL文件实现机床误差可视化的具体方法为：
步骤5.1、根据名义CL文件和误差CL文件中的刀具位置信息，重绘出工件模型，与原工件三维模型比较，即可实现基于CL文件的工件模型误差可视化；
步骤5.2、将误差CL文件输入到机床后处理程序中，得到反映机床综合误差的加工代码，即误差NC代码；
步骤5.3、根据名义NC代码和误差NC代码，利用CAM软件进行仿真加工，比较两者加工工件区别，从而实现基于加工代码的工件加工误差可视化效果。
进一步地，步骤5.1中模型重绘软件可以用MATLAB等实现；
进一步地，步骤5.3中CAM软件有Vericut、UG、PowerMill等；
本发明方法利用机床误差模型结合工件三维模型来实现机床综合误差的可视化，可以直观地反映机床误差对加工精度的影响，简单清楚。
本发明是数控机床综合误差可视化方法，具体的有益效果是：
结合加工工件三维模型，利用CAM软件实现模拟仿真机床的综合误差。该方法适合于不同的数控机床，可以清楚地反映出机床误差对加工的影响程度，对后续的补偿措施以及加工参数的调整有重大指导意义。
附图说明
图1为某加工工件三维模型；
图2为某CAFYXZ型五轴数控机床的结构示意图；
图3为名义CL文件和误差CL文件重绘工件模型比较图；
图4为名义NC代码和误差NC代码比较示意图；
图5a为名义NC代码加工仿真效果图；
图5b为误差NC代码加工仿真效果图；
图6为本发明数控机床综合误差可视化方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
附图6所示为本发明数控机床综合误差可视化方法流程图，附图1所示为某工件三维模型，附图2为某五轴数控机床结构示意图，以该机床加工图1工件为例，来阐述误差可视化方法。为了更方便的阐述该方法，本例子中只是针对机床的几何误差进行可视化。
步骤1、根据该工件三维模型，利用UG软件，设置相关精加工参数，得到相应的刀位文件，即名义CL文件；
步骤2、根据数控机床后处理程序读取名义CL文件，得到相应的名义加工代码，即名义NC代码。机床后处理程序可以根据机床正向运动学公式建立。
步骤3、将名义NC代码中各个轴的伺服进给量输入到数控机床综合误差模型中，得到机床加工此工件产生的综合误差。具体实施过程如下：
这里数控机床综合误差模型是指几何误差模型，建模过程如下：
(1)对于工件运动链，得到工作台相对于床身坐标系中的齐次转换矩阵为：
其中表示A轴相对于床身的齐次变换矩阵；表示C轴相对于A轴的齐次变换矩阵；表示工作台相对于C轴的齐次变换矩阵，为单位矩阵。
对于刀具运动链，得到刀具相对于床身坐标系中的齐次转换矩阵为：
其中表示Y轴相对于床身的齐次变换矩阵；表示X轴相对于Y轴的齐次变换矩阵；表示Z轴相对于X轴的齐次变换矩阵；Tt Z表示刀具相对于Z轴的齐次变换矩阵，这里为单位矩阵。
为了反映机床综合误差对加工工件精度的影响，误差模型应在工作台坐标系下进行表示，则需得到刀具在工作台坐标系下的齐次转换矩阵：
(2)考虑机床各个轴几何误差项，则各个部件(指加工机床的各个轴)的齐次变换矩阵为：
其中表示部件k相对部件j的包含误差项的齐次变换矩阵；表示理想的齐次变换矩阵，表示部件k的误差齐次矩阵，比如A轴和C轴的误差齐次矩阵为：
其中δij表示j轴i方向的线性误差；εij表示j轴i方向的转角误差，Sij表示i轴和j轴之间的垂直度误差。
根据式(1)和(2)，考虑各个部件的几何误差项，得到刀具在工作台坐标系下的包含机床所有几何误差项的齐次转换矩阵。
那么该五轴数控机床的几何误差模型为：
pe＝[px,py,pz,1]T＝(sTt w-iTt w)·[0,0,0,1]T (3)
ve＝[vx,vy,vz,1]T＝(sTt w-iTt w)·[0,0,1,0]T (4)
其中pe表示刀具位置误差，ve表示刀具姿态误差；sTt w表示刀具在工作台坐标系下的包含机床所有几何误差项的齐次转换矩阵，iTt w表示刀具在工作台坐标系下的包含机床的理想齐次转换矩阵。则刀具位置误差为：
px＝-cosγ·δxa-δxc-sinγ·δya+sinα·sinγ·(δzx+δzy+δzz-xεyy)
+cosγ·(-zSxz+δxx+δxy+δxz+z(εyx+εyy))-xsinγ·(Say+εza+εzc)
+y(sinα·(cosγ·Saz+Scx-sinγ·εxa+cosγ·εya+εyc)+cosα·cosγ·(Say+εza+εzc))
+z(-cosα·(cosγ·Saz+Scx-sinγ·εxa+cosγ·εya+εyc)+cosγ·sinα·(Say+εza+εzc))
+cosα·sinγ·(-xSxy-zSyz+δyx+δyy+δyz-z(εxx+εxy)+xεzy)
py＝sinγ·δxa-cosγ·δya-δyc+cosγ·sinα·(δzx+δzy+δzz-xεyy)
+sinγ·(-zSxz+δxx+δxy+δxz+zεyx+zεyy)-xcosγ·(Say+εza+εzc)
-y(sinα·(Scy+cosγ·εxa+εxc+sinγ·(Saz+εya))+cosα·sinγ·(Say+εza+εzc))
+z(cosα·(Scy+cosγ·εxa+εxc+sinγ·(Saz+εya))-sinα·sinγ·(Say+εza+εzc))
+cosα·cosγ·(-xSxy-zSyz+δyx+δyy+δyz-z(εxx+εxy)+xεzy)
pz＝-δza-δzc+x(Saz+sinγ·(Scy+εxc)+εya+cosγ·(Scx+εyc))
+ycosα·(-εxa-cosγ·(Scy+εxc)+sinγ·(Scx+εyc))
+zsinα·(-εxa-cosγ·(Scy+εxc)+sinγ·(Scx+εyc))+cosα·(δzx+δzy+δzz-xεyy)
-sinα·(-xSxy-zSyz+δyx+δyy+δyz-z(εxx+εxy)+xεzy)
刀具姿态误差为：
vx＝-cosα·sinγ·(εxx+εxy+εxz)-cosα·(cosγ·Saz+Scx-sinγ·εxa+cosγ·εya+εyc)
+cosγ·(εyx+εyy+εyz)+sinα·(cosγ·(Say+εza)+cosγ·εzc)
vy＝-cosα·cosγ·(εxx+εxy+εxz)+cosα·(Scy+cosγ·εxa+εxc+sinγ·(Saz+εya))
-sinγ·(εyx+εyy+εyz)+sinα·(-sinγ·(Say+εza)-sinγ·εzc)
vz＝sinα·(-εxa-cosγ·(Scy+εxc)+εxx+εxy+εxz+sinγ·(Scx+εyc))
α表示A轴转角，γ表示C轴转角，δij、εij、Sij定义同上。
(3)结合机床各个几何误差项数值，将名义NC代码中各个轴的伺服进给量，带入式(3)和式(4)中得到机床综合几何误差模型中，包括刀具位置误差和姿态误差，得到机床加工此工件产生的刀具位置误差和刀具姿态误差。其中机床各个几何误差项可以通过激光干涉仪、球杆仪等仪器测量得到。
步骤4、将得到刀具位置误差加上名义CL文件中的刀具位置信息，得到包含机床误差的误差CL文件中的刀具位置信息；将得到刀具姿态误差加上名义CL文件中的刀具姿态信息，得到包含机床误差的误差CL文件中的刀具姿态信息。
步骤5、用误差CL文件对机床进行模拟仿真加工，得到包含机床误差的工件模型，从而实现机床综合误差的可视化，具体步骤为：
步骤5.1、根据名义CL文件和误差CL文件中的刀具位置信息，用MATLAB软件重绘出这两个文件对应的工件模型，并与原工件三维模型比较，实现基于CL文件的工件模型误差可视化。附图3为工件模型比较图，可以直观得到误差对机床精度的影响。
步骤5.2、将误差CL文件重新输入到机床后处理程序中，得到反映机床综合误差的加工代码，即误差NC代码。附图4为名义NC代码和误差NC代码比较示意图。
步骤5.3、根据名义NC代码和误差NC代码，利用Vericut软件进行仿真加工，比较两者加工工件区别，从而实现基于加工代码的工件加工误差可视化效果。附图5a为名义NC代码加工仿真效果图，图5b为误差代码加工仿真效果。图5b与图5a比较可以发现，加工的工件精度降低，这些就是由于机床误差造成的。
本发明最后可以实现机床误差的可视化。附图只是一个优选实施例，上述的实施例只是为了描述本发明，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本方面的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种数控机床综合误差可视化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、读取需加工的工件三维模型，根据相应的加工要求，得到名义CL文件；
步骤2、数控机床后处理程序读取名义CL文件，得到名义NC代码；
步骤3、将名义NC代码中各个轴的伺服进给量输入到数控机床综合误差模型中，得到机床加工此工件产生的机床综合误差；
步骤4、机床综合误差结合名义CL文件，得到包含机床误差的误差CL文件；
步骤5、用误差CL文件对机床进行模拟仿真加工，得到包含机床误差的工件模型，从而实现机床综合误差的可视化；
所述步骤5中根据误差CL文件实现机床误差可视化的具体方法为：
步骤5.1、根据名义CL文件和误差CL文件中的刀具位置信息，重绘出工件模型，与原工件三维模型比较，实现基于CL文件的工件模型误差可视化；
步骤5.2、将误差CL文件输入到机床后处理程序中，得到反映机床综合误差的误差NC代码；
步骤5.3、根据名义NC代码和误差NC代码，利用CAM软件进行仿真加工，比较两者加工工件区别，实现基于加工代码的工件加工误差可视化。
2.根据权利要求1所述的数控机床综合误差可视化方法，其特征在于，所述步骤1中采用的软件为UG或PowerMill，得到的名义CL文件，包括刀具位置信息和刀具姿态信息。
3.根据权利要求1所述的数控机床综合误差可视化方法，其特征在于，所述步骤2中机床后处理程序根据机床正向运动学进行编写。
4.根据权利要求1所述的数控机床综合误差可视化方法，其特征在于，所述步骤3中得到的机床综合误差包括刀具位置误差和刀具姿态误差。
5.根据权利要求4所述的数控机床综合误差可视化方法，其特征在于，所述步骤4具体为：将得到的刀具位置误差加上名义CL文件中的刀具位置信息，得到包含机床误差的误差CL文件中的刀具位置信息；将得到刀具姿态误差加上名义CL文件中的刀具姿态信息，得到包含机床误差的误差CL文件中的刀具姿态信息。
6.根据权利要求1所述的数控机床综合误差可视化方法，其特征在于，步骤5.1中工件模型重绘软件为MATLAB或犀牛。
7.根据权利要求1所述的数控机床综合误差可视化方法，其特征在于，步骤5.3中CAM软件为Vericut、UG或PowerMill。
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