CN110421406B - 基于偏心差控制的刀具动态自适应补偿方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于偏心差控制的刀具动态自适应补偿方法，包括以下步骤：S1、根据基准轮廓的刀具路径加工模型，选取测量点；S2、确定刀具途径点位时的坐标系相对于零件所在的坐标系的偏心角度，二维坐标系下的变化量转换公式为：
Figure DDA0002129244390000011
S3、根据刀具坐标点信息，计算该点相对于理论轮廓模型在刀具坐标系内的偏心差，加上针对该偏心差作出的调整量得该点的差值为
Figure DDA0002129244390000012
S4、选择加入刀具之前点的加工状态，得到总体偏心差为
Figure DDA0002129244390000013
S5、根据矩阵求导原则，分别求在各自变量的上的导函数并等于0，即
Figure DDA0002129244390000014
Figure DDA0002129244390000015
S6、根据刀具在各个方向上的补偿调整路径。与现有技术相比，本方法有效消除了由于局部偏差而导致的曲面整体误差，能够实时动态调整补偿值，保证了零件加工的整体的均匀性。

Description

基于偏心差控制的刀具动态自适应补偿方法
技术领域
本发明属于机床加工技术领域，更具体地，涉及一种基于总体偏心差控制的自动化刀具补偿方法。
背景技术
在航空航天、国防军事、生物医疗以及能源等领域，对具有自由曲面的零件需求在逐年增高。比如光学领域，减少曲面加工误差能够大幅度的提高零件的光学性能，提高光学利用率。随着对曲面加工精度要求的不断提高，传统方法已经很难胜任。
传统方法加工具有特殊弧度的曲面，比如倒边、凸角，刀具自适应能力差，容易受到夹持工具等外力的影响，补偿值过大会导致零件损毁，过小又会导致反复加工增加了时间成本，很难满足精度要求，且目前大多数方法都是针对单点补偿，刀具对整个弯曲加工面的切削补偿很难把控，很难保证整体的加工一致性。
具有复杂曲面的零件本身形状各异，且对表面质量的要求很高，往往需要对不同零件建立不同的加工模型，无法根据零件特性实施动态调整，需要针对不同零件设计不同方案。因而，找到一种统一的方法，能够针对大多数零件动态修正数控指令，调整补偿方案至关重要。
发明内容
针对现有技术的缺陷或改进需求，本发明提供一种基于偏心差控制的刀具动态自适应补偿方法，其目的能够自动适应加工复杂零件表面特征(比如非圆弧面)，动态调整刀具补偿量，且能够从整体把控零件质量，减少加工次数，保证零件加工精度的一致性。
本发明的技术方案是：一种基于偏心差控制的刀具动态自适应补偿方法，包括以下步骤：
S1：对于复杂曲面的加工，根据基准轮廓的刀具路径加工模型，选取适当的测量点，在曲面弧度变化较大的部位，点的选取尽量密集，这样有利于提高加工精度；
S2：确定刀具途径点位时的坐标系相对于零件所在的坐标系的偏心角度，用于计算在刀具在零件坐标系下的偏移量向点位坐标系下偏移量的转换，比如二维坐标系下的变化量转换公式为：
Figure BDA0002129244370000021
S3：刀具加工到某一个点的位置时，根据刀具坐标点信息，计算该点相对于理论轮廓模型在刀具坐标系内的偏心差，加上针对该偏心差作出的调整量可得该点的差值为
Figure BDA0002129244370000022
S4：针对某一点位的调整很难从全局把控工件当前的加工状态，某一位置过高或过低切削都会影响整体的加工精度，给二次加工带来不便。因而选择加入刀具之前点的加工状态，得到总体偏心差为
Figure BDA0002129244370000023
S5：计算刀具补偿量的全局最优解，根据矩阵求导原则，分别求在各自变量的上的导函数并等于0，即
Figure BDA0002129244370000024
S6：获得刀具补偿值得全局最优解，根据刀具在各个方向上的补偿调整路径。
S7:为了进一步优化路径，作为该方案的改进，在每个点位设置不同的权值，增加关键信息点，有利于提高零件加工精度等级。
本发明具有以下积极效果：
与现有技术相比，本方法的有益效果是有效消除了由于局部偏差而导致的曲面整体误差，能够实时动态调整补偿值，保证了零件加工的整体的均匀性。
附图说明
图1是实际加工零件部件结构示意图；
图2是零件与刀具路径示意图(包含实际加工路径和理想加工路径)；
图3是图2刀具与零件的局部放大示意图；
图4是实际加工路径优化示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，进一步详细阐述该方法的原理和实际操作步骤。
本发明提供一种基于偏心差控制的刀具动态自适应补偿方法，包括如下步骤：
S1、确定测量点的个数，如附图2所示，曲面部分选取了12个测量点，曲面部分为提高加工精度应采用高采样频率；
S2、如附图2所示，构建两类坐标系，工件所在的坐标系O-Xa-Ya和测量点所在的坐标系O-Xi-Yi，图中仅示意一个测量点，所以O-Xi-Yi为第i个点所在的坐标系，使用测量工具分别测量各点位坐标系与工件所在坐标的偏差角度，如附图3所示，点i坐标系偏差角度记为θi；根据指令到达该位置；
S3、如附图3所示，实际加工路径中，i点相对于零件所在的坐标系的偏心差为(xi，yi)，原始编程坐标系是三维坐标，这里为更加形象说明，选择二维坐标示意。假设我们要调整该偏心量，刀具圆心在零件坐标系的移动量为(Δxa,Δya)，在刀具所在坐标系的移动量为(Δxi,Δyi)；
S4、点i处的总体偏心差为
Figure BDA0002129244370000031
S5、出于对零件本身的整体性考虑，从点1到点i的整体偏心差的和可以表示为以下方程式
Figure BDA0002129244370000041
S6、根据坐标系转换公式，可知
Figure BDA0002129244370000042
可以将上式变形为
S7、结合坐标系转换公式和整体偏心差公式可得整体偏心差变换公式为
Figure BDA0002129244370000043
S8、观察D式可以发现它是一个明显的二次下凸函数，在实数域中必然存在全局最小值，分别对Δxa，Δya求偏导，可得在x轴，y轴方向的偏移量计算公式：
Figure BDA0002129244370000044
Figure BDA0002129244370000045
S9、根据计算结果调整刀具在该点i处的动态补偿量，实现对刀具路径的动态优化。
以上具体实施方式是该发明一个非常具体的实施过程，简化了刀具在维度上的复杂计算，但动态调优的过程思想是不变的，把握整体的变化趋势，基于偏心量运动趋势调整刀具的路径。

Claims (2)

1.一种基于偏心差控制的刀具动态自适应补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对于复杂曲面的加工，根据基准轮廓的刀具路径加工模型，选取测量点，在曲面弧度变化较大的部位，点的选取尽量密集；
S2：构建两类坐标系，工件所在的坐标系O-Xa-Ya和测量点所在的坐标系O-Xi-Yi，使用测量工具分别测量各点位坐标系与工件所在坐标的偏差角度，点i坐标系偏差角度记为θi；
S3：刀具加工到i点时，i点相对于工件所在的坐标系的偏心差为(xi，yi)，刀具圆心在工件坐标系的移动量为(Δxa,Δya)，在刀具所在坐标系的移动量为(Δxi,Δyi)；
S4:点i处的总体偏心差为
Figure FDA0002902235370000011
S5:从点1到点i的整体偏心差的和为以下方程式
Figure FDA0002902235370000012
S6:根据坐标系转换公式，可得
Figure FDA0002902235370000013
S7：结合坐标系转换公式和整体偏心差公式可得整体偏心差变换公式为
Figure FDA0002902235370000014
S8:分别对Δxa，Δya求偏导，得出在x轴，y轴方向的偏移量，计算公式如下：
Figure FDA0002902235370000015
Figure FDA0002902235370000016
S9：根据计算结果调整刀具在该点i处的动态补偿量，实现对刀具路径的动态优化。
2.根据权利要求1所述的基于偏心差控制的刀具动态自适应补偿方法，其特征在于：S10、在每个点位设置不同的权值，增加关键信息点，有利于提高工件加工精度等级。
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