專利名稱：一種采用角度頭刀柄進(jìn)行數(shù)控加工的非線性誤差處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用角度頭刀柄進(jìn)行數(shù)控加工的非線性誤差處理方法，屬于CAM(計(jì)算機(jī)輔助制造)\CNC (計(jì)算機(jī)數(shù)字控制)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
角度頭(Angle Head)是數(shù)控加工中連接數(shù)控機(jī)床主軸和刀具的ー種特殊刀柄，是飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工中采用的ー種新型設(shè)備。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工中，機(jī)床安上角度頭后刀具旋轉(zhuǎn)中心線可以與主軸旋轉(zhuǎn)中心線成角度加工エ件，可使立式加工中心進(jìn)行臥式加工，在沒有改變機(jī)床結(jié)構(gòu)的情況下増大機(jī)床的加工范圍和適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)零件的一次性裝夾多エ序加工，提高加工精度和效率。在使用角度頭進(jìn)行五軸聯(lián)動加工時(shí)，機(jī)床主軸部件的擺動帶動角度頭刀柄及其附屬刀具擺動，使刀具中心點(diǎn)的實(shí)際運(yùn)動軌跡偏離編程直線，產(chǎn)生非線性誤差，使零件在加工后會存在欠切或者過切現(xiàn)象。五軸數(shù)控加工機(jī)床中，刀具中心點(diǎn)和主軸部件的旋轉(zhuǎn)中心之間的距離稱為樞軸中心距(Pivot，簡稱樞軸距)。樞軸距使加工中刀具的擺動引起刀具中心點(diǎn)平移坐標(biāo)的變化，因而產(chǎn)生非線性誤差。針對于普通刀柄夾持刀具加工，現(xiàn)有高檔數(shù)控系統(tǒng)(如Sinumerik和Fidia數(shù)控系統(tǒng))大多具備RTCP (Rotational Tool Center Point旋轉(zhuǎn)刀具中心點(diǎn))功能，設(shè)定刀具中心點(diǎn)為RTCP點(diǎn)，來補(bǔ)償樞軸距，消除非線性誤差，保證數(shù)控加工的準(zhǔn)確性。在使用角度頭的數(shù)控加工中單一地使用RTCP功能存在以下不足(I)角度頭角度多變，相比常規(guī)刀柄使用RTCP功能時(shí)對刀過程冗繁，對操作工人要求高，加工出錯幾率大；(2)現(xiàn)有的其它數(shù)控系統(tǒng)，不一定具備針對于角度頭加工的RTCP配置功能，因而對エ藝環(huán)境要求高，相應(yīng)的加工仿真軟件也需具備角度頭加工的RTCP配置功能模塊。對現(xiàn)有的技術(shù)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，吳大中等在學(xué)術(shù)期刊《上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)》上發(fā)表的論文“五坐標(biāo)數(shù)控加工的非線性運(yùn)動誤差分析與控制”，針對于常規(guī)刀柄建立了非線性誤差運(yùn)動模型，提出了基于后置處理的非線性誤差控制策略，但針對于使用角度頭的加工単獨(dú)使用此類方法也存在不足(I)針對于角度頭刀柄的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，需要針對機(jī)床結(jié)構(gòu)計(jì)算平移坐標(biāo)補(bǔ)償值等參數(shù)量，相應(yīng)后置處理將變得非常繁瑣；(2)由于機(jī)床結(jié)構(gòu)上的樞軸距較大，后置處理中插入的刀位點(diǎn)將過于密集，會降低機(jī)床運(yùn)行速度，影響加工效率。

發(fā)明內(nèi)容
針對以上問題，本發(fā)明提出了一種采用角度頭刀柄進(jìn)行數(shù)控加工的非線性誤差處理方法，基于角度頭加工中的非線性誤差由樞軸距和刀長距的合成矢量引起的原理，對樞軸距引起非線性誤差與刀長距引起的非線性誤差分別處理。對于樞軸距引起的誤差，將通過數(shù)控系統(tǒng)RTCP功能來處理；對于刀長距引起的非線性誤差，將在后置處理中進(jìn)行控制。本發(fā)明為解決其技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案
一種采用角度頭刀柄進(jìn)行數(shù)控加工的非線性誤差處理方法，將角度頭加工中的非線性誤差分為RTCP點(diǎn)到機(jī)床旋轉(zhuǎn)中心的方向和RTCP點(diǎn)到角度頭刀具中心點(diǎn)的方向兩個方向進(jìn)行處理，包括以下步驟1)測量RTCP點(diǎn)到機(jī)床旋轉(zhuǎn)中心的距離參數(shù),且稱為樞軸距參數(shù),針對于加工時(shí)主軸方向上的誤差采用數(shù)控系統(tǒng)RTCP功能來處理；依據(jù)樞軸距，將RTCP點(diǎn)設(shè)置在角度頭上的刀具旋轉(zhuǎn)軸線與機(jī)床主軸線的交點(diǎn)；
2)測量RTCP點(diǎn)到角度頭刀具中心點(diǎn) 的距離參數(shù)，且稱為刀長距參數(shù)，針對于加工時(shí)刀具方向上的誤差在后置處理中進(jìn)行控制；首先確立非線性運(yùn)動誤差中的精度參數(shù)、刀長距參數(shù)與插入點(diǎn)位間距之間的關(guān)系，然后依據(jù)此關(guān)系以及用戶的精度參數(shù)和刀長距參數(shù)，進(jìn)行點(diǎn)位的插入。所述步驟2)中后置處理點(diǎn)位的插入，對于后置程序中某兩個點(diǎn)位，若誤差大于允許值，則插入新的點(diǎn)位，然后以新的點(diǎn)位為起點(diǎn)，計(jì)算其與后一個點(diǎn)位之間的誤差，并依據(jù)誤差是否滿足要求插入新的點(diǎn)位，如此循環(huán)算直到不需插入新的點(diǎn)位為止，通過在后置程序中的點(diǎn)位間插入新的刀位點(diǎn)，控制走刀步長，使刀位數(shù)據(jù)密化，從而有效控制非線性運(yùn)動誤差。本發(fā)明的有益效果如下
提出數(shù)控系統(tǒng)RTCP與后置補(bǔ)償相結(jié)合的方法，有效解決零件加工中采用角度頭時(shí)的非線性誤差處理難題。一方面解決了使用現(xiàn)有數(shù)控系統(tǒng)時(shí)操作的繁瑣性、安全性問題，與常規(guī)刀柄一致的RTCP設(shè)置方式保證了多種數(shù)控系統(tǒng)和仿真軟件下使用角度頭刀柄的通用性。另ー方面，避免了単獨(dú)使用后置處理進(jìn)行非線性誤差的效率低下問題。本發(fā)明在保證精度的情況下，很好地提高了使用角度頭進(jìn)行五軸聯(lián)動加工時(shí)的效率。


圖I (a)本發(fā)明中機(jī)床在采用常規(guī)刀柄情況下的RTCP點(diǎn)位置設(shè)置示意圖，作為角度頭刀柄RTCP點(diǎn)位置設(shè)置的參考，圖I (b)和圖I (C)表示機(jī)床在采用角度頭刀柄情況下的RTCP點(diǎn)位置設(shè)置示意圖，其中圖I (b)中RTCP點(diǎn)設(shè)置的位置為角度頭主軸中心線與刀具
軸線的交點(diǎn)，其中向量表示機(jī)
床主軸中心線方向，向量$表示角度頭刀具方向，P為RTCP點(diǎn)與角度頭主軸中心線和刀具
軸線的交點(diǎn)的偏距，D為RTCP點(diǎn)到角度頭刀具中心點(diǎn)的距離參數(shù)，稱為刀長距參數(shù)。圖2本發(fā)明中的機(jī)床主軸中心線方向上的距離測量示意圖，其中L1為機(jī)床主軸回
轉(zhuǎn)中心到主軸端面的距離，し2為角度頭端面至RTCP點(diǎn)的距離，向量$與$含義與圖I相同。
F ψ i圖3本發(fā)明中的角度頭刀具軸線方向上的距離測量示意圖，其中D1為主軸中心線(或RTCP點(diǎn))至角度頭側(cè)面的距離，D2為角度頭側(cè)面至刀具中心點(diǎn)距離，向量匕與K含義與圖I相同。圖4本發(fā)明中RTCP點(diǎn)位正確設(shè)置后非線性誤差示意圖，其中角度頭刀具中心點(diǎn)從
運(yùn)動到6，刀軸矢量由に變?yōu)間。為對應(yīng)的RTCP點(diǎn)，JJ1為對應(yīng)RTCP點(diǎn)；圖中編號
說明=URTCP點(diǎn)；2、主軸與刀具中心線交點(diǎn)；3、刀具中心點(diǎn)；4 ,RTCP點(diǎn)理想軌跡；5、RTCP點(diǎn)實(shí)際軌跡；6、刀具中心點(diǎn)理想軌跡；7、刀具中心點(diǎn)實(shí)際軌跡；8、非線性誤差值最大處。圖5本發(fā)明中后置處理中控制非線性誤差的原理圖，其中為初始刀點(diǎn)位置、^為初始刀軸矢量、/^為初始刀點(diǎn)對應(yīng)的RTCP點(diǎn)位置、,為結(jié)束刀點(diǎn)位置、$為結(jié)束刀點(diǎn)矢
量、！^為結(jié)束刀點(diǎn)對應(yīng)的RTCP點(diǎn)位置、為新插入刀點(diǎn)位置、4為新插入刀軸矢量、凡,為
新插入刀點(diǎn)對應(yīng)RTCP點(diǎn)位置、』r為刀位點(diǎn)的平移矢量、^為RTCP點(diǎn)的平移矢量、為旋
轉(zhuǎn)運(yùn)動單位矢量、P胃為平移運(yùn)動單位矢量、為刀位點(diǎn)運(yùn)動的合成運(yùn)動矢量、S為初始刀點(diǎn)至結(jié)束刀點(diǎn)的移動距離、ゴ為達(dá)到設(shè)定誤差時(shí)刀具中心點(diǎn)軌跡的偏移距離、α為運(yùn)動合成矢量與刀位點(diǎn)的平移矢量A之間的夾角、 為刀位軌跡允許偏離的誤差，即設(shè)定的精度參數(shù)。圖6本發(fā)明中后置處理中控制非線性誤差的方法流程圖。
具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明創(chuàng)造做進(jìn)ー步詳細(xì)說明。依據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)和角度頭結(jié)構(gòu)測量相關(guān)參數(shù)，采用C++語言編寫程序?qū)崿F(xiàn)后置處理中的非線性誤差控制。本發(fā)明的具體步驟如下
步驟I、測量樞軸距參數(shù)如圖2所示。分別測量主軸回轉(zhuǎn)中心到主軸端面的距離L1和角度頭端面至RTCP點(diǎn)的距離L2，前者由機(jī)床結(jié)構(gòu)決定，后者由角度頭結(jié)構(gòu)決定；由于主軸的端面和角度頭端面貼合，因而將兩者相加即得樞軸距參數(shù)L，即L=LJL2 ；
步驟2、使用常規(guī)刀柄時(shí)RTCP點(diǎn)的設(shè)置位于主軸中心線上，如圖I (a)所示。參照此類配置方式使用角度頭刀柄時(shí)的RTCP點(diǎn)的設(shè)置則如圖I (b)所示。通過將樞軸距參數(shù)輸入數(shù)控系統(tǒng)，準(zhǔn)確地設(shè)置RTCP點(diǎn)為角度頭主軸中心線與刀具軸線的交點(diǎn)，如圖I (c)所示，SP等同于消除了圖I (b)中的偏距P;
步驟3、測量刀長距參數(shù)如圖3所示。主軸中心線(或RTCP點(diǎn))至角度頭側(cè)面距離D1可從角度頭產(chǎn)品說明書中獲取或者實(shí)物精確測量；角度頭側(cè)面至刀具中心點(diǎn)距離D2由測量得到；然后將兩者相加即得刀長距參數(shù)D，即D=DJD2 ；
步驟4、經(jīng)過RTCP功能的設(shè)置之后，刀具運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生的非線性誤差原理如圖4所示。刀具的RTCP點(diǎn)從/^^運(yùn)動到&，而刀具中心點(diǎn)從運(yùn)動到,。由于RTCP功能的特點(diǎn)，RTCP點(diǎn)從^運(yùn)動到的軌跡為直線，則^運(yùn)動到^的軌跡為曲線。因此，此時(shí)考慮通過后置處理進(jìn)行非線性誤差控制，即在后置處理計(jì)算中，在刀軌的點(diǎn)位間插入適當(dāng)?shù)男曼c(diǎn)位，如圖5所示，縮短點(diǎn)位間距，以此限制點(diǎn)位間產(chǎn)生的最大誤差。以下步驟將在后置處理中進(jìn)行非線性
誤差處理，相關(guān)流程如圖6所示，需要輸入的相關(guān)條件:初始刀點(diǎn)位置JJ、初始刀軸矢量_、結(jié)束刀點(diǎn)位置$、結(jié)束刀點(diǎn)矢量K、精度參數(shù)t、刀長距參數(shù)D ；
步驟5、結(jié)合圖5依據(jù)初始刀點(diǎn)位置,、初始刀軸矢量計(jì)算出初始RTCP點(diǎn)位置為
權(quán)利要求
1.一種采用角度頭刀柄進(jìn)行數(shù)控加工的非線性誤差處理方法，其特征在于， 將角度頭加工中的非線性誤差分為RTCP點(diǎn)到機(jī)床旋轉(zhuǎn)中心的方向和RTCP點(diǎn)到角度頭刀具中心點(diǎn)的方向兩個方向進(jìn)行處理，包括以下步驟 1)測量RTCP點(diǎn)到機(jī)床旋轉(zhuǎn)中心的距離參數(shù),且稱為樞軸距參數(shù),針對于加工時(shí)主軸方向上的誤差采用數(shù)控系統(tǒng)RTCP功能來處理；依據(jù)樞軸距，將RTCP點(diǎn)設(shè)置在角度頭上的刀具旋轉(zhuǎn)軸線與機(jī)床主軸線的交點(diǎn)； 2)測量RTCP點(diǎn)到角度頭刀具中心點(diǎn)的距離參數(shù)，且稱為刀長距參數(shù)，針對于加工時(shí)刀具方向上的誤差在后置處理中進(jìn)行控制；首先確立非線性運(yùn)動誤差中的精度參數(shù)、刀長距參數(shù)與插入點(diǎn)位間距之間的關(guān)系，然后依據(jù)此關(guān)系以及用戶的精度參數(shù)和刀長距參數(shù)，進(jìn)行點(diǎn)位的插入。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種采用角度頭刀柄進(jìn)行數(shù)控加工的非線性誤差處理方法，其特征在于所述步驟2)中后置處理點(diǎn)位的插入，對于后置程序中某兩個點(diǎn)位，若誤差大于允許值，則插入新的點(diǎn)位，然后以新的點(diǎn)位為起點(diǎn)，計(jì)算其與后一個點(diǎn)位之間的誤差，并依據(jù)誤差是否滿足要求插入新的點(diǎn)位，如此循環(huán)算直到不需插入新的點(diǎn)位為止，通過在后置程序中的點(diǎn)位間插入新的刀位點(diǎn)，控制走刀步長，使刀位數(shù)據(jù)密化，從而有效控制非線性運(yùn)動誤差。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用角度頭刀柄進(jìn)行數(shù)控加工的非線性誤差處理方法。該方法首先依據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)測量樞軸距和刀長距參數(shù)，然后根據(jù)樞軸距參數(shù)設(shè)定加工中合適的RTCP點(diǎn)，處理主軸方向上的非線性誤差。根據(jù)刀長距參數(shù)和加工精度參數(shù)，在對刀具運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，建立刀具運(yùn)動的非線性誤差估計(jì)模型，在后置程序中通過插入合適的點(diǎn)位，處理角度頭刀具方向產(chǎn)生的非線性誤差。該方法解決了現(xiàn)有數(shù)控系統(tǒng)RTCP功能在角度頭加工應(yīng)用時(shí)的通用性問題，提高了加工效率，同時(shí)保證了使用角度頭進(jìn)行數(shù)控加工的精度，實(shí)現(xiàn)了采用角度頭加工時(shí)的非線性誤差控制。
文檔編號G05B19/404GK102629120SQ201210065618
公開日2012年8月8日 申請日期2012年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月14日
發(fā)明者劉旭, 劉長青, 李海, 李迎光, 王偉 申請人:南京航空航天大學(xué)