CN115922485A - 基于二维轮廓配准的定位误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于二维轮廓配准的定位误差补偿方法，基于数控磨边机各运动轴之间的运动链关系，运用齐次坐标变换的原理进行了误差运动学分析，确定理想状态下和存在误差状态下机床运动的齐次坐标变换矩阵，建立机床误差综合模型；针对夹具制造误差引起的工件装夹偏移问题，引入图形中心以及直接解析函数方法实现小误差轮廓的配准，通过配准获取图形中心偏移和初始角度偏差，采用解析函数方法直接求解目标函数，通过反算变换矩阵对误差进行补偿，从而校正基准轮廓位置数据，对夹具误差引起的工件安装定位误差进行补偿。

Description

基于二维轮廓配准的定位误差补偿方法

技术领域

本发明属于自动化数控技术领域，尤其涉及一种基于二维轮廓配准的定位误差补偿方法。

背景技术

自动化数控技术普遍应用于机械加工行业，数控玻璃磨边机是数控技术应用于玻璃加工行业的产物，是玻璃深加工行业必不可少的专用设备。随着市场对产品性能需求的不断提高，相应产品的数控加工精度也不断攀升。数控极坐标型数控玻璃磨边机主要用于磨削汽车后三角窗玻璃，按照尺寸精度要求对经过数控切割后轮廓精度较为准确的玻璃工件边缘进行磨削加工，或对玻璃工件锋利的玻璃边缘进行磨边、倒角处理，以消除应力集中，改善玻璃边缘质量，方便运输安装和增强使用安全性。但实际生产应用中发现，加工过程中由于工件安装误差等因素，会造成玻璃工件轮廓磨削不均匀、不到位等现象，严重影响了工件轮廓精度。因此，采取必要的补偿方法对安装误差等进行校正，对于玻璃工件轮廓精度控制具有重要作用。

现有技术中大多是基于球杆仪和激光干涉仪等仪器，测量出与位置相关的几何误差并后续通过算法对其进行补偿。但上述的误差检测方法均是检测相对固定的机床系统几何误差或测量系统安装误差，无法对工件的安装定位误差进行在线测量与辨识。

发明内容

本发明目的是提供一种基于二维轮廓配准的定位误差补偿方法。能有效测量并计算工件的安装定位误差，对工件的安装定位误差进行在线测量、辨识与补偿，提高工件加工精度。

为了解决现有技术所存在的问题和缺陷，本发明提出的基于二维轮廓配准的定位误差补偿方法。分析机床误差来源及其误差运动映射关系，明确玻璃磨边机各运动轴之间的运动链关系，运用齐次坐标变换的原理进行误差运动学分析，确定理想状态下和存在误差状态下机床运动的齐次坐标变换矩阵，建立机床误差综合模型。针对夹具制造误差引起的工件装夹偏移问题，引入图形中心以及一种直接解析函数方法实现小误差轮廓的配准，通过配准获取图形中心偏移和初始角度偏差，采用一种解析函数方法直接求解目标函数，通过反算变换矩阵对误差进行补偿，从而校正基准轮廓位置数据，对夹具误差引起的工件安装定位误差进行补偿，以提高磨边加工精度。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种基于二维轮廓配准的定位误差补偿方法，其特征在于：基于数控磨边机各运动轴之间的运动链关系，运用齐次坐标变换的原理进行了误差运动学分析，确定理想状态下和存在误差状态下机床运动的齐次坐标变换矩阵，建立机床误差综合模型；针对夹具制造误差引起的工件装夹偏移问题，引入图形中心以及直接解析函数方法实现小误差轮廓的配准，通过配准获取图形中心偏移和初始角度偏差，采用解析函数方法直接求解目标函数，通过反算变换矩阵对误差进行补偿，从而校正基准轮廓位置数据，对夹具误差引起的工件安装定位误差进行补偿。

进一步地，其具体包括以下步骤：

步骤S1：根据多体系统理论及齐次坐标变换方法建立机床几何误差综合模型：

考虑工件装夹定位误差及X进给轴与位置无关几何误差对结果造成的影响；

工件装夹定位误差包括X向偏移误差δx(w)、Y向偏移误差δy(w)及绕Z轴转动的转角误差εz(w)；X进给轴与位置无关几何误差包括X进给轴的Y方向偏移误差δy(x)和绕Z轴转动的转角误差εz(x)；

在存在误差情况下，刀具坐标系TCS相对于工件坐标系WCS的变换矩阵等价为在理想运动乘上一个综合误差运动矩阵

则：

即，

基于小误差假设，令：

式中：

Δδ_x,Δδ_y为刀具坐标系相对于工件坐标系的位置误差；Δθ_z为刀具坐标系相对于工件坐标系的旋转误差；

即：

Δδ_x＝-δ_x(w)

Δδ_y＝-δ_y(w)+δ_y(x)

Δθ_z＝cosε_z(w)sinε_z(x)-sinε_z(w)cosε_z(x)；

步骤S2：获取实际轮廓点云数据以离散轮廓数据点的形式输出；

步骤S3：将模板点云数据和实际点云数据代入配准算法，得到模板点云到实际点云的旋转平移变换矩阵：

其中：

与现有技术相比，本发明及其优选方案能够实现数控机床在平面内的加工轮廓位置定位精度的准确补偿,补偿精度更准确。极大的提升了数控机床的工件加工定位精度,机床的加工精度也随之大幅度提升。本方法基于数控玻璃磨边系统进行定位误差补偿,考虑了影响机床空间定位误差的各项几何误差,补偿根据有完备性,同时以目前较为普遍的二维工件轮廓加工数控系统为实施载体,补偿更为便捷,易于实施,能够以极低的成本大幅提升数控机床的加工精度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1是数控磨边机结构示意图。

图2是本发明实施例提供的轮廓测量系统硬件平台示意图。

图3是本发明实施例轮廓测量系统核心结构图。

图4是本发明实施例实现基于二维轮廓配准的定位误差补偿方法的流程图。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本说明书使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面以一个具体实施例对本发明方案进行整体介绍：

数控磨边机由X、Z两个平动轴和一个C旋转轴组成如图1所示。X向水平滑台11与床身12通过水平直导轨相联，Z向竖直滑台13与X向水平滑台11通过纵向直导轨相联，主轴箱14与竖直滑台相联，磨盘(刀具)15安装在主轴箱下可绕Z轴转动，16为C旋转轴。

本实施例提供的轮廓测量系统硬件平台基于数控磨边机搭建，由X轴电机21、Y轴电机22、C轴电机23及驱动器及运动控制器卡24、激光位移传感器25和工业控制计算机26等组成，如图2所示。

如图3所示为轮廓测量系统核心结构，由激光位移传感器31、支架32、Y向位置调整直线滑台33和Z向位置调整直线滑台34组成，用于实现对工件外轮廓的数据采集，把未知形状的工件以离散轮廓数据点的形式输出。采用随动测量算法，在测量时，使测量装置与工件始终保持固定的一段距离的前提下由X轴带动做直线往复运动，保证测量系统稳定运行。

如图4所示，本实施例具体实现基于二维轮廓配准的定位误差补偿方法的过程包括以下步骤：

步骤S1：首先根据多体系统理论及齐次坐标变换方法建立机床几何误差综合模型。

本发明主要考虑工件装夹定位误差及X进给轴与位置无关几何误差(轴线位置偏差)对结果造成的影响。

工件装夹定位误差包括X向偏移误差δx(w)、Y向偏移误差δy(w)及绕Z轴转动的转角误差εz(w)；X进给轴与位置无关几何误差(轴线位置偏差)包括X进给轴的Y方向偏移误差δy(x)和绕Z轴转动的转角误差εz(x)。

理想状况下，刀具实际切削点与编程点是重合，刀具坐标系TCS相对于工件坐标系WCS的齐次坐标变换矩阵为

误差状况下，刀具实际切削点和编程点不重合，刀具坐标系TCS相对于工件坐标系WCS的齐次坐标变换矩阵为

由此可得，在存在误差情况下，刀具坐标系TCS相对于工件坐标系WCS的变换矩阵可以等价为在理想运动乘上一个综合误差运动矩阵

则：

即，

基于小误差假设，令：

式中：

Δδ_x,Δδ_y为刀具坐标系相对于工件坐标系的位置误差；αθ_z为刀具坐标系相对于工件坐标系的旋转误差。

即：

Δδ_x＝-δ_x(w)

Δδ_y＝-δ_y(w)+δ_y(x)

Δθ_z＝cosε_z(w)sinε_z(x)-sinε_z(w)cosε_z(x0

步骤S2：利用工件轮廓测量系统获取实际轮廓点云数据以离散轮廓数据点的形式输出。

步骤S3：将模板点云数据和实际点云数据代入配准算法，得到模板点云到实际点云的旋转平移变换矩阵：

其中：

综上，本发明实施例的使用过程及方式为分析机床误差来源及其误差运动映射关系，明确数控磨边机各运动轴之间的运动链关系，运用齐次坐标变换的原理进行了误差运动学分析，确定理想状态下和存在误差状态下机床运动的齐次坐标变换矩阵，建立机床误差综合模型。针对夹具制造误差引起的工件装夹偏移问题，引入图形中心以及一种直接解析函数方法实现小误差轮廓的配准，通过配准获取图形中心偏移和初始角度偏差，采用一种解析函数方法直接求解目标函数，通过反算变换矩阵对误差进行补偿，从而校正基准轮廓位置数据，对夹具误差引起的工件安装定位误差进行补偿。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的基于二维轮廓配准的定位误差补偿方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (2)

1.一种基于二维轮廓配准的定位误差补偿方法，其特征在于：基于数控磨边机各运动轴之间的运动链关系，运用齐次坐标变换的原理进行了误差运动学分析，确定理想状态下和存在误差状态下机床运动的齐次坐标变换矩阵，建立机床误差综合模型；针对夹具制造误差引起的工件装夹偏移问题，引入图形中心以及直接解析函数方法实现小误差轮廓的配准，通过配准获取图形中心偏移和初始角度偏差，采用解析函数方法直接求解目标函数，通过反算变换矩阵对误差进行补偿，从而校正基准轮廓位置数据，对夹具误差引起的工件安装定位误差进行补偿。

2.根据权利要求1所述的基于二维轮廓配准的定位误差补偿方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤S1：根据多体系统理论及齐次坐标变换方法建立机床几何误差综合模型：

考虑工件装夹定位误差及X进给轴与位置无关几何误差对结果造成的影响；

工件装夹定位误差包括X向偏移误差δx(w)、Y向偏移误差δy(w)及绕Z轴转动的转角误差εz(w)；X进给轴与位置无关几何误差包括X进给轴的Y方向偏移误差δy(x)和绕Z轴转动的转角误差εz(x)；

在存在误差情况下，刀具坐标系TCS相对于工件坐标系WCS的变换矩阵等价为在理想运动乘上一个综合误差运动矩阵

即

则：

即，

基于小误差假设，令：

式中：

Δδ_x，Δδ_y为刀具坐标系相对于工件坐标系的位置误差；Δθ_z为刀具坐标系相对于工件坐标系的旋转误差；

即：

Δδ_x＝-δ_x(w)

Δδ_y＝-δ_y(w)+δ_y(x)

Δθ_z＝cosε_z(w)sinε_z(x)-sinε_z(w)cosε_z(x)；

步骤S2：获取实际轮廓点云数据以离散轮廓数据点的形式输出；

步骤S3：将模板点云数据和实际点云数据代入配准算法，得到模板点云到实际点云的旋转平移变换矩阵：

其中：

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