一種數(shù)控機(jī)床綜合誤差可視化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種數(shù)控機(jī)床綜合誤差可視化方法，包括：讀取需加工的工件三維模型，選擇相應(yīng)的加工要求，得到相應(yīng)的名義CL文件；數(shù)控機(jī)床后處理程序讀取名義CL文件，得到相應(yīng)的名義NC代碼；將名義NC代碼中各個軸的伺服進(jìn)給量輸入到數(shù)控機(jī)床綜合誤差模型中，得到機(jī)床加工此工件產(chǎn)生的綜合誤差；機(jī)床綜合誤差結(jié)合名義CL文件，得到能反映機(jī)床綜合誤差的CL文件；用誤差CL文件對機(jī)床進(jìn)行模擬仿真加工，得到包含機(jī)床誤差的工件模型，從而實現(xiàn)機(jī)床綜合誤差的可視化。該發(fā)明適合于不同類型的數(shù)控機(jī)床，可以清楚地反映出機(jī)床誤差對加工的影響程度，對后續(xù)的補償措施以及加工參數(shù)的調(diào)整有重大指導(dǎo)意義，對于提高機(jī)床加工精度有很大幫助。
【專利說明】
-種數(shù)控機(jī)床綜合誤差可視化方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及五軸數(shù)控機(jī)床誤差領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種數(shù)控機(jī)床綜合誤差可視化方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著制造業(yè)的高速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的需求也越來越大。由于對產(chǎn)品的精度要求越 來越高，數(shù)控機(jī)床的精度顯得尤為重要。數(shù)控機(jī)床各種誤差都會在一定程度上影響機(jī)床的 加工精度，通過提高補償各種誤差來提高誤差精度是一種有效地措施。機(jī)床誤差包括機(jī)床 熱誤差、幾何誤差、切削誤差等，其中熱誤差和幾何誤差占70%左右。目前，機(jī)床誤差建模技 術(shù)已經(jīng)比較成熟，機(jī)床誤差模型可W計算出各個誤差項對機(jī)床加工精度的最終影響。同時， 根據(jù)機(jī)床誤差模型建立的補償技術(shù)也比較多樣，根據(jù)誤差模型計算出補償量。機(jī)床的誤差 補償技術(shù)可W很大程度的提高機(jī)床精度，但是機(jī)床的綜合誤差對加工精度影響可視化研究 不是很多。
[0003] 在對機(jī)床補償前，可W對機(jī)床綜合誤差進(jìn)行直觀地分析研究，運就需要實現(xiàn)機(jī)床 綜合誤差的可視化。因為考慮到補償?shù)慕?jīng)濟(jì)效益，并不是所有的誤差都需要進(jìn)行補償，將誤 差可視化后就可W直觀地得到誤差對精度的影響，然后再決定補償策略，或者通過調(diào)整加 工參數(shù)來提高機(jī)床加工精度。那么機(jī)床誤差的可視化就具有特別的價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供了一種適合于各種數(shù)控機(jī)床的通用綜合誤差可視化方法，其根據(jù)加工 工件=維模型實現(xiàn)機(jī)床加工誤差的可視化，直觀地分析機(jī)床誤差對加工工件的影響，對提 高機(jī)床加工精度有指導(dǎo)意義。
[0005] -種數(shù)控機(jī)床綜合誤差可視化方法，包括如下步驟：
[0006] 步驟1、根據(jù)需加工的工件=維模型，選擇相應(yīng)的加工要求，得到相應(yīng)的刀位文件， 即名義化文件；
[0007] 步驟2、根據(jù)數(shù)控機(jī)床后處理程序讀取名義化文件，得到相應(yīng)的名義加工代碼，即 名義NC代碼；
[000引步驟3、將名義加工代碼中各個軸的伺服進(jìn)給量輸入到數(shù)控機(jī)床綜合誤差模型中， 得到機(jī)床加工此工件產(chǎn)生的機(jī)床綜合誤差；
[0009] 步驟4、機(jī)床綜合誤差結(jié)合名義化文件，得到包含機(jī)床誤差的誤差化文件，即能反 映機(jī)床綜合誤差的化文件；
[0010] 步驟5、用誤差化文件對機(jī)床進(jìn)行模擬仿真加工，得到包含機(jī)床誤差的工件模型， 從而實現(xiàn)機(jī)床綜合誤差的可視化。
[00川步驟1中可W利用CAM軟件，選擇合適的加工參數(shù)得到名義CL文件，如UG， 化WerMi 11等;得到的名義化文件，包括刀具位置信息和刀具姿態(tài)信息。
[0012]進(jìn)一步地，步驟2中機(jī)床后處理程序與機(jī)床的類型有關(guān)，如=軸數(shù)控機(jī)床，四軸機(jī) 床，W及五軸數(shù)控機(jī)床，如果是多軸數(shù)控機(jī)床(大于=軸），與其旋轉(zhuǎn)軸類型也有關(guān)。機(jī)床后 處理程序根據(jù)機(jī)床正向運動學(xué)進(jìn)行編寫。得到的加工代碼形式應(yīng)與數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)相 符，如G代碼，L代碼等，NC代碼能夠反映各個軸的伺服進(jìn)給量。
[0013] 進(jìn)一步地，步驟3中數(shù)控機(jī)床綜合誤差模型與數(shù)控機(jī)床類型和具體結(jié)構(gòu)有關(guān)，可包 括機(jī)床幾何誤差、熱誤差、切削誤差等。得到的綜合誤差包含刀具位置誤差和姿態(tài)誤差。
[0014] 進(jìn)一步地，所述步驟5中根據(jù)誤差化文件實現(xiàn)機(jī)床誤差可視化的具體方法為：
[0015] 步驟5.1、根據(jù)名義化文件和誤差化文件中的刀具位置信息，重繪出工件模型，與 原工件S維模型比較，即可實現(xiàn)基于化文件的工件模型誤差可視化；
[0016] 步驟5.2、將誤差化文件輸入到機(jī)床后處理程序中，得到反映機(jī)床綜合誤差的加工 代碼，即誤差NC代碼；
[0017] 步驟5.3、根據(jù)名義NC代碼和誤差NC代碼，利用CAM軟件進(jìn)行仿真加工，比較兩者加 工工件區(qū)別，從而實現(xiàn)基于加工代碼的工件加工誤差可視化效果。
[001引進(jìn)一步地，步驟5.1中模型重繪軟件可W用MATLAB等實現(xiàn)；
[0019] 進(jìn)一步地，步驟5.3 中 CAM 軟件有Ver i cut、UG、PowerMi 11 等；
[0020] 本發(fā)明方法利用機(jī)床誤差模型結(jié)合工件=維模型來實現(xiàn)機(jī)床綜合誤差的可視化， 可W直觀地反映機(jī)床誤差對加工精度的影響，簡單清楚。
[0021] 本發(fā)明是數(shù)控機(jī)床綜合誤差可視化方法，具體的有益效果是：
[0022] 結(jié)合加工工件=維模型，利用CAM軟件實現(xiàn)模擬仿真機(jī)床的綜合誤差。該方法適合 于不同的數(shù)控機(jī)床，可W清楚地反映出機(jī)床誤差對加工的影響程度，對后續(xù)的補償措施W 及加工參數(shù)的調(diào)整有重大指導(dǎo)意義。
【附圖說明】
[0023] 圖1為某加工工件S維模型；
[0024] 圖2為某CAFYXZ型五軸數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖3為名義化文件和誤差化文件重繪工件模型比較圖；
[0026] 圖4為名義NC代碼和誤差NC代碼比較示意圖；
[0027] 圖5a為名義NC代碼加工仿真效果圖；
[00%]圖化為誤差NC代碼加工仿真效果圖；
[0029] 圖6為本發(fā)明數(shù)控機(jī)床綜合誤差可視化方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0031] 附圖6所示為本發(fā)明數(shù)控機(jī)床綜合誤差可視化方法流程圖，附圖1所示為某工件= 維模型，附圖2為某五軸數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖，W該機(jī)床加工圖1工件為例，來闡述誤差可視 化方法。為了更方便的闡述該方法，本例子中只是針對機(jī)床的幾何誤差進(jìn)行可視化。
[0032] 步驟1、根據(jù)該工件S維模型，利用UG軟件，設(shè)置相關(guān)精加工參數(shù)，得到相應(yīng)的刀位 文件，即名義化文件；
[0033] 步驟2、根據(jù)數(shù)控機(jī)床后處理程序讀取名義化文件，得到相應(yīng)的名義加工代碼，即 名義NC代碼。機(jī)床后處理程序可W根據(jù)機(jī)床正向運動學(xué)公式建立。
[0034] 步驟3、將名義NC代碼中各個軸的伺服進(jìn)給量輸入到數(shù)控機(jī)床綜合誤差模型中，得 到機(jī)床加工此工件產(chǎn)生的綜合誤差。具體實施過程如下：
[0035] 運里數(shù)控機(jī)床綜合誤差模型是指幾何誤差模型，建模過程如下：
[0036] (1)對于工件運動鏈，得到工作臺相對于床身坐標(biāo)系中的齊次轉(zhuǎn)換矩陣為：
[0037]
[003引其中巧表示A軸相對于床身的齊次變換矩陣;扛表示C軸相對于A軸的齊次變換矩 陣;J；e表示工作臺相對于C軸的齊次變換矩陣，為單位矩陣。
[0039] 對于刀具運動鏈，得到刀具相對于床身坐標(biāo)系中的齊次轉(zhuǎn)換矩陣為：
[0040]
[0041] 其中巧表示Y軸相對于床身的齊次變換矩陣；的表示X軸相對于Y軸的齊次變換矩 陣；盡表示巧由相對于X軸的齊次變換矩陣;Tt嗦示刀具相對于巧由的齊次變換矩陣，運里為 單位矩陣。
[0042] 為了反映機(jī)床綜合誤差對加工工件精度的影響，誤差模型應(yīng)在工作臺坐標(biāo)系下進(jìn) 行表示，則需得到刀具在工作臺坐標(biāo)系下的齊次轉(zhuǎn)換矩陣：
[0043]
(I)
[0044] (2)考慮機(jī)床各個軸幾何誤差項，則各個部件(指加工機(jī)床的各個軸）的齊次變換 矩陣為：
[0045]
(2)
[0046] 其中;?；^表示部件k相對部件j的包含誤差項的齊次變換矩陣；;表示理想的齊次 變換矩陣，。巧表示部件k的誤差齊次矩陣，比如A軸和C軸的誤差齊次矩陣為：
[0047]
[004引
[0049] 其中Su表示巧由i方向的線性誤差；EU表示巧由i方向的轉(zhuǎn)角誤差，Su表示i軸和巧由 之間的垂直度誤差。
[0050] 根據(jù)式（1)和（2)，考慮各個部件的幾何誤差項，得到刀具在工作臺坐標(biāo)系下的包 含機(jī)床所有幾何誤差項的齊次轉(zhuǎn)換矩陣。
[0051 ]那么該五軸數(shù)控機(jī)床的幾何誤差模型為：
[0052] pe=[px,Py,Pz,l]^=(sT/-iT/) ? [0,0,0,1]^ (3)
[0053] Ve= [Vx, Vy, Vz, 1]T= (sTtW-iT/) ?[0,0,1，0]T (4)
[0054] 其中Pe表示刀具位置誤差，Ve表示刀具姿態(tài)誤差;sT/表示刀具在工作臺坐標(biāo)系下 的包含機(jī)床所有幾何誤差項的齊次轉(zhuǎn)換矩陣，iTtW表示刀具在工作臺坐標(biāo)系下的包含機(jī)床 的理想齊次轉(zhuǎn)換矩陣。則刀具位置誤差為：
[00己己] Px=-Cosy ? 5xa_5xc_sin y ? 5ya+sina ? sin y ? (5zx+5zy+5zz-xeyy)
[00 日 6] +cosy ? (-zSxz+5xx+5xy+5xz+z(eyx+eyy))-xsin y ? (Say+eza+￡zc)
[00己7] +y(sina ? (cos y ? Saz+Scx-sin y ? ￡xa+COS y ? eya+￡yc)+COSa ? cos y ? (Say+￡za+ ￡zc))
[00己引 +Z(-COSa ? (cos y ? Saz+Scx-sin y ? ￡xa+COS y ? eya+￡yc)+COS y ? sina ? (Say+￡za + ￡zc))
[00己9] +cosa ? sin y ? (_xSxy_zSyz+5yx+5yy+5yz_z(exx+exy)+xezy)
[0060] Py = Siny ? Sxa-cos y ? 5ya-5y〇+cos y ? sina ? (5zx+5zy+5zz_xeyy)
[0061 ] +sin y ? ( _zSxz+5xx+5xy+5xz+Z ￡yx+Z ￡yy) _XCOS y ? (Say+^za+^zc)
[0062] -y(sina ? (Scy+COS y ? exa+^xc+sin y ? (Saz + ￡ya) )+COSa ? siny ? (Say+eza+￡zc))
[0063] +Z(COSa ? (Scy+COS y ? exa+^xc+sin y ? (Saz + ￡ya) )-sina ? siny ? (Say+eza+￡zc))
[0064] +cosa ? cos y ? (_xSxy_zSyz+5yx+5yy+5yz_z(exx+exy)+xezy)
[0065] pz 二-Sza-Szc+X(Saz+sin y ? (Scy+￡xc) + ￡ya+COS y ? (Scx+￡yc))
[0066] +ycosa ? (-exa-cos y ? (Scy+￡xc)+sin y ? (Scx+￡yc))
[0067] +zsina ? (-exa-cos y ? (Scy+￡xc)+sin y ? (Scx+￡yc) )+cosa ? (5zx+5zy+5zz-xeyy)
[0068] -sina ? (_xSxy-zSyz+5yx+5yy+5yz-z(exx+exy)+xezy)
[0069] 刀具姿態(tài)誤差為：
[0070] Vx = -Cosa ? sin y ? (exx+exy+￡xz)_cosa ? (cos y ? Saz+Scx-sin y ? ￡xa+cos y ? Eya+Eye)
[0071] +cosy ? (eyx+eyy+￡yz)+sina ? (cos y ? (Say+￡za)+COS y ? ￡zc)
[0072] Vy = -Cosa ? cos y ? ( exx+exy+￡xz)+COSa ? (Scy+cosy ? exa+^xc+sin y ? (Saz+￡ya))
[0073] -sin y ? (eyx+eyy+￡yz)+sina ? (-sin y ? (Say+￡za)_sin y ? ￡zc)
[0074] Vz二sina ? (-exa-cos y ? (Scy+exc)+￡xx+e巧+￡xz+sin y ? (Scx+￡yc))
[007日]a表示A軸轉(zhuǎn)角，y表示C軸轉(zhuǎn)角，Sij、eij、Sij定義同上。
[0076] (3)結(jié)合機(jī)床各個幾何誤差項數(shù)值，將名義NC代碼中各個軸的伺服進(jìn)給量，帶入式 (3)和式(4)中得到機(jī)床綜合幾何誤差模型中，包括刀具位置誤差和姿態(tài)誤差，得到機(jī)床加 工此工件產(chǎn)生的刀具位置誤差和刀具姿態(tài)誤差。其中機(jī)床各個幾何誤差項可^通過激光干 涉儀、球桿儀等儀器測量得到。
[0077] 步驟4、將得到刀具位置誤差加上名義化文件中的刀具位置信息，得到包含機(jī)床誤 差的誤差化文件中的刀具位置信息;將得到刀具姿態(tài)誤差加上名義化文件中的刀具姿態(tài)信 息，得到包含機(jī)床誤差的誤差化文件中的刀具姿態(tài)信息。
[0078] 步驟5、用誤差化文件對機(jī)床進(jìn)行模擬仿真加工，得到包含機(jī)床誤差的工件模型， 從而實現(xiàn)機(jī)床綜合誤差的可視化，具體步驟為：
[0079] 步驟5.1、根據(jù)名義化文件和誤差化文件中的刀具位置信息，用MATLAB軟件重繪出 這兩個文件對應(yīng)的工件模型，并與原工件蘭維模型比較，實現(xiàn)基于化文件的工件模型誤差 可視化。附圖3為工件模型比較圖，可W直觀得到誤差對機(jī)床精度的影響。
[0080] 步驟5.2、將誤差化文件重新輸入到機(jī)床后處理程序中，得到反映機(jī)床綜合誤差的 加工代碼，即誤差NC代碼。附圖4為名義NC代碼和誤差NC代碼比較示意圖。
[0081 ]步驟5.3、根據(jù)名義NC代碼和誤差NC代碼，利用Vericut軟件進(jìn)行仿真加工，比較兩 者加工工件區(qū)別，從而實現(xiàn)基于加工代碼的工件加工誤差可視化效果。附圖5a為名義NC代 碼加工仿真效果圖，圖化為誤差代碼加工仿真效果。圖化與圖5a比較可W發(fā)現(xiàn)，加工的工件 精度降低，運些就是由于機(jī)床誤差造成的。
[0082]本發(fā)明最后可W實現(xiàn)機(jī)床誤差的可視化。附圖只是一個優(yōu)選實施例，上述的實施 例只是為了描述本發(fā)明，并不用W限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何 修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本方面的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種數(shù)控機(jī)床綜合誤差可視化方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟1、讀取需加工的工件三維模型，根據(jù)相應(yīng)的加工要求，得到名義CL文件； 步驟2、數(shù)控機(jī)床后處理程序讀取名義CL文件，得到名義NC代碼； 步驟3、將名義NC代碼中各個軸的伺服進(jìn)給量輸入到數(shù)控機(jī)床綜合誤差模型中，得到機(jī) 床加工此工件產(chǎn)生的機(jī)床綜合誤差； 步驟4、機(jī)床綜合誤差結(jié)合名義CL文件，得到包含機(jī)床誤差的誤差CL文件； 步驟5、用誤差CL文件對機(jī)床進(jìn)行模擬仿真加工，得到包含機(jī)床誤差的工件模型，從而 實現(xiàn)機(jī)床綜合誤差的可視化。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控機(jī)床綜合誤差可視化方法，其特征在于，所述步驟1中采 用的軟件為UG或PowerMill，得到的名義CL文件，包括刀具位置信息和刀具姿態(tài)信息。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控機(jī)床綜合誤差可視化方法，其特征在于，所述步驟2中機(jī) 床后處理程序根據(jù)機(jī)床正向運動學(xué)進(jìn)行編寫。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控機(jī)床綜合誤差可視化方法，其特征在于，所述步驟3中得 到的機(jī)床綜合誤差包括刀具位置誤差和刀具姿態(tài)誤差。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的數(shù)控機(jī)床綜合誤差可視化方法，其特征在于，所述步驟4具體 為:將得到的刀具位置誤差加上名義CL文件中的刀具位置信息，得到包含機(jī)床誤差的誤差 CL文件中的刀具位置信息;將得到刀具姿態(tài)誤差加上名義CL文件中的刀具姿態(tài)信息，得到 包含機(jī)床誤差的誤差CL文件中的刀具姿態(tài)彳目息。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控機(jī)床綜合誤差可視化方法，其特征在于，所述步驟5中根 據(jù)誤差CL文件實現(xiàn)機(jī)床誤差可視化的具體方法為： 步驟5.1、根據(jù)名義CL文件和誤差CL文件中的刀具位置信息，重繪出工件模型，與原工 件三維模型比較，實現(xiàn)基于CL文件的工件模型誤差可視化； 步驟5.2、將誤差CL文件輸入到機(jī)床后處理程序中，得到反映機(jī)床綜合誤差的誤差NC代 碼； 步驟5.3、根據(jù)名義NC代碼和誤差NC代碼，利用CAM軟件進(jìn)行仿真加工，比較兩者加工工 件區(qū)別，實現(xiàn)基于加工代碼的工件加工誤差可視化。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的數(shù)控機(jī)床綜合誤差可視化方法，其特征在于，步驟5.1中工件 模型重繪軟件為MATLAB或犀牛。8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的數(shù)控機(jī)床綜合誤差可視化方法，其特征在于，步驟5.3中CAM軟 件為 Vericut、UG 或 PowerMill 〇
【文檔編號】G05B19/4097GK106020114SQ201610342889
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月20日
【發(fā)明人】傅建中, 付國強(qiáng), 賀永, 甘文峰, 賴金濤
【申請人】浙江大學(xué)