一種基於指令序列分析的數控工具機加工動態誤差補償方法

2023-07-05 07:21:01

專利名稱：一種基於指令序列分析的數控工具機加工動態誤差補償方法
技術領域：
本發明涉及數控工具機加工誤差補償技術領域，具體是一種基於指令序列分析的數 控工具機加工動態誤差補償方法。
背景技術：
數控工具機是一種高效的自動化加工設備，它嚴格按照加工程序，自動的對被加工 工件進行加工，把從數控系統外部輸入的直接用於加工的程序稱為數控加工程序，數控加 工程序表示了數控工具機要完成的全部動作。一個完整的數控加工程序由程序名、程序內容 和程序結束指令三部分組成，程序內容是整個數控加工程序的核心，它由若干個程序段組 成，每個程序段是一個完整的加工工步單元，它由若干個指令字組成。指令字是指一系列按 規定排列的字符，作為一個信息單元存儲、傳遞和操作。指令字是由一個英文字母與隨後的 若干位十進位數字組成，這個英文字母稱為地址符。如「X250」是一個指令字，X為地址符， 數字「250」為地址中的內容。指令字是數控加工程序中最小的有效單位。把一個數控加工 程序的程序段按照加工順序進行排列，所構成的一個序列，稱為指令序列。由於目前的數控加工程序在設計編寫時，只基於加工零件的幾何輪廓特徵，是加 工軌跡的幾何信息表達，沒有考慮數控工具機的機電系統動態特性，因此，容易帶來實際運行 軌跡與編程軌跡的偏離。例如，在加工由大量小線段構成的數控加工程序的過程中，數控加 工程序指令段表示的線段長度微小，由於機電系統加速度和速度特性限制容易導致動態誤 差超過允許範圍，產生加工的過衝或欠切。動態誤差用來表示數控工具機在加工過程中的實 際反饋位置與目標位置的差值。這樣一些由於在數控加工程序規劃編寫時，沒有考慮到機 電系統的動態特性而帶來的動態誤差，稱為指令序列引起的動態誤差。為保證加工精度，採用誤差補償的方式控制軌跡的偏離，通過人為地製造一種新 的誤差去抵消或減弱當前成為問題的原始誤差。通過分析、統計、歸納及掌握原始誤差的特 點和規律，建立誤差數學模型，儘可能使得人為造出的誤差和原始誤差在數值上相等，方向 相反，從而減少加工誤差，提高零件加工的精度。誤差補償一般採用硬體補償和軟體補償兩 種方式，例如，根據測出的傳動鏈誤差曲線，製造滾齒機的凸輪校正機構；根據測量的螺距 誤差曲線，製造絲杆車床的校正尺裝置等，這些硬體補償方式屬於機械式的固定補償，在機 床誤差發生變化時，要對新誤差進行補償必須重新製作凸輪，校正尺或重新調整補償機構， 硬體補償方式是基於誤差預防的，無法補償加工過程中出現的隨機誤差，缺乏柔性，且對於 精度達到一定程度的誤差補償，這種補償方式所花費的精力和成本是巨大的。另外一種方 式是軟體補償方式，藉助現代信號分析處理手段對數控工具機加工過程的誤差進行測量，根 據測量得到的信息建立加工過程的動態誤差預測模型，預測在實際加工過程中的誤差情 況，根據此模型，對正式加工的軌跡偏離量進行預測，從而在加工過程中，在相應環節進行 實時的誤差補償。在加工過程中，往往按照以下步驟來實施誤差補償首先，通過對數控機 床的各項檢測和測量，建立該工具機的誤差預報模型，再將模型輸入到數控系統，在加工過程 中，數控系統根據預報模型，在對應的處理環節實時預報誤差量，並對應輸出一個補償量，從而實現加工過程中動態誤差的實時補償。這種補償方式需要在正式加工前，對數控工具機 進行測量，建立誤差預報模型，一旦模型確定下來，對後面在此工具機上加工的任何數控加工 程序都採用此模型進行誤差預報和補償控制。因此對誤差補償模型的通用性和準確性提出 了很高的要求，一旦誤差模型建立不準確，將無法有效對誤差進行控制。動態誤差是各種影 響因素的綜合體現，確定其補償模型的算法往往比較複雜，此方式對數控工具機用戶的技術 能力和知識程度要求很高，不便於實際操作和應用。以上誤差補償技術都是在系統或工具機的設計開發過程中進行實施的，只能由設計 和開發人員完成，工具機用戶無法實現對加工過程的動態誤差的控制和補償。

發明內容
本發明的目的在於提供一種基於指令序列分析的數控工具機加工動態誤差補償方 法，該方法可以實現對數控工具機加工過程的動態誤差的控制和補償。本發明提供的一種基於指令序列分析的數控工具機加工動態誤差補償方法，其步驟 包括(1)通過自學習方式，獲取數控工具機加工過程的多種信息曲線圖；(2)根據預先設定的動態誤差閾值要求，在步驟(1)所得到的各個運動軸基於 指令序列的動態誤差曲線圖中查找是否有超過動態誤差閾值的程序段，如果有，進入步驟 (3)，否則轉入步驟(4)；(3)根據步驟(2)得到的超過動態誤差閾值的程序段和它所對應的運動軸，對數 控加工程序進行優化，優化完成後輸出優化後的數控加工程序，然後進入步驟(4)；(4)將優化後的數控加工程序調入數控系統加工緩衝區，進行加工，實現動態誤差 的補償。數控工具機在加工過程中受到各種不同的內/外部因素影響，使其加工軌跡偏離編 程軌跡，影響了加工精度，與現有的技術相比，本發明具有下列區別於傳統方法的顯著優 勢1、建立基於指令序列的加工過程信息曲線圖，突破了傳統方式採用時間序列或頻 率序列的建模方式，將各種加工信息與數控加工程序的程序段相對應，直接明了。2、通過學習方式獲取數控工具機加工過程中的動態誤差規律，此方式無需另外附加 信號採集傳感器，不用額外的數據分析和算法設計，操作過程簡單方便。3、通過直接修改數控加工程序來實現對數控加工程序的動態誤差的補償，讓用戶 也可以方便的實現動態誤差補償。


圖1為本發明方法的實施步驟流程圖；圖2為本發明的數控工具機加工信息採集的數據流程圖；圖3為本發明的基於指令序列的動態誤差曲線圖。圖4為本發明的基於指令序列的加工速度曲線圖。Ex為X軸的動態誤差指示軸，P為加工G代碼的指令序列指示軸，F為加工速度指 示軸，er為動態誤差閾值，A點為動態誤差超過閾值的誤差值，N11，N12，N13，N14，N15，N16，
4N17,NlS000000分別為待補償數控加工程序的程序段號。圖5為本發明的採用優化刀具軌跡方式優化數控加工程序的示意圖。圖6為本發明的通過修改速度指令字優化的數控加工程序前後對比圖，(6. 1)為 待優化的數控加工程序，(6.2)為優化後的數控加工程序。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步說明。如圖1所示，本發明所提供的一種基於指令序列分析的數控工具機加工動態誤差補 償方法包含如下步驟步驟1 通過自學習方式，獲取數控工具機加工過程的多種信息曲線圖。如圖2所示，在數控工具機運行待補償的數控加工程序的過程中，對數控系統執行 的每個插補周期，從數控系統原有的軟體程序的插補模塊中獲取當前插補周期的加工信 息，包括加工速度、各個運動軸的實際位置和動態誤差等數據，同時，從數控系統原有的軟 件程序的解釋模塊獲取當前正在執行的程序段。此步驟中，還對每個程序段開始和結束運 行的時間進行記錄，對加工信息每次的獲取時刻也進行記錄。待數控工具機運行完畢後，根據記錄的加工信息，以指令序列為橫坐標，分別以速 度、每個運動軸動態誤差等加工信息為縱坐標，繪製出基於指令序列的速度曲線圖以及每 個運動軸的動態誤差曲線圖，同時，根據得到的實際位置繪製運動軌跡圖。例如圖3所示 為X軸基於指令序列的動態誤差曲線圖，圖4為基於指令序列的速度曲線圖。步驟2 根據動態誤差閾值要求，在步驟1所得到的各個運動軸基於指令序列的動 態誤差曲線圖中查找是否有超過動態誤差閾值的程序段，如果有，進入步驟3，否則轉入步 驟4。根據預先設定的動態誤差閾值，動態誤差閾值依據被加工零件的精度要求和機 床機電系統的控制精度能力進行設定，通常而言，動態誤差閾值的取值範圍為0. OOlmm到 1mm。在步驟1生成的各個運動軸基於指令序列的動態誤差曲線圖上查找是否有超過動態 誤差閾值的程序段，如果沒有，則將該數控加工程序送入加工緩衝區。若有超過動態誤差閾 值的程序段，則將該加工程序進行優化。如圖3中，er為設定的動態誤差閾值，A為超出er的誤差點，出現在附4號程序段 過渡到N15號程序段的過程中。如圖4中，N14號程序段過渡到N15號程序段時，速度出現 了較大的跳躍，這種情況下往往會產生過衝或欠切，導致動態誤差過大。因此，需要對數控 加工程序進行優化。步驟3 根據步驟2得到的超過動態誤差閾值的程序段和它所對應的運動軸，對數 控加工程序進行優化，輸出優化後的數控加工程序。本發明對數控加工程序進行優化的方式並無特殊的要求，如可採用優化刀具軌 跡、優化切削參數或/和補償誤差量的方式進行優化。採用優化刀具軌跡方式即對數控加 工程序的程序段進行修改和調整，優化切削參數即對數控加工程序的程序段指令字進行修 改和調整，補償誤差量方式即在數控加工程序原程序段所指定的每個軸的移動量上累加上 各軸的補償量。例如採用優化刀具軌跡分兩步進行，第一步，刪除或增加程序段，將步驟1獲取的運動軌跡圖與被加工零件的設計輪廓圖進行對比，搜索出運動軌跡和輪廓軌跡之間超過 輪廓誤差閾值的程序段，輪廓誤差閾值根據被加工零件的精度要求確定，通常而言，輪廓誤 差閾值的取值範圍為0. OOlmm到1mm。如果該程序段與超過動態誤差閾值的段正好對應，且 此段運行的距離小於1mm，則將此段刪除，同時將前後兩段進行銜接，如圖5所示，1為預先 存儲的零件輪廓a- > b- > C- > e，2為獲取的運動軌跡al- > bl_ > cl_ > dl_ > el, 3為優化後的運動軌跡，δ為輪廓誤差。相鄰兩點之間的運動軌跡分別對應一個加工程序 段，2中cl- > dl程序段與零件的設計輪廓不符合，且從cl點開始，輪廓誤差超過了允許 輪廓誤差的閾值，且cl- > dl的距離小於1mm，因此，將該段刪除，將bl_ > cl和dl- > el 銜接起來，取cl- > dl程序段的中點位置作為銜接點的位置，分別修改bl- > cl和dl- > el所對應的程序段。如果運動軌跡的輪廓誤差沒有超過允許的輪廓誤差閾值，而且出現動態誤差超過 閾值的兩個程序段之間的夾角小於等於90度，則採用插入過渡程序段方式對數控加工程 序進行優化。例如，數控加工程序所運行的軌跡為A- > B- > C，在轉角B點時出現了動態 誤差超過動態誤差閾值，而輪廓誤差並沒有超過輪廓誤差閾值。則在兩段之間插入圓弧段 進行過渡，其圓弧段的半逕取大於1倍刀具半徑而小於兩倍刀具半徑之間的值，且切削接 觸長度小於刀具截面周長的1/3。如果不屬於以上兩種情況，就到第二步，採用修正速度指令字的方式對數控加工 程序進行優化。根據步驟2中給出的超過動態誤差閾值的程序段(超過動態誤差閾值的動 態誤差往往出現在兩個程序段過渡的時候，因此，給出的是此時過渡的兩個相鄰程序段)， 對應在步驟1所獲取的基於指令序列的速度曲線圖中查找程序段的速度變化值，對出現超 過動態誤差閾值的相鄰兩程序段進行速度均勻化處理。速度均勻化的方式有多種，如將 高速程序段速度改為平均速度等，即設低速程序段指令速度為F1，高速程序段指令速度為 F2，取Fm= (F1+F2V2，將高速程序段速度修改為Fm。例如從圖4的基於指令序列的速度 曲線圖上可以看出，速度在程序段N14和N15之間出現了突然的跳變，低速為1000，高速為 5000，修改程序段W5的速度指令字為F3000，圖6中所示。步驟4 將優化後的數控加工程序調入數控系統加工緩衝區，進行加工，實現動態 誤差的補償。本發明不僅局限於上述具體實施方式
，本領域一般技術人員根據實施例和附圖公 開的內容，可以採用其它多種具體實施方式
實施本發明，因此，凡是採用本發明的設計結構 和思路，做一些簡單的變化或更改的設計，都落入本發明保護的範圍。
權利要求
1.一種基於指令序列分析的數控工具機加工動態誤差補償方法，其步驟包括(1)通過自學習方式，獲取數控工具機加工過程的信息曲線圖，信息曲線圖包括速度曲線 圖、每個運動軸的動態誤差曲線圖和運動軌跡圖；(2)根據預先設定的動態誤差閾值要求，在步驟(1)所得到的各個運動軸基於指令序 列的動態誤差曲線圖中查找是否有超過動態誤差閾值的程序段，如果有，進入步驟(3)，否 則轉入步驟⑷；(3)根據步驟(2)得到的超過動態誤差閾值的程序段和它所對應的運動軸，對數控加 工程序進行優化，優化完成後輸出優化後的數控加工程序，然後進入步驟(4)；(4)將優化後的數控加工程序調入數控系統加工緩衝區，進行加工，實現動態誤差的補
2.根據權利要求1所述的數控工具機加工動態誤差補償方法，其特徵在於，按照下述過 程獲取信息曲線圖在數控工具機運行待補償的數控加工程序的過程中，對數控系統執行的每個插補周期， 從數控系統原有的軟體程序的插補模塊中獲取當前插補周期的加工信息，包括加工速度、 各個運動軸的實際位置和動態誤差數據，同時，從數控系統原有的軟體程序的解釋模塊獲 取當前正在執行的程序段；此步驟中，還對每個程序段開始和結束運行的時間進行記錄，對 加工信息每次的獲取時刻也進行記錄；待數控工具機運行完畢後，根據記錄的加工信息，以指令序列為橫坐標，分別以速度、每 個運動軸動態誤差等加工信息為縱坐標，繪製出基於指令序列的速度曲線圖以及每個運動 軸的動態誤差曲線圖，同時，根據得到的實際位置繪製運動軌跡圖。
3.根據權利要求1或2所述的數控工具機加工動態誤差補償方法，其特徵在於，步驟(3) 採用優化刀具軌跡、優化切削參數或/和補償誤差量的方式進行優化，採用優化刀具軌跡 方式即對數控加工程序的程序段進行修改和調整，優化切削參數即對數控加工程序的程序 段指令字進行修改和調整，補償誤差量方式即在數控加工程序原程序段所指定的每個軸的 移動量上累加上各軸的補償量。
4.根據權利要求1或2所述的數控工具機加工動態誤差補償方法，其特徵在於，數控加工 程序優化的過程為將步驟(1)獲取的運動軌跡圖與被加工零件的設計輪廓圖進行對比， 搜索出運動軌跡和輪廓軌跡之間超過輪廓誤差閾值的程序段，如果該程序段與超過動態誤 差閾值的段正好對應，且此段運行的距離小於1mm，則將此段刪除，同時將前後兩段進行銜 接，如果運動軌跡的輪廓誤差沒有超過允許的輪廓誤差閾值，而且出現動態誤差超過閾值 的兩個程序段之間的夾角小於等於90度，則採用插入過渡程序段方式對數控加工程序進 行優化，如果不屬於以上兩種情況，則採用修正速度指令字的方式對數控加工程序進行優 化；修正速度指令字的方式為根據步驟(2)中給出的超過動態誤差閾值的程序段，對應 在步驟(1)所獲取的基於指令序列的速度曲線圖中查找程序段的速度變化值，對出現超過 動態誤差閾值的相鄰兩程序段進行速度均勻化處理。
全文摘要
本發明公開了一種基於指令序列分析的數控工具機加工動態誤差補償方法，步驟為①通過自學習方式，獲取數控工具機加工過程的多種信息曲線圖；②根據預先設定的動態誤差閾值要求，在動態誤差曲線圖中查找是否有超過動態誤差閾值的程序段；③根據②得到的超過動態誤差閾值的程序段和它所對應的運動軸，採用優化刀具軌跡、優化切削參數或/和補償誤差量方式對數控加工程序進行優化；④將優化後的數控加工程序調入數控系統加工緩衝區，進行加工，實現動態誤差的補償。本發明突破了傳統方式採用時間序列或頻率序列的建模方式，將各種加工信息與數控加工程序的程序段相對應，直接明了，讓用戶可以方便的實現動態誤差補償。
文檔編號G05B19/404GK102004466SQ20101051879
公開日2011年4月6日 申請日期2010年10月25日 優先權日2010年10月25日
發明者吳繼春, 周向東, 唐小琦, 唐玉枝, 尹玲, 陳吉紅 申請人:華中科技大學, 武漢華中數控股份有限公司