CN109471408B - 基于nc代码重构的三轴机床几何误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于NC代码重构的三轴机床几何误差补偿方法，用于解决现有几何误差补偿方法实用性差的技术问题。技术方案是首先根据数控机床结构和类型建立数控机床拓扑结构和开环运动链，然后在机床基座上创建基坐标系W，再分别在X、Y、Z轴溜板、刀具和工件上分别创建局部坐标系，根据不同直角坐标系之间的运动变换关系建立无几何误差情况下和存在几何误差情况下建立坐标系之间齐次坐标变换矩阵转换关系，通过NC代码重构的方法进行三轴机床几何误差补偿，将经过重构的NC代码在机床上进行加工，实现对机床几何误差的补偿。本发明采用NC代码重构，在不改变机床硬件结构的情况下提高了机床的加工精度，实用性好。

Description

基于NC代码重构的三轴机床几何误差补偿方法

技术领域

本发明涉及一种几何误差补偿方法，特别是涉及一种基于NC代码重构的三轴机床几何误差补偿方法。

背景技术

文献Khan A，Chen W(2011)A methodology for systematic geometric errorcompensation in five-axis machine tools.The International Journal of AdvancedManufacturing Technology53(5-8):615-628公布了一种修正刀位点数据结合迭代法来实现几何误差补偿的方法，该方法将几何误差修正到刀位文件中，输入后得到NC代码，然后根据新NC代码计算几何误差，判断是否满足精度要求，如不满足则进行新一轮的修正，一直迭代到满足精度要求为止。但这种方法需要工件的刀位文件，同时涉及到后处理程序的编写，繁琐且无法避免迭代过程中不收敛问题。

发明内容

为了克服现有几何误差补偿方法实用性差的不足，本发明提供一种基于NC代码重构的三轴机床几何误差补偿方法。该方法首先根据数控机床结构和类型建立数控机床拓扑结构和开环运动链，然后在机床基座上创建基坐标系W，再分别在X、Y、Z轴溜板、刀具和工件上分别创建局部坐标系，根据不同直角坐标系之间的运动变换关系建立无几何误差情况下和存在几何误差情况下建立坐标系之间齐次坐标变换矩阵转换关系，通过NC代码重构的方法进行三轴机床几何误差补偿，将经过重构的NC代码在机床上进行加工，实现对机床几何误差的补偿。本发明采用NC代码重构，在不改变机床硬件结构的情况下提高了机床的加工精度，实用性好。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于NC代码重构的三轴机床几何误差补偿方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、根据数控机床结构和类型建立数控机床拓扑结构和开环运动链。

步骤二、在机床基座上创建基坐标系W，然后分别在X、Y、Z轴溜板、刀具和工件上分别创建局部坐标系，局部坐标系方向与基坐标系方向一致。

步骤三、根据不同直角坐标系之间的运动变换关系，建立无几何误差情况下和存在几何误差情况下，坐标系之间齐次坐标变换矩阵转换关系。

步骤四、把步骤三建立坐标系之间齐次坐标变换矩阵转换关系代入到由工件坐标系到参考坐标系的运动链和刀具坐标系到参考坐标系的运动链，得到在工件坐标系的工件点坐标相对于参考坐标系的误差矩阵^RT_W和刀具坐标系内刀尖点坐标相对于参考坐标系的误差矩阵为^RT_T。刀具刀尖点和工件加工点在参考坐标系中的相对误差模型为：

^RP_e＝^R[X_e Y_e Z_e 1]^T＝^RT_W-^RT_T

步骤五、把加工工件输入到CAM软件，得到加工工件的NC数控程序代码。

步骤六、将加工工件的NC数控程序代码以及三轴数控机床的几何误差值，代入到步骤四刀具刀尖点和工件加工点在参考坐标系中的相对误差模型，得到每一行NC数控程序代码中刀尖点相对于每一个加工点在参考坐标系下三个坐标方向的误差值X_e、Y_e、Z_e。

步骤七、通过NC数控程序代码重构的方法进行三轴机床几何误差补偿。由原始的每一行中的NC数控程序代码X、Y、Z加上由步骤六得到的对应的误差值X_e、Y_e、Z_e，得到误差补偿后的NC数控程序代码X^*、Y^*、Z^*。具体公式如下：

步骤八、把经过重构的NC数控程序代码在机床上进行加工，实现对机床几何误差的补偿。

本发明的有益效果是：该方法首先根据数控机床结构和类型建立数控机床拓扑结构和开环运动链，然后在机床基座上创建基坐标系W，再分别在X、Y、Z轴溜板、刀具和工件上分别创建局部坐标系，根据不同直角坐标系之间的运动变换关系建立无几何误差情况下和存在几何误差情况下建立坐标系之间齐次坐标变换矩阵转换关系，通过NC代码重构的方法进行三轴机床几何误差补偿，将经过重构的NC代码在机床上进行加工，实现对机床几何误差的补偿。本发明采用NC代码重构，在不改变机床硬件结构的情况下提高了机床的加工精度，实用性好。

下面结合具体实施方式对本发明作详细说明。

具体实施方式

本实施例选用的机床为FXYZ型三轴立式铣床。选用的球头刀刀具长度为L＝210mm。

基于NC代码重构的三轴机床几何误差补偿方法具体步骤如下：

步骤1、根据数控机床结构和类型建立数控机床拓扑结构和开环运动链：该机床为FXYZ型三轴立式铣床，开环运动链为刀具运动链依次为刀具、Z轴、工作台。工件运动链依次为工件、Y轴、X轴、工作台。

步骤2、在机床基座上创建基坐标系W，然后分别在X、Y、Z轴溜板、刀具，工件上分别创建局部坐标系，方向与基坐标系方向一致。将基准坐标系W的原点设于工件坐标系原点重合，消除原点便宜因为的误差。X轴、Y轴坐标系原点与基准坐标系重合方向一致。初始Z轴坐标系沿参考坐标系Z方向上偏移H＝508mm。

步骤3、根据不同直角坐标系之间的运动变换关系建立无几何误差情况下和存在几何误差情况下建立坐标系之间齐次坐标变换矩阵转换关系。

Z轴坐标系相对于参考坐标系R的齐次坐标变换矩阵^RT_Z为：

Z轴溜板相对于Z轴参考坐标系的存在几何误差情况下的齐次变换矩阵为：

其中ε_zz、ε_yz、ε_xz、δ_xz、δ_yz、δ_zz分别表示Z轴溜板沿导轨运动时产生的滚转角误差、偏摆角误差、俯仰角误差、水平直线度误差、垂直直线度误差和定位误差。

刀具刀尖点相对于Z轴参考坐标系的坐标变换矩阵为：

其中Z表示工件加工NC代码中的Z值。L表示刀具长度。

刀具刀尖点在刀具坐标系中的坐标为：P_T＝[0 0 -L 1]^T。

Y向溜板相对于Y轴参考坐标系的存在几何误差情况下的齐次变换矩阵为：

其中ε_yy、ε_zy、ε_xy、δ_xy、δ_yy、δ_zy分别表示Y轴溜板沿导轨运动时产生的滚转角误差、偏摆角误差、俯仰角误差、水平直线度误差、定位误差和垂直直线度误差。

Y向溜板相对于参考坐标的移动变换矩阵为：

其中Y表示工件加工NC代码中的Y值。

X向溜板相对于参考坐标的移动变换矩阵为：

其中ε_yx、ε_zx、ε_xx、δ_xx、δ_yx、δ_zx表示X轴溜板沿导轨运动时产生的俯仰角误差、偏摆角误差、滚转角误差、定位误差、水平直线度误差、垂直直线度误差。

X向溜板坐标系相对于Y向溜板坐标系的位移变换矩阵为：

其中X表示工件加工NC代码中的X值。

工件加工点在参考坐标系下的坐标为：P_W＝[X Y Z 1]^T。

其中X、Y、Z代表工件加工NC代码中的X、Y、Z值。

步骤4、把步骤3中建立坐标系之间齐次坐标变换矩阵转换关系代入到由工件坐标系到参考坐标系的运动链和刀具坐标系到参考坐标系的运动链，得到在工件坐标系的工件点坐标相对于参考坐标系的误差矩阵^RT_W和刀具坐标系内刀尖点坐标相对于参考坐标系的误差矩阵为^RT_T：

^RT_T＝^RT_Z·T^e _Z·^ZT_T·P_T

工件加工点坐标在存在几何误差时相对于参考坐标系的变换矩阵为:

^RT_W＝T^e _Y·T_Y·T^e _X·T_X·P_W

刀具刀尖点和工件加工点在参考坐标系中的相对误差模型为：

^RP_e＝^R[X_e Y_e Z_e 1]^T＝^RT_W-^RT_T

步骤5、把加工工件输入到CAM软件得到工件的NC数控程序代码。

步骤6、将加工工件的NC代码以及三轴数控机床的几何误差值代入到步骤4中刀具刀尖点和工件加工点在参考坐标系中的相对误差模型，得到每一行NC代码中刀尖点相对于每一个加工点在参考坐标系下三个坐标方向的误差值X_e、Y_e、Z_e

步骤7、通过NC代码重构的方法进行三轴机床几何误差补偿。由原始的每一行中的NC代码X、Y、Z加上由步骤6得到的对应的误差值X_e、Y_e、Z_e得到误差补偿后的NC代码X^*、Y^*、Z^*。具体公式如下：

步骤8、把经过重构的NC代码在机床上进行加工，实现对机床几何误差的补偿。

通过本实施例，FXYZ型三轴立式铣床的精度提高了57％。

Claims (1)

1.一种基于NC代码重构的三轴机床几何误差补偿方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、根据数控机床结构和类型建立数控机床拓扑结构和开环运动链；

步骤二、在机床基座上创建基坐标系W，然后分别在X、Y、Z轴溜板、刀具和工件上分别创建局部坐标系，局部坐标系方向与基坐标系方向一致；

步骤三、根据不同直角坐标系之间的运动变换关系，建立无几何误差情况下和存在几何误差情况下，坐标系之间齐次坐标变换矩阵转换关系；

步骤四、把步骤三建立坐标系之间齐次坐标变换矩阵转换关系代入到由工件坐标系到参考坐标系的运动链和刀具坐标系到参考坐标系的运动链，得到在工件坐标系的工件点坐标相对于参考坐标系的误差矩阵^RT_W和刀具坐标系内刀尖点坐标相对于参考坐标系的误差矩阵为^RT_T；刀具刀尖点和工件加工点在参考坐标系中的相对误差模型为：

^RP_e＝^R[X_e Y_e Z_e 1]^T＝^RT_W-^RT_T

步骤五、把加工工件输入到CAM软件，得到加工工件的NC数控程序代码；

步骤六、将加工工件的NC数控程序代码以及三轴数控机床的几何误差值，代入到步骤四刀具刀尖点和工件加工点在参考坐标系中的相对误差模型，得到每一行NC数控程序代码中刀尖点相对于每一个加工点在参考坐标系下三个坐标方向的误差值X_e、Y_e、Z_e；

步骤七、通过NC数控程序代码重构的方法进行三轴机床几何误差补偿；由原始的每一行中的NC数控程序代码X、Y、Z加上由步骤六得到的对应的误差值X_e、Y_e、Z_e，得到误差补偿后的NC数控程序代码X^*、Y^*、Z^*；具体公式如下：

步骤八、把经过重构的NC数控程序代码在机床上进行加工，实现对机床几何误差的补偿。