CN108445836A - 新型移动龙门车床中高精度后处理加工误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及新型移动龙门车床中高精度后处理加工误差补偿方法，具体包括如下步骤：步骤一、明确非线性误差产生的机理；步骤二、构建工件加工过程中出现的非线性误差插补轨迹方程；步骤三、对加工过程中产生的非线性误差进行分析和计算，并通过补偿方法缩小产生的误差；步骤四、根据步骤一至步骤三进行分析，直到插入新的刀具点与前后两刀具点误差值小于设定的误差值为止。本发明的新型移动龙门机床后处理误差补偿方法，能够有效地提高工件的加工精度，杜绝以上出现的不足之处，与普通机床中后处理加工系统相比，还能够缩短工件加工时间，提高了工作效率和加工质量，提高了本公司的经济利益。

Description

新型移动龙门车床中高精度后处理加工误差补偿方法

技术领域

本发明涉及机械加工的领域，尤其是新型移动龙门车床中高精度后处理加工误差补偿方法。

背景技术

近年来我国数控加工机床在不断的增多，而且基于数控自动编程的各大三维软件其编程速度的高效性也在高速发展，各大厂商逐渐开始使用智能化数控加工技术来进行一些叶轮，叶片等复杂曲面零件的加工，从而高效解决了生产效率低，工件精度差等问题。日本、德国、美国是世界上数控化率处于前列的国家，同时也是技术上处于领先地位。其中，中、高档数控系统主要由以日本发那科公司和德国西门子公司为代表的少数企业所垄断。目前由于国内各大厂商根据自身的条件，如资金、厂房加工环境、加工技术等方面的问题，使得国内数控机床编程技术存在着许多问题，如加工精度较低、数控机床工作效率低下。因此，如何能数控加工技术发挥它在加工制造领域中的绝对优势，迫切需要开发新型的数控机床后置处理软件，而其中针对大型移动龙门机床的结构进行机床各运动轴的运动求解是关键。

本发明结合实际的机床设计和工件加工，提出一种新型移动龙门车床后处理加工误差补偿方法，属于后处理软件范畴，通过实际的应用验证了提出方法的有效性和正确性。本设计主要应用于大中型、超大型精密工件或设备的加工和制造，加工一类较为复杂的曲面或者精密零配件。以该方法为主要核心内容编写的数控机床后处理软件设计制造的数控机床，在电力装备、汽车、船舶、工程机械与农业机械等行业有着较为广阔的应用前景。

由于当前国内机床的发展，为了提高企业生产效率和经济水平，对机床的控制化率要求越来越高。机床数控技术，是一种基于机器自动程序控制机床的方法，从而采用编写的程序对零件进行自动加工，并实现加工零件的精密化、准确化、自动化。机床数控技术是1940年之后为了适应军工行业发展而兴起的一种高效自动化加工技术，主要用于机械加工行业。它涉及机械、计算机、电子电路等多门学科，是一门交叉综合性技术。经过随后的几十年的技术发展，德国、意大利、日本也开始了自己数控机床的研发，从而成为制造业中的大国。目前，根据相关数据统计，在国内市场方面，中国国产机床目前只有30％的数控化率，与发达国家60％～70％的水平存在很大差距。

因此，为了提高国内生产大中型数控机床水平，有必要针对如何提高数控机床中加工精度问题进行探究。数控车床的加工精度由数控系统的控制精度和车床的机械精度共同组成。针对加工过程中造成的误差原因，主要包括：(1)车床过热产生变形误差；(2)车床几何物理误差；(3)刀具几何参数的误差；(4)刀具磨损误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种新型移动龙门车床中高精度后处理加工误差补偿方法，在简化结构复杂而繁琐的工件加工过程前提下，还提高了零部件的加工效率和精度，和延长机床使用寿命。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：新型移动龙门车床中高精度后处理加工误差补偿方法，具体包括如下步骤：

步骤一、明确非线性误差产生的机理：数控编程的原则规定是假设工件是静止的，刀具是相对于静止的工件运动，由于旋转台与刀具的相对转动产生的非线性误差，刀具在工件上精准的位置难以确定，而刀位源文件中并没有对刀具实际加工切削时与工件的接触点的信息的描述，因此最大非线性误差产生的位置是不好精准把握的，相邻刀尖点间机床采用线性插补方式，其具体线性插补方式如下：

假定工件坐标系下的任意程序行处的刀位点坐标为O₁(x₁,y₁,z₁)，O₂(x₂,y₂,z₂)，并在O₁和O₂点间，数控系统采用线性插补方式进行了n次插补，将这(n-1)个刀尖点的坐标值进行插值得到的轨迹Q，而与理想中刀尖点的直线段轨迹L，产生的最大偏差用ξ_max来表示，其数学表达式为ξ_max＝max|Q-L|；

步骤二、构建工件加工过程中出现的非线性误差插补轨迹方程：

假设刀位源文件中相邻两个刀具点用P₀、P₁来表示,从而得到直线段P₀P₁，刀尖点从P₀运行至P₁过程中的存在这样的线性关系：

P_t＝P₀+t(P₁-P₀)

其中，Pt表示为在时间段t内，各个时刻处于工作坐标系下的刀具点，P₀、P₁和Pt在工件坐标系下表示为P₁＝(X1,Y1,Z1,A1,C1)T、P₀＝(X0,Y0,Z0,A0,C0)T，

并且需要说明的是，(*,#)^T表示为矩阵的转置，即

步骤三、对加工过程中产生的非线性误差进行分析和计算，并通过补偿方法缩小产生的误差：

采用大量数据并进行分析，利用有限元仿真软件Matlab进行计算，得出最大非线性误差发生在相邻两个刀位点的中间处，即t＝0.5时候，产生最大的非线性误差；

步骤四、根据步骤一至步骤三进行分析，得知：

P_t＝P₀+0.5(P₁-P₀)

那么，在此时刻下，采用海伦公式，可以得到P0、P1和Pt围成的三角形面积表示为：

其中，E＝|p₀-p₁|，F＝|p₁-p_t|，G＝|p₀-p_t|，m＝(E+F+G)/2。

因此，得到的最大误差可以表示为：

当λ_max超过原先设定误差数值时，则在两刀具点P₀、P₁中间插入一个新的刀具点Pn＝0.5(P₀+P₁)，插入的新刀具点Pn再次进入机床刀具运动参数处理步骤中，计算Pn机床中各运动轴运动量Pn＝(Xn,Yn,Zn,An,Cn)T，如果新插入的刀具点Pn与前刀具点P₀或者后刀具点P₁与Pt之间的误差仍然超过设定误差值，则再次在按照上述方法在P₀Pn或者PnP1间插入新的刀具点，直到插入新的刀具点与前后两刀具点误差值小于设定的误差值为止。

所述的设定的误差值小于等于1.5×10^-3mm。

本发明的有益效果是，本发明的新型移动龙门机床后处理误差补偿方法，能够有效地提高工件的加工精度，杜绝以上出现的不足之处，与普通机床中后处理加工系统相比，还能够缩短工件加工时间，提高了工作效率和加工质量，提高了本公司的经济利益。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的未加非线性误差补偿时的误差分布图；

图2是本发明的添加非线性误差补偿时的误差分布图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1和图2新型移动龙门车床中高精度后处理加工误差补偿方法，其特征是具体包括如下步骤：

步骤一、明确非线性误差产生的机理：由于旋转台与刀具的相对转动产生的非线性误差，刀具在工件上精准的位置难以确定，而刀位源文件中并没有对刀具实际加工切削时与工件的接触点的信息的描述，因此最大非线性误差产生的位置是不好精准把握的，相邻刀尖点间机床采用线性插补方式，其具体线性插补方式如下：

假定工件坐标系下的任意程序行处的刀位点坐标为O₁(x₁,y₁,z₁)，O₂(x₂,y₂,z₂)，并在O₁和O₂点间，数控系统采用线性插补方式进行了n次插补，将这(n-1)个刀尖点的坐标值进行插值得到的轨迹Q，而与理想中刀尖点的直线段轨迹L，产生的最大偏差用ξ_max来表示，其数学表达式为ξ_max＝max|Q-L|；

步骤二、构建工件加工过程中出现的非线性误差插补轨迹方程：

假设刀位源文件中相邻两个刀具点用P₀、P₁来表示,从而得到直线段P₀P₁，刀尖点从P₀运行至P₁过程中的存在这样的线性关系：

P_t＝P₀+t(P₁-P₀)

其中，Pt表示为在时间段t内，各个时刻处于工作坐标系下的刀具点，P₀、P₁和Pt在工件坐标系下表示为P₁＝(X1,Y1,Z1,A1,C1)T、P₀＝(X0,Y0,Z0,A0,C0)T，

并且需要说明的是，(*,#)^T表示为矩阵的转置，即

步骤三、对加工过程中产生的非线性误差进行分析和计算，并通过补偿方法缩小产生的误差：

采用大量数据并进行分析，利用有限元仿真软件Matlab进行计算，得出最大非线性误差发生在相邻两个刀位点的中间处，即t＝0.5时候，产生最大的非线性误差；

步骤四、根据步骤一至步骤三进行分析，得知：

P_t＝P₀+0.5(P₁-P₀)

那么，在此时刻下，采用海伦公式，可以得到P0、P1和Pt围成的三角形面积表示为：

其中，E＝|p₀-p₁|，F＝|p₁-p_t|，G＝|p₀-p_t|，m＝(E+F+G)/2。

因此，得到的最大误差可以表示为：

当λ_max超过原先设定误差数值时，则在两刀具点P₀、P₁中间插入一个新的刀具点Pn＝0.5(P₀+P₁)，插入的新刀具点Pn再次进入机床刀具运动参数处理步骤中，计算Pn机床中各运动轴运动量Pn＝(Xn,Yn,Zn,An,Cn)T，如果新插入的刀具点Pn与前刀具点P₀或者后刀具点P₁与Pt之间的误差仍然超过设定误差值，则再次在按照上述方法在P₀Pn或者PnP1间插入新的刀具点，直到插入新的刀具点与前后两刀具点误差值小于设定的误差值为止，设计过程中，充分考虑到实际的加工过程和刀具的运动轨迹，根据对加工工件体积大小、加工尺寸和精度等要求，初步计算主轴刀位路线，通过本发明采用的误差补偿方法，可以有效地提高工件加工精度，通过Ansysworkbench、Solidworks、Matlab等仿真软件和实际加工，得到图1和图2中所示的结果，其中图1表示未采用本发明方法计算得到的误差大小，而图2表示采用本发明得到的误差大小，通过两个情况下性能对比，采用本发明的后处理加工误差补偿方法的确可以有效非线性误差，并使其不超过1.5×10^-3mm，由此证明了本发明新型移动龙门车床中高精度后处理加工误差补偿方法的有效性和合理性。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (2)

1.一种新型移动龙门车床中高精度后处理加工误差补偿方法，其特征是具体包括如下步骤：

步骤一、明确非线性误差产生的机理：由于旋转台与刀具的相对转动产生的非线性误差，刀具在工件上精准的位置难以确定，相邻刀尖点间机床采用线性插补方式，其具体线性插补方式如下：

假定工件坐标系下的任意程序行处的刀位点坐标为O₁(x₁,y₁,z₁)，O₂(x₂,y₂,z₂)，并在O₁和O₂点间，数控系统采用线性插补方式进行了n次插补，将这(n-1)个刀尖点的坐标值进行插值得到的轨迹Q，而与理想中刀尖点的直线段轨迹L，产生的最大偏差用ξ_max来表示，其数学表达式为ξ_max＝max|Q-L|；

步骤二、构建工件加工过程中出现的非线性误差插补轨迹方程：

假设刀位源文件中相邻两个刀具点用P₀、P₁来表示,从而得到直线段P₀P₁，刀尖点从P₀运行至P₁过程中的存在这样的线性关系：

P_t＝P₀+t(P₁-P₀)

其中，Pt表示为在时间段t内，各个时刻处于工作坐标系下的刀具点，P₀、P₁和Pt在工件坐标系下表示为P₁＝(X1,Y1,Z1,A1,C1)T、P₀＝(X0,Y0,Z0,A0,C0)T，并且需要说明的是，(*,#)^T表示为矩阵的转置，即

步骤三、对加工过程中产生的非线性误差进行分析和计算，并通过补偿方法缩小产生的误差：

采用大量数据并进行分析，利用有限元仿真软件Matlab进行计算，得出最大非线性误差发生在相邻两个刀位点的中间处，即t＝0.5时候，产生最大的非线性误差；

步骤四、根据步骤一至步骤三进行分析，得知：

P_t＝P₀+0.5(P₁-P₀)

那么，在此时刻下，采用海伦公式，可以得到P0、P1和Pt围成的三角形面积表示为：

其中，E＝|p₀-p₁|，F＝|p₁-p_t|，G＝|p₀-p_t|，m＝(E+F+G)/2。

因此，得到的最大误差可以表示为：

当λ_max超过原先设定误差数值时，则在两刀具点P₀、P₁中间插入一个新的刀具点Pn＝0.5(P₀+P₁)，插入的新刀具点Pn再次进入机床刀具运动参数处理步骤中，计算Pn机床中各运动轴运动量Pn＝(Xn,Yn,Zn,An,Cn)T，如果新插入的刀具点Pn与前刀具点P₀或者后刀具点P₁与Pt之间的误差仍然超过设定误差值，则再次在按照上述方法在P₀Pn或者PnP1间插入新的刀具点，直到插入新的刀具点与前后两刀具点误差值小于设定的误差值为止。

2.根据权利要求1所述的新型移动龙门车床中高精度后处理加工误差补偿方法，其特征是：所述的设定的误差值小于等于1.5×10^-3mm。