CN117518985A - 一种基于五轴数控机床的旋转刀具中心补偿系统及补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于五轴数控机床的旋转刀具中心补偿系统及补偿方法，包括：三维仿真平台，分别与三维仿真平台连接的分析模块、参数优化模块和验证模块；三维仿真平台包括：模型建立模块和误差因素输入模块；模型建立模块，用于建立五轴数控机床旋转刀具的三维模型，包括旋转轴、刀具和工件等组成部分；误差因素输入模块，用于输入误差因素数值，包括旋转轴的响应速度、回转精度、刚度，以及刀具长度参数。本发明应用线性回归模型分析，对每个误差因素进行精确权重评估，从而优化输出最佳参数组合，实现对五轴数控机床旋转刀具的精确调控，显著提高编程轮廓与加工轮廓的一致性，进而提升加工质量和效率。
Description
技术领域
本发明涉及数控机床技术领域，具体为刀具的进给运动或位置的自动控制和调整，尤其涉及一种基于五轴数控机床的旋转刀具中心补偿系统及补偿方法。
背景技术
五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高、专门用于加工复杂曲面的机床。五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等等加工的手段。
在现代制造业中，随着对高精度、高效率加工需求的不断增加，数控机床的编程轮廓与加工轮廓的一致性成为了至关重要的评价指标。这种一致性直接关系到机床的加工精度和效率，是衡量机床性能的重要标准。因此，保持编程轮廓与加工轮廓的一致性对于提高制造过程的效率和精度具有重要意义。
编程轮廓是指通过CAD/CAM软件生成的理想化的加工路径和形状，它是基于设计模型和要求进行计算的。而加工轮廓则是实际加工过程中刀具在工件上切削后形成的表面形状。编程轮廓与加工轮廓的一致性意味着实际加工结果与设计意图的符合程度。如果两者高度一致，说明加工精度高，产品质量好；反之，如果存在较大的偏差，则可能导致产品质量不达标，甚至造成废品。
在五轴数控机床加工过程中，确保编程轮廓与加工轮廓的一致性是至关重要的。然而，旋转刀具的调控受到多种因素的影响，包括旋转轴的响应速度、回转精度和刚度，以及刀具长度参数等。这些因素使得旋转刀具的调控成为一项技术挑战。传统的补偿方法往往只考虑单一因素，无法全面优化旋转刀具的调控，因此难以达到编程轮廓与加工轮廓误差最小的理想状态。
因此，有必要提供一种基于五轴数控机床的旋转刀具中心补偿系统及补偿方法，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种基于五轴数控机床的旋转刀具中心补偿系统及补偿方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于五轴数控机床的旋转刀具中心补偿系统，包括：三维仿真平台，分别与所述三维仿真平台连接的分析模块、参数优化模块和验证模块；
所述三维仿真平台包括：模型建立模块和误差因素输入模块；
所述模型建立模块，用于建立五轴数控机床旋转刀具的三维模型，包括旋转轴、刀具和工件等组成部分；
所述误差因素输入模块，用于输入误差因素数值，包括旋转轴的响应速度、回转精度、刚度，以及刀具长度参数；
所述分析模块搭载线性回归模型，用于确定每个误差因素的权重；
所述参数优化模块，基于线性回归模型，输出最佳匹配的参数组合；
所述验证模块，基于优化后的参数组合进行实验验证，获取机床加工轮廓与编程轮廓的差异值，分析该差异值是否满足预期。
本发明一个较佳实施例中，所述验证模块还包括：扫描单元、模拟单元、测量和分析单元；
所述扫描单元，使用激光扫描工件，采集工件轮廓的三维数据点；
所述模拟单元，基于三维数据点模拟出工件的三维加工轮廓；
所述测量和分析单元，用于对加工轮廓与编程轮廓进行测量与对比，得到差异值。
本发明一个较佳实施例中，所述验证模块还包括有预处理单元，所述预处理单元，用于对采集到的三维数据点进行预处理，如去噪、滤波等。
本发明一个较佳实施例中，所述三维仿真平台、所述分析模块、所述参数优化模块和所述验证模块分别通过Modbus协议连接。
本发明一个较佳实施例中，所述三维仿真平台还设置有刀具监测与补偿模块，用于实时监测刀具的外形及尺寸，进行三维模型和刀具长度补偿的更新。
基于上述中任一项所述的一种基于五轴数控机床的旋转刀具中心的补偿方法，包括以下步骤：
S1、建立初始机床旋转刀具的三维模型：建立五轴数控机床旋转刀具的三维模型，包括旋转轴、刀具和工件等组成部分；
S2、确定影响误差因素：将旋转轴的响应速度、回转精度、刚度，以及刀具长度参数作为影响旋转刀具中心定位准确性的误差因素；
S3、输入数值进行仿真：将大量不同的误差因素数值输入到初始机床旋转刀具的三维模型中进行仿真，模拟不同参数对旋转刀具中心位置的影响；
S4、分析影响因素：利用线性回归方法分析不同因素对误差的影响，得到每个误差因素的权重；
S5、输出最小理论误差数据：基于步骤S4的模型，输出最佳匹配的参数组合；
S6、实验验证：利用优化后的参数组合进行实验验证，得到机床加工轮廓与编程轮廓的差异值，分析该差异值是否满足预期，未能满足重新建立线性回归模型分析，直至满足预期的加工轮廓与编程轮廓的差异值范围。
本发明一个较佳实施例中，所述刀具长度参数为实际使用刀具长度与其补偿值之和。
本发明一个较佳实施例中，在所述S5中，最佳匹配参数组合为在旋转轴的响应速度、回转精度、刚度已知情况下，对刀具长度参数进行优化匹配。
本发明一个较佳实施例中，在所述S6中，机床加工轮廓与编程轮廓的差异值获取，包括以下步骤：
S61、使用激光扫描加工后工件，采集工件表面的三维数据点，并处理后得到该工件的三维加工轮廓；
S62、使用3D测量和分析软件对加工轮廓与编程轮廓进行测量与对比，得到差异值。
本发明一个较佳实施例中，在工件的加工过程中，实时监测刀具的外形及尺寸，进行三维模型的更新，再根据刀具的磨损程度对刀具长度进行重新补偿。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：
本发明提供了一种基于五轴数控机床的旋转刀具中心补偿系统，通过对机床旋转刀具三维模型的建立，本系统将旋转轴的响应速度、回转精度和刚度，以及刀具长度参数等关键因素纳入补偿计算。应用线性回归模型分析，对每个误差因素进行精确权重评估，从而优化输出最佳参数组合。本发明遵循严格的操作步骤，实现对五轴数控机床旋转刀具的精确调控，显著提高编程轮廓与加工轮廓的一致性，进而提升加工质量和效率。
本发明设置了验证模块，基于优化后的参数组合进行实验验证，获取机床加工轮廓与编程轮廓的差异值，分析该差异值是否满足预期，未能满足重新建立线性回归模型分析，直至满足预期的加工轮廓与编程轮廓的差异值范围，利用该不断迭代的数据验证方式，并通过系统性的参数优化来提高五轴数控机床的加工精度。
本发明设置了刀具监测与补偿模块，与补偿系统配合使用，在工件的加工过程中，实时监测刀具的外形及尺寸，进行三维模型的更新，再根据刀具的磨损程度对刀具长度进行重新补偿，实现了工件加工过程中，刀具长度的动态补偿，确保了刀具磨损不会对加工轮廓与编程轮廓的一致性造成影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
图1是本发明的优选实施例的一种基于五轴数控机床的旋转刀具中心补偿系统图；
图2是本发明的优选实施例的一种基于五轴数控机床的旋转刀具中心补偿方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例一
如图1所示，本发明提供了一种基于五轴数控机床的旋转刀具中心补偿系统，包括：三维仿真平台，分别与三维仿真平台连接的分析模块、参数优化模块和验证模块。
值得说明的是，各个模块之间通过数据接口进行参数、结果和信息的传递，从而实现模块间的数据共享和流程控制。通过连接，各个模块之间形成了有机的整体，能够实现数据的共享、传递和处理，从而完成整个旋转刀具中心补偿的任务。
本实施例中的三维仿真平台包括：模型建立模块和误差因素输入模块；模型建立模块，用于建立五轴数控机床旋转刀具的三维模型，包括旋转轴、刀具和工件等组成部分；误差因素输入模块，用于输入误差因素数值，包括旋转轴的响应速度、回转精度、刚度，以及刀具长度参数。
值得说明的是，旋转轴模型的建立，根据机床的实际结构参数，构建旋转轴的三维模型，具体包括旋转轴的几何形状、尺寸、装配关系等细节。刀具模型的建立，根据实际使用的刀具，测量其几何参数，并考虑到刀具的材质、结构以及加工中的磨损情况，在三维模型中精确重建。工件模型的建立，根据加工的工件材料、尺寸和形状，建立工件的三维模型。最后将旋转轴、刀具和工件模型进行装配，确保它们之间的相对位置和关系是正确的。模型的建立为后续的分析和参数优化提供了基础。
值得说明的是，旋转轴的响应速度指的是旋转轴对控制信号的响应时间，即从发出指令到完成动作所需的时间。旋转轴的回转精度指的是旋转轴在回转过程中的定位精度，通常以角度误差来表示，即实际回转角度与期望回转角度之间的偏差。旋转轴的刚度指的是旋转轴材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力，是材料或结构弹性变形难易程度的表征。至于刀具长度参数，则是指实际使用刀具长度与其补偿值之和。通过仔细分析和优化上述参数，可以提高旋转刀具中心的定位准确性和稳定性，从而确保加工轮廓与编程轮廓的一致性。
值得说明的是，旋转轴的响应速度测量优选使用频闪仪，频闪仪产生高速闪光，模拟高频率的控制信号，用于测试旋转轴的动态响应。通过将频闪仪与数控系统连接，可以向旋转轴发送高频脉冲信号，并使用频闪仪记录旋转轴的响应过程。通过对记录下来的响应数据进行处理和分析，可以提取出旋转轴的响应时间。
值得说明的是，旋转轴的回转精度测量优选使用激光干涉仪，测量原理是将激光束分成两束，一束射向旋转轴的反射镜，另一束射向固定的参考镜。当旋转轴转动时，反射镜与参考镜之间的距离会发生变化，从而引起激光束的干涉现象。通过检测干涉现象并进行分析，可以得出旋转轴的回转精度。
本实施例中的分析模块搭载线性回归模型，用于确定每个误差因素的权重；参数优化模块，基于线性回归模型，输出最佳匹配的参数组合。
值得说明的是，将大量的误差因素数值：旋转轴的响应速度、回转精度、刚度，以及刀具长度参数作为自变量，将机床加工轮廓与编程轮廓差异值作为因变量，代入到线性回归模型中，对模型进行拟合，即确定每个误差因素的权重。
本发明应用线性回归模型分析，通过确定的权重值，可以对未知的数据进行预测，从而预测在不同误差因素组合下可能产生的误差结果，从而优化输出最佳参数组合。本发明遵循严格的操作步骤，实现对五轴数控机床旋转刀具的精确调控，显著提高编程轮廓与加工轮廓的一致性，进而提升加工质量和效率。
本实施例中的验证模块，基于优化后的参数组合进行实验验证，获取机床加工轮廓与编程轮廓的差异值，分析该差异值是否满足预期。
值得说明的是，实验验证包括：将经过分析模块输出的最佳参数组合应用到数控机床上，在这些参数中，指定数控机床上旋转轴的响应速度、回转精度、刚度为固定数值，不易变动，刀具长度为实际使用刀具长度与其补偿值之和，根据实际使用的刀具尺寸来调整补偿值。然后按照设定的程序进行加工，并记录加工过程中的各种数据。
本实施例中的验证模块还包括：扫描单元、模拟单元、测量和分析单元；扫描单元，使用激光扫描工件，采集工件轮廓的三维数据点；模拟单元，基于三维数据点模拟出工件的三维加工轮廓；测量和分析单元，用于对加工轮廓与编程轮廓进行测量与对比，得到差异值。
值得说明的是，扫描单元优选使用相位式扫描仪，利用连续波激光器和相位测量技术来获取工件表面的点云数据。激光器发射出的连续波激光在碰到工件表面后会反射回来，模拟单元通过比较反射回来的激光波和参考激光波之间的相位差，可以计算出工件表面点到激光发射器的距离和角度信息，从而构建出工件的三维模型。测量与分析单元优选搭载Geomagic Qualify软件来计算加工轮廓与编程轮廓之间的差异值。
本实施例中的验证模块还包括有预处理单元，预处理单元，用于对采集到的三维数据点进行预处理，如去噪、滤波等。
值得说明的是，优选使用高斯函数来平滑图像或数据，减少图像中的噪声，提高三维加工轮廓的精度。
本发明设置了验证模块，基于优化后的参数组合进行实验验证，获取机床加工轮廓与编程轮廓的差异值，分析该差异值是否满足预期，未能满足重新建立线性回归模型分析，直至满足预期的加工轮廓与编程轮廓的差异值范围，利用该不断迭代的数据验证方式，并通过系统性的参数优化来提高五轴数控机床的加工精度。
本实施例中的三维仿真平台、分析模块、参数优化模块和验证模块分别通过Modbus协议连接。
本实施例中的三维仿真平台还设置有刀具监测与补偿模块，用于实时监测刀具的外形及尺寸，进行三维模型和刀具长度补偿的更新。
值得说明的是，刀具监测与补偿模块使用机器视觉技术，对刀具的外形和尺寸进行实时监测。该模块能够精确测量刀具的长度以及磨损程度等关键参数，并根据实时的监测数据，动态更新刀具的三维模型。这种实时更新的方式确保了模型能够真实反映刀具的磨损状况，从而为后续的加工过程提供更为精确地模型基础。此外，通过对刀具磨损的实时监测，可以更加科学地规划刀具更换时间，避免因刀具过度磨损而导致的损坏，延长刀具的使用寿命。综上所述，该模块凭借其准确性和实时性的特点，对于提高加工质量和效率，降低生产成本具有重要的实际意义。
本发明设置了刀具监测与补偿模块，与补偿系统配合使用，在工件的加工过程中，实时监测刀具的外形及尺寸，进行三维模型的更新，再根据刀具的磨损程度对刀具长度进行重新补偿，实现了工件加工过程中，刀具长度的动态补偿，确保了刀具磨损不会对加工轮廓与编程轮廓的一致性造成影响。
如图2所示，本发明还提供了一种基于五轴数控机床的旋转刀具中心的补偿方法，包括以下步骤：
S1、建立初始机床旋转刀具的三维模型：建立五轴数控机床旋转刀具的三维模型，包括旋转轴、刀具和工件等组成部分。
S2、确定影响误差因素：将旋转轴的响应速度、回转精度、刚度，以及刀具长度参数作为影响旋转刀具中心定位准确性的误差因素；其中，刀具长度参数为实际使用刀具长度与其补偿值之和。
S3、输入数值进行仿真：将大量不同的误差因素数值输入到初始机床旋转刀具的三维模型中进行仿真，模拟不同参数对旋转刀具中心位置的影响。
S4、分析影响因素：利用线性回归方法分析不同因素对误差的影响，得到每个误差因素的权重。
S5、输出最小理论误差数据：基于步骤S4的模型，输出最佳匹配的参数组合；最佳匹配参数组合为在旋转轴的响应速度、回转精度、刚度已知情况下，对刀具长度参数进行优化匹配。
S6、实验验证：利用优化后的参数组合进行实验验证，得到机床加工轮廓与编程轮廓的差异值，分析该差异值是否满足预期，未能满足重新建立线性回归模型分析，直至满足预期的加工轮廓与编程轮廓的差异值范围。
本发明提供了一种基于五轴数控机床的旋转刀具中心的补偿方法，通过补偿旋转刀具的方法，能够显著提高工件的加工精度，减小实际加工结果与预期编程轮廓之间的差异。该方法允许系统根据实际的加工条件和误差因素进行自适应调整，确保在不同的环境和条件下都能实现高精度的加工。
在步骤S6中，机床加工轮廓与编程轮廓的差异值获取，包括以下步骤：
S61、使用激光扫描加工后工件，采集工件表面的三维数据点，并处理后得到该工件的三维加工轮廓。
S62、使用3D测量和分析软件对加工轮廓与编程轮廓进行测量与对比，得到差异值；使用Geomagic Qualify软件来计算加工轮廓与编程轮廓之间的差异值。
本实施例中的在工件的加工过程中，实时监测刀具的外形及尺寸，进行三维模型的更新，再根据刀具的磨损程度对刀具长度进行重新补偿。
实施例二
基于实施例一，对一种基于五轴数控机床的旋转刀具中心的补偿方法进行具体数据的验证，选用不同的刀具来加工一个倾斜的圆台形工件，该工件的上端面直径为30mm，下端面直径为60mm，高度为30mm，上、下端面圆心之间的平面距离为15mm。
表1为用到不同旋转轴和不同刀具进行工件生产时的各项误差因素数值：
表1. 各项误差因素数值
在旋转轴刚度为6500N/um的情况下，利用JMP7软件进行二次多元回归拟合，并通过上表得到的数据，使用最小二乘法估计各项回归权重的值，得到的模型为：
；
设定当前使用五轴数控机床使用FANUC Series 30i-B A/C轴，对应该旋转轴的响应速度为11.5ms，回转精度为1.5um，旋转轴的刚度为6500N/um，然后利用规划求解工具预测最佳理论匹配参数组合：刀具长度为121.3mm，误差值Y=100%，即加工轮廓与编程轮廓一致。
实验验证，使用刀具型号为SANDVIK R390-16 08M-PM 4350，刀具实际测量长度为120mm，在数控机床上设定刀具的长度补偿为1.3mm，进行倾斜圆台工件的加工。对加工完成工件的外形进行扫描，模拟三维轮廓，并与编程轮廓进行比对，得到的差异值Y=98.9%，加工轮廓与变成轮廓一致性很高，在误差范围之内。
综上，本发明通过对机床旋转刀具三维模型的建立，将旋转轴的响应速度、回转精度和刚度，以及刀具长度参数等关键因素纳入补偿计算。应用线性回归模型分析，对每个误差因素进行精确权重评估，从而优化输出理论最佳参数组合，并进行实验的验证，能够显著提高工件的加工精度，减小实际加工结果与预期编程轮廓之间的差异。
以上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技术性范围。
Claims (10)
1.一种基于五轴数控机床的旋转刀具中心补偿系统，包括：三维仿真平台，分别与所述三维仿真平台连接的分析模块、参数优化模块和验证模块，其特征在于：
所述三维仿真平台包括：模型建立模块和误差因素输入模块；
所述模型建立模块，用于建立五轴数控机床旋转刀具的三维模型，包括旋转轴、刀具和工件等组成部分；
所述误差因素输入模块，用于输入误差因素数值，包括旋转轴的响应速度、回转精度、刚度，以及刀具长度参数；
所述分析模块搭载线性回归模型，用于确定每个误差因素的权重；
所述参数优化模块，基于线性回归模型，输出最佳匹配的参数组合；
所述验证模块，基于优化后的参数组合进行实验验证，获取机床加工轮廓与编程轮廓的差异值，分析该差异值是否满足预期。
2.根据权利要求1所述的一种基于五轴数控机床的旋转刀具中心补偿系统，其特征在于：所述验证模块还包括：扫描单元、模拟单元、测量和分析单元；
所述扫描单元，使用激光扫描工件，采集工件轮廓的三维数据点；
所述模拟单元，基于三维数据点模拟出工件的三维加工轮廓；
所述测量和分析单元，用于对加工轮廓与编程轮廓进行测量与对比，得到差异值。
3.根据权利要求2所述的一种基于五轴数控机床的旋转刀具中心补偿系统，其特征在于：所述验证模块还包括有预处理单元，所述预处理单元，用于对采集到的三维数据点进行预处理，如去噪、滤波等。
4.根据权利要求1所述的一种基于五轴数控机床的旋转刀具中心补偿系统，其特征在于：所述三维仿真平台、所述分析模块、所述参数优化模块和所述验证模块分别通过Modbus协议连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于五轴数控机床的旋转刀具中心补偿系统，其特征在于：所述三维仿真平台还设置有刀具监测与补偿模块，用于实时监测刀具的外形及尺寸，进行三维模型和刀具长度补偿的更新。
6.基于权利要求1-5中任一项所述的一种基于五轴数控机床的旋转刀具中心的补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立初始机床旋转刀具的三维模型：建立五轴数控机床旋转刀具的三维模型，包括旋转轴、刀具和工件等组成部分；
S2、确定影响误差因素：将旋转轴的响应速度、回转精度、刚度，以及刀具长度参数作为影响旋转刀具中心定位准确性的误差因素；
S3、输入数值进行仿真：将大量不同的误差因素数值输入到初始机床旋转刀具的三维模型中进行仿真，模拟不同参数对旋转刀具中心位置的影响；
S4、分析影响因素：利用线性回归方法分析不同因素对误差的影响，得到每个误差因素的权重；
S5、输出最小理论误差数据：基于步骤S4的模型，输出最佳匹配的参数组合；
S6、实验验证：利用优化后的参数组合进行实验验证，得到机床加工轮廓与编程轮廓的差异值，分析该差异值是否满足预期，未能满足重新建立线性回归模型分析，直至满足预期的加工轮廓与编程轮廓的差异值范围。
7.根据权利要求6所述的一种基于五轴数控机床的旋转刀具中心的补偿方法，其特征在于：所述刀具长度参数为实际使用刀具长度与其补偿值之和。
8.根据权利要求6所述的一种基于五轴数控机床的旋转刀具中心的补偿方法，其特征在于：在所述S5中，最佳匹配参数组合为在旋转轴的响应速度、回转精度、刚度已知情况下，对刀具长度参数进行优化匹配。
9.根据权利要求6所述的一种基于五轴数控机床的旋转刀具中心的补偿方法，其特征在于：在所述S6中，机床加工轮廓与编程轮廓的差异值获取，包括以下步骤：
S61、使用激光扫描加工后工件，采集工件表面的三维数据点，并处理后得到该工件的三维加工轮廓；
S62、使用3D测量和分析软件对加工轮廓与编程轮廓进行测量与对比，得到差异值。
10.根据权利要求6所述的一种基于五轴数控机床的旋转刀具中心的补偿方法，其特征在于：在工件的加工过程中，实时监测刀具的外形及尺寸，进行三维模型的更新，再根据刀具的磨损程度对刀具长度进行重新补偿。
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|---|
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