CN111580461A - 基于开放式五轴数控系统rtcp算法的机床控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的基于开放式五轴数控系统RTCP算法的机床控制方法，包括S1：在B轴摆动坐标系下，求出刀尖的坐标；S2：计算刀尖转动后的坐标，根据刀尖转动后的坐标计算出每个插补周期的刀尖变化量；S3：求出工件表面点在转台坐标系下的坐标；S4：计算工件表面点转动后的坐标，根据工件表面点转动后的坐标计算出每个插补周期工件变化量；S5：建立非线性误差补偿算法，补偿机床坐标；S6：成B、C两轴的旋转坐标变换实现工件坐标系到机床坐标系的变换，将变换后的机床坐标系下的坐标完善RTCP，并录入到数控系统中。本方法通过机床三线轴坐标来补偿机床坐标，由于是通过特定不变的矩阵计算，所以通用性和方便性均较现有技术有提高。

Description

基于开放式五轴数控系统RTCP算法的机床控制方法

技术领域

本发明涉及机床领域，具体涉及基于开放式五轴数控系统RTCP算法的机床控制方法。

背景技术

随着超精密切削加工的发展，所加工的零件形状已不再局限于平面和简单曲面等简单形状，正向着复杂形貌发展。五轴超精密机床的出现使加床加工效率和加工质量显著提高，但由于线性运动和旋转运动的耦合，刀尖会产生附加运动，使刀尖轨迹与编程点轨迹不重合产生非线性误差。目前处理这类误差的最有效方法是增加RTCP功能，但之前国内常用的方法是后处理法，RTCP功能较少。在进行后处理时需要知道机床结构、刀具长度、零件安装位置等参数，然后根据这些参数计算出旋转轴旋转产生的偏差，并进行补偿，最终得出补偿后机床各轴位置。

用上述方法处理后的程序不具通用性，给操作者带来很多不便，加工效率较低。针对以上存在的问题，提出一种基于开放式五轴数控系统RTCP算法实现方法，适合于摆头-转台一类的机床。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明提出的基于开放式五轴数控系统RTCP算法的机床控制方法，其提供一种通用的、能被数控系统识别的机床坐标的算法，将算法录入到RTCP中，机床后续根据该坐标来对非线性误差进行补偿。

为了实现上述目的，本发明的基于开放式五轴数控系统RTCP算法的机床控制方法，包括以下步骤，S1：建立B轴摆动坐标系，在B轴摆动坐标系下，求出刀尖的坐标；S2：刀尖转动一个角度，在B轴摆动坐标系下，计算刀尖转动后的坐标，根据刀尖转动后的坐标计算出每个插补周期的刀尖变化量；S3：建立转台坐标系，求出工件表面点在转台坐标系下的坐标；S4：工件表面点转动一个角度，在转台坐标系中，计算工件表面点转动后的坐标，根据工件表面点转动后的坐标计算出每个插补周期工件变化量；S5：建立非线性误差补偿算法，补偿机床坐标；S6：:基于非线性误差补偿算法，实现工件坐标系到机床坐标系的变换，将变换后的机床坐标系下的坐标完善RTCP，并录入到数控系统中。

进一步的，步骤S1中，设B轴摆动坐标系为O_BX_BY_BZ_B，并设刀具的摆长为L，刀轴与Z轴负方向夹角为θ，求出B轴摆动坐标系下刀尖原坐标为X_B＝-Lsinθ、Y_B＝C、Z_B＝-Lcosθ，C为常数。

进一步的，步骤S2中，在B轴摆动坐标系下，设刀尖转动后的坐标变为X_B1、Y_B1、Z_B1，又因为刀尖转动后的坐标为：

所以根据坐标X_B1、Y_B1、Z_B1延伸推导：每个插补周期的刀尖坐标为：

则计算的每个插补周期刀尖变化量R_Bi为：

进一步的，步骤S3中，建立转台坐标系O_CX_CY_CZ_C，在转台坐标系O_CX_CY_CZ_C下，假设工件表面点在X、Y、Z方向的安装偏距为

建立工件坐标系O_WX_WY_WZ_W，在工件坐标系O_WX_WY_WZ_W下，由CAM软件编程，得到工件表面点坐标为[x y z]，根据工件坐标系O_WX_WY_WZ_W在转台坐标系下的坐标、以及工件表面点在工件坐标系O_WX_WY_WZ_W下的坐标，共同求出转台坐标系下，工件表面点坐标为：

进一步的，步骤S4中，在转台坐标系下，设变化后的刀尖坐标在中的坐标X_C1、Y_C1、Z_C1，

又因为

所以每个插补周期的刀尖坐标延伸推导为：

所述

的坐标为前述[x+P_X1 y+P_Y1 z+P_Z1]；

整理后每个插补周期工件变化量R_Ci为：

进一步的，B轴摆动非线性误差的补偿是用机床坐标减去B轴摆动坐标系下得到的X轴补偿量，并加上Z轴补偿量；

C轴非线性误差补偿是用机床坐标加上转台坐标系下得到的X轴补偿量，减去Y轴补偿量，补偿后的机床坐标为：

整理后得到

进一步的，设在转台坐标系O_CX_CY_CZ_C下，工件表面点矢量

通过CAM软件规划刀具路径，可得到刀位信息[x y z I J K]，通过如下两式进行后处理：

将刀轴矢量转化为机床转轴转角，得到[x y z θ_B θ_C]，机床从初始位置开始变化，则得出机床坐标系下机床三线性轴坐标为：

所述初始位置表示为i＝0，X_i＝0，Y_i＝0，Z_i＝0，

其中x，y，z是经过CAM软件获得的工件表面点坐标值，数控系统可根据上式计算出机床各运动轴位置进行数控加工。

有益效果：首先求出B轴摆动坐标系下的每个插补周期刀尖的变化量R_Bi，再求出在转台坐标系下的每个插补周期工件表面点的变化量R_Ci，将两个变化量R_Bi、R_Ci通过补偿算法转为机床坐标，机床坐标包含R_Bi、R_Ci等相关量，将机床坐标转为数控系统可以识别的机床坐标系下机床三线性轴坐标，数控系统通过机床坐标系下机床三线性轴坐标对刀具进行非线性补偿，由于R_Bi、R_Ci的获得，以及机床三线性轴坐标的计算均通过特定的矩阵计算，通用性好，通过矩阵计算就能获得非线性补偿，操作简单。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步描写和阐述。

图1是刀尖在B轴摆动坐标系下的坐标图；

图2是工件表面点在转台坐标系下的坐标图

图3是本发明优选实施例的步骤图。

具体实施方式

下面将结合附图、通过对本发明的优选实施方式的描述，更加清楚、完整地阐述本发明的技术方案。

实施例

本发明提出的基于开放式五轴数控系统RTCP算法的机床控制方法，包括，

S1：建立B轴摆动坐标系，在B轴摆动坐标系下，求出刀尖的坐标。

具体的，如图1所示，主要要求出刀具的摆长L，刀轴与Z轴负方向的夹角θ，从而获得B轴摆动坐标系下刀尖原坐标为X_B＝-Lsinθ、Y_B＝C、Z_B＝-Lcosθ，由于刀尖只是摆动，在Y方向上没有位移，所以C为常数。

S2：刀尖转动一个角度，在B轴摆动坐标系下，计算刀尖转动后的坐标，根据刀尖转动后的坐标计算出每个插补周期的刀尖变化量。

具体的，设刀尖转动后的坐标变为X_B1、Y_B1、Z_B1，则

其中Δθ为刀尖转换的角度变化量。

将式(1)进行延伸变化为：

其中

为前一个变化量的坐标，

为变换后的坐标，θ_i+1-θ_i为前述Δθ。

式(2)即为每个插补周期中的刀尖坐标。

基于式(2)计算每个插补周期中刀尖的变化量R_Bi，

式(2)(3)中X_Bi＝-Lsinθ_i、Y_Bi＝C、Z_Bi＝-Lcosθ_i。

S3：建立转台坐标系，求出工件表面点在转台坐标系下的坐标。

具体的，如图2所示，建立转台坐标系O_CX_CY_CZ_C，在转台坐标系O_CX_CY_CZ_C下，假设测量的工件表面点在X、Y、Z方向的安装偏距为

再建立工件坐标系O_WX_WY_WZ_W，在工件坐标系O_WX_WY_WZ_W下，由CAM软件编程，得到工件表面点坐标为[x y z]，根据工件坐标系O_WX_WY_WZ_W在转台坐标系下的坐标、以及工件表面点在工件坐标系O_WX_WY_WZ_W下的坐标，通过矢量加法共同求出转台坐标系下，工件表面点坐标为：

S4：工件表面点转动一个角度，在转台坐标系中，计算工件表面点转动后的坐标，根据工件表面点转动后的坐标计算出每个插补周期工件变化量。

具体的，设变化后坐标X_C1、Y_C1、Z_C1为：

将式(4)延伸变化后得到：

其中

为前述

为

式(5)为工件表面点变化后的坐标，也就是每个插补周期中工件表面点变化后的坐标。

通过式(5)获得工件表面点的变化量R_Ci

S5：建立非线性误差补偿算法，补偿机床坐标。

具体的，列出补偿后的机床坐标

式(7)也就是用原机床坐标的X坐标减去式(3)中X轴补偿量，加上式(6)中x轴补偿量，原机床坐标的Y坐标减去式(6)中Y轴补偿量，原机床坐标的Z坐标加上式(3)中Z轴补偿量，这样刀尖点位置才能得到有效补偿。

式(7)整理后得到：

S6：基于非线性误差补偿算法，完成B、C两轴的旋转坐标变换实现工件坐标系到机床坐标系的变换，将变换后的机床坐标系下的坐标完善RTCP，并录入到数控系统中。

8、具体的，在转台坐标系O_CX_CY_CZ_C下，设工件表面点矢量

与前述

相等，通过CAM软件规划刀具路径，可得到刀位信息[x y z I J K]，通过如下两式进行后处理：

将刀轴矢量转化为机床转轴转角，得到[x y z θ_B θ_C]，机床从初始位置开始变化，由式(8)得出机床坐标系下机床三线性轴坐标为：

由于从初始位置变化，所以式(8)中X_i＝0，Y_i＝0，Z_i＝0，x、y、z是前述步骤S3中工件表面点的坐标，并且式(8)中sinθ_i-sinθ_i+1用sinθ_B代替、cosθ_i-cosθ_i+1用负的cosθ_B代替、

用sinθ_C代替、

用cosθ_C代替、(x+P_X1)用P_X2代替、(y+P_Y1)用P_Y2代替。式(9)中z+P_Z1-P_Z2等于0。

获得式(9)后，将式(9)录入到RTCP中，再将RTCP录入到数控系统中，数控系统根据式(9)来对刀具进行非线性补偿。

本发明主要通过矩阵来计算刀尖的变化量、工件表面点的变化量来推导出机床坐标系下机床三线性轴坐标，利用机床坐标系下机床三线性轴坐标的数值来完善RTCP算法，RTCP算法再通过数控系统完成刀具的每个插补周期的非线性补偿。适用于摆头转台类型的五轴机床，通过矩阵变化来实现，通用性强，操作简单。

上述具体实施方式仅仅对本发明的优选实施方式进行描述，而并非对本发明的保护范围进行限定。在不脱离本发明设计构思和精神范畴的前提下，本领域的普通技术人员根据本发明所提供的文字描述、附图对本发明的技术方案所作出的各种变形、替代和改进，均应属于本发明的保护范畴。本发明的保护范围由权利要求确定。

Claims (7)

1.基于开放式五轴数控系统RTCP算法的机床控制方法，其特征在于，包括以下步骤，

S1：建立B轴摆动坐标系，在B轴摆动坐标系下，求出刀尖的坐标；

S2：刀尖转动一个角度，在B轴摆动坐标系下，计算刀尖转动后的坐标，根据刀尖转动后的坐标计算出每个插补周期的刀尖变化量；

S3：建立转台坐标系，求出工件表面点在转台坐标系下的坐标；

S4：工件表面点转动一个角度，在转台坐标系中，计算工件表面点转动后的坐标，根据工件表面点转动后的坐标计算出每个插补周期工件变化量；

S5：建立非线性误差补偿算法，补偿机床坐标；

S6：基于非线性误差补偿算法，实现工件坐标系到机床坐标系的变换，将变换后的机床坐标系下的坐标完善RTCP，并录入到数控系统中。

2.根据权利要求1所述的基于开放式五轴数控系统RTCP算法的机床控制方法，其特征在于，步骤S1中，设B轴摆动坐标系为O_BX_BY_BZ_B，并设刀具的摆长为L，刀轴与Z轴负方向夹角为_θ，求出B轴摆动坐标系下刀尖原坐标为X_B＝-Lsinθ、Y_B＝C、Z_B＝-Lcosθ，C为常数。

3.根据权利要求2所述的基于开放式五轴数控系统RTCP算法的机床控制方法，其特征在于，步骤S2中，在B轴摆动坐标系下，设刀尖转动后的坐标变为X_B1、Y_B1、Z_B1，又因为刀尖转动后的坐标为：

所以根据坐标X_B1、Y_B1、Z_B1延伸推导：每个插补周期的刀尖坐标为：

则计算的每个插补周期刀尖变化量R_Bi为：

4.根据权利要求3所述的基于开放式五轴数控系统RTCP算法的机床控制方法，其特征在于，步骤S3中，建立转台坐标系O_CX_CY_CZ_C，在转台坐标系O_CX_CY_CZ_C下，假设工件表面点在X、Y、Z方向的安装偏距为

建立工件坐标系O_WX_WY_WZ_W，在工件坐标系O_WX_WY_WZ_W下，由CAM软件编程，得到工件表面点坐标为[x y z]，根据工件坐标系O_WX_WY_WZ_W在转台坐标系下的坐标、以及工件表面点在工件坐标系O_WX_WY_WZ_W下的坐标，共同求出转台坐标系下，工件表面点坐标为：

5.根据权利要求4所述的基于开放式五轴数控系统RTCP算法的机床控制方法，其特征在于，步骤S4中，在转台坐标系下，设变化后的坐标X_C1、Y_C1、Z_C1，

又因为

所以

每个插补周期的工件表面点延伸推导为：

所述

的坐标为前述[x+P_X1 y+P_Y1z+P_Z1]；

整理后每个插补周期工件变化量R_Ci为：

6.根据权利要求5所述的基于开放式五轴数控系统RTCP算法的机床控制方法，其特征在于，B轴摆动非线性误差的补偿是用机床坐标减去B轴摆动坐标系下得到的X轴补偿量，并加上Z轴补偿量；

C轴非线性误差补偿是用机床坐标加上转台坐标系下得到的X轴补偿量，减去Y轴补偿量，补偿后的机床坐标为：

整理后得到

7.根据权利要求6所述的基于开放式五轴数控系统RTCP算法的机床控制方法，其特征在于，在转台坐标系O_CX_CY_CZ_C下，设工件表面点矢量

通过CAM软件规划刀具路径，可得到刀位信息[x y z I J K］，通过如下两式

进行后处理：

将刀轴矢量转化为机床转轴转角，得到[x y z θ_B θ_C]，机床从初始位置开始变化，则得出机床坐标系下机床三线性轴坐标为：

所述初始位置表示为i＝0，X_i＝0，Y_i＝0，Z_i＝0，

其中x，y，z是经过CAM软件获得的工件表面点坐标值，数控系统可根据上式计算出机床各运动轴位置进行数控加工。

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