双转台五轴联动数控加工旋转刀具中心点补偿方法

摘要

本发明公开了一种双转台五轴联动数控加工旋转刀具中心点补偿方法，其特征在于所述方法包括当双转台五轴联动数控系统进行空间复杂曲面加工时的刀位轨迹为直线时，通过直线插补进行离散逼近刀具中心点运动轨迹，并启动RTCP模块，所述RTCP模块通过先获得法平面补偿向量再进行投影获得中心点补偿向量和输出位移量，通过输入数轴中心距参数，实现双转台五轴联动数控系统加工中非线性运动误差的补偿。该方法能够很好的抑制非线性运动误差，提高数控加工装备的运行效率，使数控装备能进行高精度、高效率加工，可明显提高零件的加工质量，在机械制造领域有很好的应用前景。

权利要求

1.一种双转台五轴联动数控加工旋转刀具中心点补偿方法，其特征在于所述方法包括当双转台五轴联动数控系统进行空间复杂曲面加工时的刀位轨迹为直线时，通过直线插补进行离散逼近刀具中心点运动轨迹，并启动RTCP模块，所述RTCP即旋转刀具中心点补偿功能，所述RTCP模块通过先获得法平面补偿向量再进行投影获得中心点补偿向量和输出位移量，通过输入数轴中心距参数，实现双转台五轴联动数控系统加工中非线性运动误差的补偿；

其中将旋转空间曲线投影至选自XYZ几何轴中任意两个线性轴确定的某一法平面，计算该法平面的转动半径RXY、RYZ，YZ轴法平面转动初始角度α0，增量Δα，XY法平面转动初T始角度β0，增量Δβ，其中， (P0x P0y P0z) 为根据T T

数轴中心距将(Px Py Pz) 进行坐标变换后的X轴，Y轴，Z轴的坐标值，(Px Py Pz) 为刀具X轴，Y轴，Z轴初始坐标值；

根据转动增量Δα，按照式(1)计算法平面补偿向量Δyp1、Δzp、Δxp、Δyp2：T

将法平面补偿向量作空间投影，并按式(2)得到补偿后坐标值为(P′x P′y P′z)TP′＝(P′x P′y P′z)

即为补偿后的输出位移向量；

具体按照如下步骤进行：

1)令输出位移向量＝刀具初始坐标值，计算指定曲线转动增量，若A轴转动增量为0，则转至5)，否则转至2)；

2)对指定曲线进行投影，先将转动曲线投影至Y轴、Z轴确定的法平面，根据当前刀具位置计算该法平面的转动半径RYZ，及转动初始角度α0，角度计算需考虑机床坐标系制定规则：α0＝tan-1(P0y/P0z)或α0＝tan-1(P0z/P0y)；

(P0y P0z)T为根据数轴中心距，将(Py Pz)T进行坐标变换后的Y轴，Z轴坐标值，其中(Py Pz)T为刀具Y轴，Z轴初始坐标值；

3)根据A轴转动增量Δα，计算法平面补偿向量：T

4)将法平面补偿向量作空间投影，计算首次输出位移量，即(P′y P′z) ：

5)若C轴转动增量为0，则跳至6)，否则跳至10)；

6)对指定曲线进行投影，将转动曲线投影至X轴、Y轴确定的法平面，根据当前刀具位置计算该法平面的转动半径RXY，及转动初始角度β0，角度计算需考虑机床坐标系制定规则：-1 -1

β0＝tan (P0y/P0x)或β0＝tan (P0x/P0y)；

T T T

7)(P0x P0y) 为将(Px P′y) 进行坐标变换后的X轴，Y轴坐标值，(Px Py) 为刀具X轴初始坐标值，Y轴首次输出位移值；

8)根据C轴转动增量Δβ，计算法平面补偿向量：T

9)将法平面补偿向量作空间投影，计算得输出位移量，即(P′x P′y) ：T

10)计算完成，P′＝(P′x P′y P′z) 即为补偿后的输出位移向量；

然后进行程序段补偿计算，步骤如下：

1)读入加工程序段，放入顶层寄存器进行译码操作，对加工轨迹的类型进行判断；

2)若启用RTCP补偿功能，计算整段补偿值：根据数轴中心距及转动增量，利用RTCP算法计算整段输出位移值，通过缓冲区输入译码的方式，把包含新的终点坐标的运动指令赋值给指令字符串，并存入译码缓冲区；

3)对译码缓冲区中新的控制指令进行译码，再将新的加工指令放入二级寄存器；根据坐标系选择指令和对刀偏移坐标，对二级寄存器中的加工代码进行后置处理，将代码送入底层寄存器中执行；

然后进行各插补周期的旋转补偿计算，步骤如下：

1)判断前一段程序是否加工完成，若完成则转至2)，否则转至3)；

2)从底层寄存器读入程序段，获取程序段起始坐标及终点坐标；

3)每隔固定时间进入定时中断处理程序，系统先进行直线插补预处理，计算各轴进给步长及步长余量，再完成直线插补计算，得本次插补周期的位置坐标值；

4)根据RTCP功能标志判断是否应用RTCP补偿进行插补；若RTCP功能有效，转至5)；

否则，转至6)；

5)根据本次插补周期的起始坐标及终点坐标，并利用上述RTCP补偿算法，计算出本次插补周期输出位移值，并转至7)；

6)将直线插补计算所得坐标位置输出8)；

7)使用背景程序算出的整段位移值，对插补终点进行判断，若到达终点，即本段加工完成；

8)使用原始程序段终点值，对插补终点进行判断，若到达终点，即本段加工完成。

说明书

双转台五轴联动数控加工旋转刀具中心点补偿方法

技术领域

[0001] 本发明属于五轴联动数控系统的RTCP技术领域，具体涉及一种双转台五轴联动数控加工旋转刀具中心点补偿方法。

背景技术

[0002] 五轴数控机床主要应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工，它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，成本较高，以往主要用于航空工业及军事部门。近年来，随着微电子技术、控制技术的迅猛发展，五轴数控机床的成本不断降低，可靠性和功能不断增强，它的应用范围不断扩大，开始从航空、军事等特殊领域向汽车、模具制造等领域扩展。

[0003] 五坐标机床在三个平动轴基础上增加了两个转动轴，不仅可使刀具相对于工件的位置任意可控，而且刀具轴线相对于工件的方向也在一定范围内任意可控，这两个旋转轴提供了更大的加工灵活性，使得之前难以实现的复杂自由曲面的加工成为可能，可有效避免刀具干涉，实现大型与异型复杂零件的高效高质量加工，加工适应性广。五轴加工时，刀具相对于工件表面可处于最有效的切削状态，利于提高加工效率。

[0004] 目前，在五轴联动数控装备加工过程中，复杂曲面的工件加工轨迹由微小线段插补实现离散逼近，因此，前置处理程序生成理论上只有当刀位点在各离散段内的运动轨迹为直线时才能保证编程时的精度要求。在复杂空间曲面的加工过程中，由于旋转轴的影响，五轴联动各个线性进给轴运动合成的实际运动轨迹在某些离散时间段内可能会偏离编程轨迹，造成非线性运动误差。因此，需要研究非线性误差补偿方法，以提高加工精度。

[0005] 目前一般采用的解决方法是在后置处理时根据具体的机床结构对其进行检验校核，若误差超出允许范围，则作出相应的修正处理。非线性误差校验要求知道刀具长度，要想在后置处理时执行此功能，就必须保证刀具长度与书写程序时考虑的数值完全一致，任何修改都只能重写程序。然而，在实际加工时，刀具的更换和磨损都必然会改变刀具长度，反复重写程序将使加工效率大大降低。抑制非线性误差主要方法是在加工前编程时进行特殊处理，该方法不能保证插补点始终位于编程轨迹上，该方法需要考虑机床结构，还要求刀具长度与书写程序时数值完全相同，刀具的磨损必然导致的刀具长度变化，需要程序重写，系统效率会大幅降低。在数控系统中直接实现旋转刀具中心点补偿功能(RTCP)，是抑制非线性误差理想的方法。

[0006] 针对RTCP模块方法，现有技术中已有一些文献对旋转刀具中心点补偿(RTCP)的方法进行了研究，如赵薇等在《小型微型计算机系统》2008，29(005)：980-984的名为《通用RTCP算法的研究与设计》、梁全等在《工业与装备》2008，2：62-65名为《五轴数控系统RTCP和RPCP技术应用》、樊曙天等在《制造技术与机床》2009(12)，74-77名为《双转台五坐标机床RTCP功能的研究》。这些文献并未提出系统的技术思路。另外，孙振东等在《沈阳工程学院学报》2009年10月在第5卷第4期发表了名为《五坐标数控加工的非线性误差分析》的文章，该文章主要针对五轴数控系统加工过程出的非线性误差做了详细研究，未提出利用RTCP方法解决这一问题的技术思路。本发明为此而来。

发明内容

[0007] 本发明目的在于提供一种双转台五轴联动数控加工旋转刀具中心点补偿方法，解决了现有技术中非线性运动误差难以修正或修正处理方法不能通用等问题。

[0008] 为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：

[0009] 一种双转台五轴联动数控加工旋转刀具中心点补偿方法，其特征在于所述方法包括当双转台五轴联动数控系统进行空间复杂曲面加工时的刀位轨迹为直线时，通过直线插补进行离散逼近刀具中心点运动轨迹，并启动RTCP模块，所述RTCP模块通过先获得法平面补偿向量再进行投影获得中心点补偿向量和输出位移量，通过输入数轴中心距参数，实现双转台五轴联动数控系统加工中非线性运动误差的补偿。

[0010] 优选的，所述方法中RTCP模块通过以下步骤获得中心点补偿向量和输出位移量：

[0011] i)将旋转轴运动时的旋转空间曲线投影至由任意两条线性运动轴确定的法平面，根据刀具中心点的初始位置信息和运动后刀具中心点位置信息得到法平面的线性运动补偿向量；

[0012] ii)将获得的线性运动补偿向量做空间投影得到五轴联动数控加工旋转刀具的中心点补偿向量。

[0013] 优选的，所述方法具体按照如下步骤进行：

[0014] 将旋转空间曲线投影至选自XYZ几何轴中任意两个线性轴确定的某一法平面，计算该法平面的转动半径R，YZ轴法平面转动初始角度α0，增量Δα，XY法平面转动初始角T度β0，增量Δβ，其中， (P0x P0y P0z) 为根据数
T T
轴中心距将(Px Py Pz) 进行坐标变换后的X轴，Y轴，Z轴的坐标值，(Px Py Pz) 为刀具X轴，Y轴，Z轴初始坐标值；

[0015] 根据转动增量Δα，按照式(1)计算法平面补偿向量

[0016]T

[0017] 将法平面补偿向量作空间投影，并按式(2)得到补偿后坐标值为(Px′Py′Pz′)[0018]

[0019] 即为补偿后的输出位移向量。

[0020] 优选的，所述方法还包括双转台五轴联动数控系统中对编程的程序段进行预处理，然后获得整个程序段的旋转补偿向量、输出位移量和各插补周期旋转补偿量，通过整段旋转补偿向量和输出位移量来约束段末刀位点以及通过各插补周期旋转补偿量约束每个插补周期补偿精度。

[0021] 本发明通过设计法平面投影计算方法，建立两级补偿控制机制，形成了完整且可行的技术思路与实现方案。具体的，本发明技术方案利用空间投影等方法计算旋转补偿向量，并根据初始位置信息计算实际输出位移量，实现了对五轴加工数控系统非线性运动误差的补偿，编制NC程序不再考虑补偿过程。该方法采用先计算法平面补偿向量，再进行投影的方法，避免矩阵运算；计算整段旋转补偿值来约束段末刀位点，计算各插补周期旋转补偿量约束每个插补周期补偿精度的方法，实现高精度补偿。

[0022] 在具体实现中还包括：程序段预处理，整段旋转补偿向量计算、输出位移计算，各插补周期的插补预计算、插补点实时计算、旋转补偿向量计算、输出位移量计算。其中，旋转补偿向量及输出位移量计算步骤：

[0023] 对指定曲线进行投影，先将转动曲线投影至任意两个线性轴确定的某一法平面，计算该法平面的转动半径R，YZ法平面转动初始角度α0，增量Δα，XY法平面转动初始角度β0，增量Δβ，

[0024] (P0x P0y P0z)T为根据数轴中心距，将(Px Py Pz)T进行坐标变换后的X轴，Y轴，Z轴T的坐标值，(Px Py Pz) 为刀具X轴，Y轴，Z轴初始坐标值；

[0025] 根据转动增量Δα，计算法平面补偿向量

[0026]

[0027] 将法平面补偿向量作空间投影，并计算补偿后坐标值为(Px′Py′Pz′)T[0028]

[0029] P′＝(Px′Py′Pz′)T为补偿后的输出位移向量。

[0030] 本发明技术方案提供的五轴数控加工旋转刀具中心点补偿方法包括：利用空间投影等方法计算旋转补偿向量，并根据刀位点初始信息以及直线插补计算所得坐标位置，计算输出位移量；采用先计算法平面补偿向量，再进行投影的方法，避免了繁杂的矩阵运算。本发明实现了对五轴加工数控系统非线性运动误差的补偿，编制NC程序不再考虑补偿过程，满足了五轴数控装备高速、高精度加工的要求。在数控系统中嵌入旋转刀具中心点补偿功能，实现了对五轴加工数控系统的非线性运动误差补偿，编制NC程序不再考虑补偿过程，满足了五轴数控装备高速、高精度加工的要求。具体方法包括：直线插补计算；旋转补偿向量计算；输出位移量计算。

[0031] 在五轴联动数控系统中，刀具中心点到旋转轴两轴线交点间存在一段距离，称为数轴中心距。其定义为l，在数控系统中由参数输入来设定。对于本系统的双转台结构机床来说，数轴中心距为旋转轴A和C轴心交点到主轴刀具中心点的距离。

[0032] 将刀具中心点p初始位置坐标(X1，Y1，Z1)，用向量的形式表示为：

[0033] p＝[px py pz-l]T (3)

[0034] A旋转轴运动时，将运动曲线投影至Y轴与Z轴确定的法平面，运动后刀具中心点坐标为：

[0035]

[0036]

[0037] 公式(2)、(3)中，R1是运动轨迹在YZ平面内投影的半径值。

[0038] 刀具中心点的运动轨迹参见图1所示。

[0039] C旋转轴运动时，将运动曲线投影至X轴与Y轴确定的法平面，运动后刀具中心点坐标为：

[0040]

[0041]

[0042] 公式(4)、(5)中，R2是运动轨迹在XY平面内投影的半径值。

[0043] 刀具中心点的运动轨迹参见图2所示。

[0044] 齐次表示如下所示：

[0045]

[0046] 结合刀位点初始信息可得：

[0047]

[0048] 向量M是双转台五轴数控机床XYZ各轴补偿值构成的向量。根据以上数学模型和算法，数控系统完成直线插补位置坐标计算之后，运行RTCP功能进行补偿计算，并将实际位移量给驱动器运动，就实现了数控系统的RTCP功能。旋转轴A和C轴同时运动的合成轨迹运动参见图3所示。

[0049] 由于本发明采用计算整段旋转补偿值来约束段末刀位点，计算各插补周期旋转补偿量约束每个插补周期补偿精度的方法，两部分计算均要用到旋转补偿计算方法，实现高精度补偿。因此，首先介绍补偿值及实际位移量计算方法，RTCP功能在CNC系统中实现需要使用的参数包括：RTCP功能选择标志，数轴中心距。其具体过程可以如下：

[0050] 1)令输出位移向量＝刀具初始坐标值，即P＝P，计算指定曲线转动增量，若A轴转动增量为0，则转至5)，否则转至2)

[0051] 2)对指定曲线进行投影，先将转动曲线投影至Y轴、Z轴确定的法平面，根据当前刀具位置计算该法平面的转动半径RYZ，及转动初始角度α0，角度计算需考虑机床坐标系制定规则

[0052]

[0053]

[0054] (P0y P0z)T为根据数轴中心距，将(Py Pz)T进行坐标变换后的Y轴，Z轴坐标值，其T中(Py Pz) 为刀具Y轴，Z轴初始坐标值

[0055] 3)根据A轴转动增量Δα，计算法平面补偿向量

[0056]

[0057] 4)将法平面补偿向量作空间投影，计算首次输出位移量，即(Py′Pz′)T[0058]

[0059] 5)若C轴转动增量为0，则跳至5)，否则跳至10)

[0060] 6)对指定曲线进行投影，将转动曲线投影至X轴、Y轴确定的法平面，根据当前刀具位置计算该法平面的转动半径R，及转动初始角度β0，角度计算需考虑机床坐标系制定规则

[0061]

[0062]

[0063] 7)(P0x P0y)T为将(Px Py′)T进行坐标变换后的X轴，Y轴坐标值，(Px Py)T为刀具X轴初始坐标值，Y轴首次输出位移值

[0064] 8)根据C轴转动增量Δβ，计算法平面补偿向量

[0065]T

[0066] 9)将法平面补偿向量作空间投影，计算得输出位移量，即(Px′Py′)[0067]

[0068] 10)计算完成，P′＝(Px′Py′Pz′)T即为补偿后的输出位移向量。

[0069] 相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：

[0070] 1.本发明提供的五轴加工旋转刀具中心点补偿方法，加工精度高，且计算速度快，解决了五轴联动数控装备存在非线性运动误差的问题，满足高档数控系统的要求。采用本发明可应用于高性能数控装备和运动控制系统的轨迹控制，可提高控制系统的性能。我国数控装备市场的数量非常大，每年大约超过10万台，因此本项目具有很好的经济效益。

[0071] 2、本发明使用旋转刀具中心点补偿方法，可以提高加工精度，以此来提高产品加工质量，提高产品的价格和市场竞争力。本发明提供的数控装备刀具补偿方法，能够很好的抑制非线性运动误差，提高数控加工装备的运行效率，使数控装备能进行高精度、高效率加工，可明显提高零件的加工质量，在机械制造领域有很好的应用前景。

附图说明

[0072] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

[0073] 图1为A旋转轴转动刀具中心点轨迹示意图；

[0074] 图2为C旋转轴转动刀具中心点轨迹示意图；

[0075] 图3为旋转轴A、C同时旋转合成轨迹示意图；

[0076] 图4为RTCP主流程图；

[0077] 图5为RTCP循环处理流程图。

具体实施方式

[0078] 以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

[0079] 实施例数控铣床的旋转刀具中心点补偿实施例

[0080] 本实施例在实验室数控铣床上进行了测试，补偿方法采用计算旋转补偿向量，并根据刀位点初始信息以及直线插补计算所得坐标位置，计算输出位移量，实现抑制五轴加工数控系统非线性运动误差。

[0081] RTCP功能在CNC系统中实现需要使用的参数包括：RTCP功能选择标志，数轴中心距。由于本发明采用计算整段旋转补偿值来约束段末刀位点，计算各插补周期旋转补偿量约束每个插补周期补偿精度的方法，两部分计算均要用到旋转补偿计算方法，实现高精度补偿。因此，首先确定补偿值及实际位移量计算方法，方法的具体步骤如下：

[0082] 1)令输出位移向量＝刀具初始坐标值，即P＝P，计算指定曲线转动增量，若A轴转动增量为0，则转至5)，否则转至2)

[0083] 2)对指定曲线进行投影，先将转动曲线投影至Y轴、Z轴确定的法平面，根据当前刀具位置计算该法平面的转动半径RYZ，及转动初始角度α0，角度计算需考虑机床坐标系制定规则

[0084]

[0085]

[0086] (P0y P0z)T为根据数轴中心距，将(Py Pz)T进行坐标变换后的Y轴，Z轴坐标值，其中(Py Pz)T为刀具Y轴，Z轴初始坐标值

[0087] 3)根据A轴转动增量Δα，计算法平面补偿向量

[0088]T

[0089] 4)将法平面补偿向量作空间投影，计算首次输出位移量，即(Py′Pz′)[0090]

[0091] 5)若C轴转动增量为0，则跳至5)，否则跳至10)

[0092] 6)对指定曲线进行投影，将转动曲线投影至X轴、Y轴确定的法平面，根据当前刀具位置计算该法平面的转动半径R，及转动初始角度β0，角度计算需考虑机床坐标系制定规则

[0093]

[0094]T T T

[0095] 7)(P0x P0y) 为将(Px Py′) 进行坐标变换后的X轴，Y轴坐标值，(Px Py) 为刀具X轴初始坐标值，Y轴首次输出位移值

[0096] 8)根据C轴转动增量Δβ，计算法平面补偿向量

[0097]

[0098] 9)将法平面补偿向量作空间投影，计算得输出位移量，即(Px′Py′)T[0099]

[0100] 10)计算完成，P′＝(Px′Py′Pz′)T即为补偿后的输出位移向量。

[0101] 以下完成完整程序段补偿计算，流程图参见图4，步骤如下：

[0102] 1)读入加工程序段，放入顶层寄存器进行译码操作。对加工轨迹的类型进行判断。对应的加工轨迹类型为：0.快速移动G00，1.直线插补G01，2.顺时针圆弧插补G02，3.逆时针圆弧插补G03，4.螺旋线插补。若当前段加工类型为直线插补，再判断RTCP功能是否有效。

[0103] 2)若启用RTCP补偿功能，计算整段补偿值：根据数轴中心距及转动增量，利用上述RTCP算法计算整段输出位移值，通过缓冲区输入译码的方式，把包含新的终点坐标的运动指令赋值给指令字符串，并存入译码缓冲区；

[0104] 3)对译码缓冲区中新的控制指令进行译码，再将新的加工指令放入二级寄存器。根据坐标系选择指令和对刀偏移坐标，对二级寄存器中的加工代码进行后置处理，将代码送入底层寄存器中执行；

[0105] 以下完成各插补周期的旋转补偿计算，具体流程图参见图5。步骤如下：

[0106] 1)判断前一段程序是否加工完成，若完成则转至2)，否则转至3)；

[0107] 2)从底层寄存器读入程序段，获取程序段起始坐标及终点坐标；

[0108] 3)每隔固定时间进入定时中断处理程序，系统先进行直线插补预处理，计算各轴进给步长及步长余量，再完成直线插补计算，得本次插补周期的位置坐标值；

[0109] 4)根据RTCP功能标志判断是否应用RTCP补偿进行插补。若RTCP功能有效，转至5)；否则，转至6)；

[0110] 5)根据本次插补周期的起始坐标及终点坐标，并利用上述RTCP补偿算法，计算出本次插补周期输出位移值，并转至7)；

[0111] 6)将直线插补计算所得坐标位置输出8)；

[0112] 7)使用背景程序算出的整段位移值，对插补终点进行判断，若到达终点，即本段加工完成；

[0113] 8)使用原始程序段终点值，对插补终点进行判断，若到达终点，即本段加工完成。

[0114] 本实施例的五轴数控加工旋转刀具中心点补偿方法，经实验室数控铣床性能测试表明，利用本方法实现的RTCP功能，具有很高的加工精度，计算精度最高精度可保证到小数点后六位，考虑的乘法运算的影响，不超过±1μm，RTCP功能下编制的NC程序与非RTCP功能下编制的NC程序具有相同的加工轨迹。测试还表明，这种RTCP补偿方法不影响数控系统的速度控制性能。

[0115] 上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。