CN106735581A - Ac五轴水切割误差补偿的方法及系统 - Google Patents

Ac五轴水切割误差补偿的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种AC五轴水切割误差补偿的方法，包括以下步骤：(1)确定第一试切刀路并按照所述的第一试切刀路垂直加工出第一工件(2)按照所述的第一试切刀路加工出第二工件；(3)将所述的俯视面轴对称并逆时针旋转90°作为第二试切刀路，并按照所述的第二试切刀路以倾角V1加工出第三工件；(4)分别测量所述的第一工件、第二工件和第三工件的第二矩形的宽度，并分别记为L1、L2和L3，将刀头结构中A轴与C轴的夹角记录为V2；(5)根据V1、V2、L1、L2和L3进行误差补偿，还包括一种AC五轴水切割误差补偿的系统。采用该方法及系统，解决了无刀长AC五轴水切割头机构误差带来的加工变形问题，提高加工精度，具有更广泛的应用范围。

Description

AC五轴水切割误差补偿的方法及系统
技术领域
本发明涉及数控加工软件技术领域，尤其涉及五轴水切割技术领域，具体是指一种AC五轴水切割误差补偿的方法及系统。
背景技术
随着水切割市场对加工工艺要求的增高，例如：要有更高精度的拼花工艺，水切割应用逐渐偏向五轴来满足更高难度的工艺要求。
机床在组装过程中不可避免的会出现机构误差，机构误差在五轴联动加工时，会导致加工出来的工件变形，这种变形不仅是尺寸的整体放大或缩小，而是不同地方的变形方向和大小都跟当前旋转轴的角度和大小有关，所以补偿功能显得极为重要。
五轴机床由于结构复杂，导致可能出现多种误差，而想分别准确的测量出各误差大小是非常困难的。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种能够实现对机构误差进行补偿的AC五轴水切割误差补偿的方法及系统。
为了实现上述目的，本发明具有如下构成：
该AC五轴水切割误差补偿的方法，包括以下步骤：
(1)确定第一试切刀路并按照所述的第一试切刀路垂直加工出第一工件，所述的第一工件为柱体，且所述的柱体的俯视面至少包括第一矩形、第二矩形和第三矩形，所述的第一矩形与所述的第三矩形相互平行且均与所述的第二矩形垂直连接，并位于所述的第二矩形的两侧；
(2)按照所述的第一试切刀路以倾角V1加工出第二工件；
(3)将所述的俯视面轴对称并逆时针旋转90°作为第二试切刀路，并按照所述的第二试切刀路以倾角V1加工出第三工件；
(4)分别测量所述的第一工件、第二工件和第三工件的第二矩形的宽度，并分别记为L1、L2和L3，将刀头结构中A轴与C轴的夹角记录为V2；
(5)根据V1、V2、L1、L2和L3进行误差补偿。
较佳地，所述的步骤(5)包括以下步骤：
(4-1)根据以下公式计算刀轴矢量IJK：
IJK[i](0,0)＝tan(V3)*Vec[i](0,0)/|Vec[i]|；
IJK[i](0,1)＝tan(V3)*Vec[i](0,1)/|Vec[i]|；
IJK[i](0,2)＝-1；
其中，Vec[i](i＝0,1)为Vec数组的第i个元素，且Vec[0]＝[-1,1]，Vec[1]＝[1,-1]，Vec[i]为XoY平面上的方向矢量，V3为所述的方向矢量与Z轴的夹角，i＝1,2，IJK[i](j,k)为矩阵IJK[i]中的第j行第k列元素，j＝0,k＝1,2,3，|Vec[i]|为向量的模长；
(4-2)根据刀轴矢量IJK分别求出对应的A轴和C轴转角ABC，其中ABC[i](0,0)为ABC第i个元素的A轴转角，ABC[i](0,2)为ABC第i个元素的C轴转角，ABC[i](0,1)＝0；
(4-3)根据V2和ABC求出旋转矩阵Rot；
(4-4)根据以下公式计算变换系数Coe：
Coe＝Rot[0]-Rot[1]；
(4-5)根据以下公式计算尺寸变化值C：
C[0]＝L2-L1；
C[1]＝L3-L1；
(4-6)根据以下公式计算误差值E：
E[0]＝Nx/Dx；
E[1]＝-Ny/Dx；
E[2]＝0；
Nx＝C[0]*Coe(1,1)-C[1]*Coe(0,1)；
Ny＝C[0]*Coe(1,0)-C[1]*Coe(0,0)，Dx＝Coe(0,0)*Coe(1,1)-Coe(1,0)*Coe(0,1)；
(4-7)令插补前后的AC转角分别为ABCp和ABCn，根据ABCp和ABCn得到插补前后的的旋转矩阵Rotp和Rotn；
(4-8)根据以下公式计算补偿量Comp：
Comp＝E*(Rotp-Rotn)。
还包括一种通过上述方法实现AC五轴水切割误差补偿的系统，所述的系统包括：
五轴机床，用于通过无刀长AC五轴水切割头加工工件；
误差补偿模块，用于计算误差和补偿量，并控制五轴机床；
所述的计算误差和补偿量，具体为：
(1)确定第一试切刀路并按照所述的第一试切刀路垂直加工出第一工件，所述的第一工件为柱体，且所述的柱体的俯视面至少包括第一矩形、第二矩形和第三矩形，所述的第一矩形与所述的第三矩形相互平行且均与所述的第二矩形垂直连接，并位于所述的第二矩形的两侧；
(2)按照所述的第一试切刀路以倾角V1加工出第二工件；
(3)将所述的俯视面轴对称并逆时针旋转90°作为第二试切刀路，并按照所述的第二试切刀路以倾角V1加工出第三工件；
(4)分别测量所述的第一工件、第二工件和第三工件的第二矩形的宽度，并分别记为L1、L2和L3，将刀头结构中A轴与C轴的夹角记录为V2；
(5)根据V1、V2、L1、L2和L3进行误差补偿。
较佳地，所述的根据V1、V2、L1、L2和L3进行误差补偿，具体为：
(4-1)根据以下公式计算刀轴矢量IJK：
IJK[i](0,0)＝tan(V3)*Vec[i](0,0)/|Vec[i]|；
IJK[i](0,1)＝tan(V3)*Vec[i](0,1)/|Vec[i]|；
IJK[i](0,2)＝-1；
其中，Vec[i](i＝0,1)为Vec数组的第i个元素，且Vec[0]＝[-1,1]，Vec[1]＝[1,-1]，Vec[i]为XoY平面上的方向矢量，V3为所述的方向矢量与Z轴的夹角，i＝1,2，IJK[i](j,k)为矩阵IJK[i]中的第j行第k列元素，j＝0,k＝1,2,3，|Vec[i]|为向量的模长；
(4-2)根据刀轴矢量IJK分别求出对应的A轴和C轴转角ABC，其中ABC[i](0,0)为ABC第i个元素的A轴转角，ABC[i](0,2)为ABC第i个元素的C轴转角，ABC[i](0,1)＝0；
(4-3)根据V2和ABC求出旋转矩阵Rot；
(4-4)根据以下公式计算变换系数Coe：
Coe＝Rot[0]-Rot[1]；
(4-5)根据以下公式计算尺寸变化值C：
C[0]＝L2-L1；
C[1]＝L3-L1；
(4-6)根据以下公式计算误差值E：
E[0]＝Nx/Dx；
E[1]＝-Ny/Dx；
E[2]＝0；
Nx＝C[0]*Coe(1,1)-C[1]*Coe(0,1)；
Ny＝C[0]*Coe(1,0)-C[1]*Coe(0,0)；Dx＝Coe(0,0)*Coe(1,1)-Coe(1,0)*Coe(0,1)；
(4-7)令插补前后的AC转角分别为ABCp和ABCn，根据ABCp和ABCn得到插补前后的的旋转矩阵Rotp和Rotn；
(4-8)根据以下公式计算补偿量Comp：
Comp＝E*(Rotp-Rotn)。
采用了该发明中的AC五轴水切割误差补偿的方法及系统，解决了无刀长AC五轴水切割头机构误差带来的加工变形问题，通过更高精度的加工工艺使得五轴水切割具有更广泛的应用范围。
附图说明
图1为本发明的AC五轴水切割误差补偿的方法的第一试切刀路的俯视面示意图。
图2为本发明的AC五轴水切割误差补偿的方法的第二试切刀路的俯视面示意图。
图3为本发明的AC五轴水切割误差补偿的系统的五轴机床的示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
该AC五轴水切割误差补偿的方法，包括以下步骤：
(1)确定第一试切刀路并按照所述的第一试切刀路垂直加工出第一工件，所述的第一工件为柱体，且所述的柱体的俯视面至少包括第一矩形、第二矩形和第三矩形，所述的第一矩形与所述的第三矩形相互平行且均与所述的第二矩形垂直连接，并位于所述的第二矩形的两侧；
(2)按照所述的第一试切刀路以倾角V1加工出第二工件；
(3)将所述的俯视面轴对称并逆时针旋转90°作为第二试切刀路，并按照所述的第二试切刀路以倾角V1加工出第三工件；
(4)分别测量所述的第一工件、第二工件和第三工件的第二矩形的宽度，并分别记为L1、L2和L3，将刀头结构中A轴与C轴的夹角记录为V2；
(5)根据V1、V2、L1、L2和L3进行误差补偿。
较佳地，所述的步骤(5)包括以下步骤：
(4-1)根据以下公式计算刀轴矢量IJK：
IJK[i](0,0)＝tan(V3)*Vec[i](0,0)/|Vec[i]|；
IJK[i](0,1)＝tan(V3)*Vec[i](0,1)/|Vec[i]|；
IJK[i](0,2)＝-1；
其中，Vec[i](i＝0,1)为Vec数组的第i个元素，且Vec[0]＝[-1,1]，Vec[1]＝[1,-1]，Vec[i]为XoY平面上的方向矢量，V3为所述的方向矢量与Z轴的夹角，i＝1,2，IJK[i](j,k)为矩阵IJK[i]中的第j行第k列元素，j＝0,k＝1,2,3，|Vec[i]|为向量的模长；
(4-2)根据刀轴矢量IJK分别求出对应的A轴和C轴转角ABC，其中ABC[i](0,0)为ABC第i个元素的A轴转角，ABC[i](0,2)为ABC第i个元素的C轴转角，ABC[i](0,1)＝0；
(4-3)根据V2和ABC求出旋转矩阵Rot；
(4-4)根据以下公式计算变换系数Coe：
Coe＝Rot[0]-Rot[1]；
(4-5)根据以下公式计算尺寸变化值C：
C[0]＝L2-L1；
C[1]＝L3-L1；
(4-6)根据以下公式计算误差值E：
E[0]＝Nx/Dx；
E[1]＝-Ny/Dx；
E[2]＝0；
Nx＝C[0]*Coe(1,1)-C[1]*Coe(0,1)；
Ny＝C[0]*Coe(1,0)-C[1]*Coe(0,0)；Dx＝Coe(0,0)*Coe(1,1)-Coe(1,0)*Coe(0,1)；
(4-7)令插补前后的AC转角分别为ABCp和ABCn，根据ABCp和ABCn得到插补前后的的旋转矩阵Rotp和Rotn；
(4-8)根据以下公式计算补偿量Comp：
Comp＝E*(Rotp-Rotn)。
还包括一种通过上述方法实现AC五轴水切割误差补偿的系统，所述的系统包括：
五轴机床，用于通过无刀长AC五轴水切割头加工工件；
误差补偿模块，用于计算误差和补偿量，并控制五轴机床；
所述的计算误差和补偿量，具体为：
(1)确定第一试切刀路并按照所述的第一试切刀路垂直加工出第一工件，所述的第一工件为柱体，且所述的柱体的俯视面至少包括第一矩形、第二矩形和第三矩形，所述的第一矩形与所述的第三矩形相互平行且均与所述的第二矩形垂直连接，并位于所述的第二矩形的两侧；
(2)按照所述的第一试切刀路以倾角V1加工出第二工件；
(3)将所述的俯视面轴对称并逆时针旋转90°作为第二试切刀路，并按照所述的第二试切刀路以倾角V1加工出第三工件；
(4)分别测量所述的第一工件、第二工件和第三工件的第二矩形的宽度，并分别记为L1、L2和L3，将刀头结构中A轴与C轴的夹角记录为V2；
(5)根据V1、V2、L1、L2和L3进行误差补偿。
较佳地，所述的根据V1、V2、L1、L2和L3进行误差补偿，具体为：
(4-1)根据以下公式计算刀轴矢量IJK：
IJK[i](0,0)＝tan(V3)*Vec[i](0,0)/|Vec[i]|；
IJK[i](0,1)＝tan(V3)*Vec[i](0,1)/|Vec[i]|；
IJK[i](0,2)＝-1；
其中，Vec[i](i＝0,1)为Vec数组的第i个元素，且Vec[0]＝[-1,1]，Vec[1]＝[1,-1]，Vec[i]为XoY平面上的方向矢量，V3为所述的方向矢量与Z轴的夹角，i＝1,2，IJK[i](j,k)为矩阵IJK[i]中的第j行第k列元素，j＝0,k＝1,2,3，|Vec[i]|为向量的模长；
(4-2)根据刀轴矢量IJK分别求出对应的A轴和C轴转角ABC，其中ABC[i](0,0)为ABC第i个元素的A轴转角，ABC[i](0,2)为ABC第i个元素的C轴转角，ABC[i](0,1)＝0；
(4-3)根据V2和ABC求出旋转矩阵Rot；
(4-4)根据以下公式计算变换系数Coe：
Coe＝Rot[0]-Rot[1]；
(4-5)根据以下公式计算尺寸变化值C：
C[0]＝L2-L1；
C[1]＝L3-L1；
(4-6)根据以下公式计算误差值E：
E[0]＝Nx/Dx；
E[1]＝-Ny/Dx；
E[2]＝0；
Nx＝C[0]*Coe(1,1)-C[1]*Coe(0,1)；
Ny＝C[0]*Coe(1,0)-C[1]*Coe(0,0)，Dx＝Coe(0,0)*Coe(1,1)-Coe(1,0)*Coe(0,1)；
(4-7)令插补前后的AC转角分别为ABCp和ABCn，根据ABCp和ABCn得到插补前后的的旋转矩阵Rotp和Rotn；
(4-8)根据以下公式计算补偿量Comp：
Comp＝E*(Rotp-Rotn)。
在一种具体的实施方式中，垂直加工如图1所示的试切刀路，把加工出来的工件的A的宽度值测量出来，记录为L1；
1、带倾角V1地加工如图1和图2所示的试切刀路，把加工出来的工件的A、C的宽度值测量出来，记录为L2、L3，刀头结构中A轴与C轴的夹角记录为V2；
2、Vec是一个数组，Vec[i](i＝0,1)表示Vec数组的第i个元素，且Vec[0]＝[-1,1]，Vec[1]＝[1,-1]，Vec[i]表示XoY平面上的方向矢量，用该方向矢量以及与Z轴夹角就可以求出对应的刀轴矢量IJK。IJK也是数组，对应Vec。其中：
IJK[i](0,0)＝tan(V3)*Vec[i](0,0)/|Vec[i]|；
IJK[i](0,1)＝tan(V3)*Vec[i](0,1)/|Vec[i]|，
IJK[i](0,2)＝-1，
其中i＝1,2，IJK[i](j,k)表示IJK[i]是一个矩阵，取该矩阵中的第j行第k列元素，j＝0,k＝1,2,3，|Vec[i]|表示向量的模长；
3、根据刀轴矢量IJK分别求出对应的A轴和C轴转角ABC，ABC也是数组，其中ABC[i](0,0)表示ABC第i个元素的A轴转角，ABC[i](0,2)表示ABC第i个元素的C轴转角，ABC[i](0,1)＝0；
4、根据A轴与C轴的夹角V2和上面求出的转角ABC，分别求出旋转矩阵Rot，Rot也是数组；
5、根据两个旋转矩阵求出变换系数Coe＝Rot[0]-Rot[1]，Coe是一个3*3维的矩阵；
6、根据L1、L2、L3求出两个尺寸变化值C，C也是数组，其中C[0]＝L2-L1，C[1]＝L3-L1；
7、根据变换矩阵和尺寸变化值就能得到误差值E，E也是数组，其中
E[0]＝Nx/Dx；
E[1]＝-Ny/Dx；
E[2]＝0；
Nx＝C[0]*Coe(1,1)-C[1]*Coe(0,1)；
Ny＝C[0]*Coe(1,0)-C[1]*Coe(0,0)；
Dx＝Coe(0,0)*Coe(1,1)-Coe(1,0)*Coe(0,1)；
8、在插补过程中，每个插补命令中有各个轴在当前插补周期中的位移，即Step，Step[0]表示X轴的位移，Step[1]表示Y轴的位移，Step[2]表示Z轴的位移，Step[3]表示A轴的位移，Step[4]表示C轴的位，已知每个插补命令Step前的机床各个轴的当前机械坐标，再根据Step也就能知道插补后的各个轴的机械坐标，令插补前后的AC转角分别为ABCp和ABCn，分别得到对应的旋转矩阵Rotp和Rotn，也就能求得每个插补命令的补偿量Comp＝E*(Rotp-Rotn)，然后令真实发送的各个轴的插补位移为：
Stept(0,0:2)＝Step(0,0:2)+Comp；
Stept(0,3:4)＝Step(0,3:4)；
其中：Stept(k,i:j)＝[Stept(k,i),Stept(k,i+1),...,Stept(k,j)]表示第k行第i列到第j列元素组成的矩阵。
本发明的AC五轴水切割误差补偿的系统的五轴机床如图3所示。
采用了该发明中的AC五轴水切割误差补偿的方法及系统，解决了无刀长AC五轴水切割头机构误差带来的加工变形问题，通过更高精度的加工工艺使得五轴水切割具有更广泛的应用范围。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (4)

1.一种AC五轴水切割误差补偿的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
(1)确定第一试切刀路并按照所述的第一试切刀路垂直加工出第一工件，所述的第一工件为柱体，且所述的柱体的俯视面至少包括第一矩形、第二矩形和第三矩形，所述的第一矩形与所述的第三矩形相互平行且均与所述的第二矩形垂直连接，并位于所述的第二矩形的两侧；
(2)按照所述的第一试切刀路以倾角V1加工出第二工件；
(3)将所述的俯视面轴对称并逆时针旋转90°作为第二试切刀路，并按照所述的第二试切刀路以倾角V1加工出第三工件；
(4)分别测量所述的第一工件、第二工件和第三工件的第二矩形的宽度，并分别记为L1、L2和L3，将刀头结构中A轴与C轴的夹角记录为V2；
(5)根据V1、V2、L1、L2和L3进行误差补偿。
2.根据权利要求1所述的AC五轴水切割误差补偿的方法，其特征在于，所述的步骤(5)包括以下步骤：
(4-1)根据以下公式计算刀轴矢量IJK：
IJK[i](0,0)＝tan(V3)*Vec[i](0,0)/|Vec[i]|；
IJK[i](0,1)＝tan(V3)*Vec[i](0,1)/|Vec[i]|；
IJK[i](0,2)＝-1；
V 3 = V 1 * 2 ;
其中，Vec[i](i＝0,1)为Vec数组的第i个元素，且Vec[0]＝[-1,1]，Vec[1]＝[1,-1]，Vec[i]为XoY平面上的方向矢量，V3为所述的方向矢量与Z轴的夹角，i＝1,2，IJK[i](j,k)为矩阵IJK[i]中的第j行第k列元素，j＝0,k＝1,2,3，|Vec[i]|为向量的模长；
(4-2)根据刀轴矢量IJK分别求出对应的A轴和C轴转角ABC，其中ABC[i](0,0)为ABC第i个元素的A轴转角，ABC[i](0,2)为ABC第i个元素的C轴转角，ABC[i](0,1)＝0；
(4-3)根据V2和ABC求出旋转矩阵Rot；
(4-4)根据以下公式计算变换系数Coe：
Coe＝Rot[0]-Rot[1]；
(4-5)根据以下公式计算尺寸变化值C：
C[0]＝L2-L1；
C[1]＝L3-L1；
(4-6)根据以下公式计算误差值E：
E[0]＝Nx/Dx；
E[1]＝-Ny/Dx；
E[2]＝0；
Nx＝C[0]*Coe(1,1)-C[1]*Coe(0,1)；
Ny＝C[0]*Coe(1,0)-C[1]*Coe(0,0)；Dx＝Coe(0,0)*Coe(1,1)-Coe(1,0)*Coe(0,1)；
(4-7)令插补前后的AC转角分别为ABCp和ABCn，根据ABCp和ABCn得到插补前后的的旋转矩阵Rotp和Rotn；
(4-8)根据以下公式计算补偿量Comp：
Comp＝E*(Rotp-Rotn)。
3.一种通过权利要求1所述的方法实现AC五轴水切割误差补偿的系统，其特征在于，所述的系统包括：
五轴机床，用于通过无刀长AC五轴水切割头加工工件；
误差补偿模块，用于计算误差和补偿量，并控制五轴机床；
所述的计算误差和补偿量，具体为：
(1)确定第一试切刀路并按照所述的第一试切刀路垂直加工出第一工件，所述的第一工件为柱体，且所述的柱体的俯视面至少包括第一矩形、第二矩形和第三矩形，所述的第一矩形与所述的第三矩形相互平行且均与所述的第二矩形垂直连接，并位于所述的第二矩形的两侧；
(2)按照所述的第一试切刀路以倾角V1加工出第二工件；
(3)将所述的俯视面轴对称并逆时针旋转90°作为第二试切刀路，并按照所述的第二试切刀路以倾角V1加工出第三工件；
(4)分别测量所述的第一工件、第二工件和第三工件的第二矩形的宽度，并分别记为L1、L2和L3，将刀头结构中A轴与C轴的夹角记录为V2；
(5)根据V1、V2、L1、L2和L3进行误差补偿。
4.根据权利要求3所述的AC五轴水切割误差补偿的系统，其特征在于，所述的根据V1、V2、L1、L2和L3进行误差补偿，具体为：
(4-1)根据以下公式计算刀轴矢量IJK：
IJK[i](0,0)＝tan(V3)*Vec[i](0,0)/|Vec[i]|；
IJK[i](0,1)＝tan(V3)*Vec[i](0,1)/|Vec[i]|；
IJK[i](0,2)＝-1；
V 3 = V 1 * 2 ;
其中，Vec[i](i＝0,1)为Vec数组的第i个元素，且Vec[0]＝[-1,1]，Vec[1]＝[1,-1]，Vec[i]为XoY平面上的方向矢量，V3为所述的方向矢量与Z轴的夹角，i＝1,2，IJK[i](j,k)为矩阵IJK[i]中的第j行第k列元素，j＝0,k＝1,2,3，|Vec[i]|为向量的模长；
(4-2)根据刀轴矢量IJK分别求出对应的A轴和C轴转角ABC，其中ABC[i](0,0)为ABC第i个元素的A轴转角，ABC[i](0,2)为ABC第i个元素的C轴转角，ABC[i](0,1)＝0；
(4-3)根据V2和ABC求出旋转矩阵Rot；
(4-4)根据以下公式计算变换系数Coe：
Coe＝Rot[0]-Rot[1]；
(4-5)根据以下公式计算尺寸变化值C：
C[0]＝L2-L1；
C[1]＝L3-L1；
(4-6)根据以下公式计算误差值E：
E[0]＝Nx/Dx；
E[1]＝-Ny/Dx；
E[2]＝0；
Nx＝C[0]*Coe(1,1)-C[1]*Coe(0,1)；
Ny＝C[0]*Coe(1,0)-C[1]*Coe(0,0)；Dx＝Coe(0,0)*Coe(1,1)-Coe(1,0)*Coe(0,1)；
(4-7)令插补前后的AC转角分别为ABCp和ABCn，根据ABCp和ABCn得到插补前后的的旋转矩阵Rotp和Rotn；
(4-8)根据以下公式计算补偿量Comp：
Comp＝E*(Rotp-Rotn)。
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