專利名稱：基于加工工件曲面形貌信息的數(shù)控機(jī)床誤差辨識(shí)分離方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)控機(jī)床誤差分離領(lǐng)域，具體涉及一種基于加工工件曲面形貌信息的機(jī)床誤差辨識(shí)分離方法。
背景技術(shù)：
目前，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床邁入高端領(lǐng)域的“瓶頸”問題主要是加工精度和可靠性難以達(dá)到國外同類產(chǎn)品的水準(zhǔn)，而這涉及到多方面的問題:一、高端數(shù)控機(jī)床本身各種裝配部件的加工精度由于缺乏更精密的機(jī)床作為工作母機(jī)而難以保證；二、機(jī)床硬件結(jié)構(gòu)在考慮誤差補(bǔ)償方面的設(shè)計(jì)以及制造途徑上考慮誤差因素的加工還沒有達(dá)到國外機(jī)床生產(chǎn)廠商的同等水平；三、國產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)還不具備機(jī)床誤差分離技術(shù)，相關(guān)的研究還處于實(shí)驗(yàn)室階段，未能在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行實(shí)施。通常數(shù)控機(jī)床引起工件加工誤差的誤差源主要有四部分，一是幾何誤差，二是熱誤差，三是切削力誤差，這三部分主要引起工件面形誤差；第四部分是動(dòng)態(tài)誤差，與機(jī)床的加工速度及加速度等動(dòng)力學(xué)因素有關(guān)，主要引起工件粗糙度誤差。在實(shí)際加工中，數(shù)控系統(tǒng)需要將這些預(yù)設(shè)的誤差項(xiàng)納入過程計(jì)算進(jìn)行補(bǔ)償。然而，對于由機(jī)床各種誤差并未分離出來，通常的誤差補(bǔ)償方法是無法進(jìn)行預(yù)估，也就不能在機(jī)床加工過程中實(shí)時(shí)地對誤差做出相應(yīng)的補(bǔ)償。因此，研發(fā)適合多類型、多規(guī)格、多品種的數(shù)控機(jī)床誤差實(shí)時(shí)分離方法對我國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是非常必要和有益的。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn) 有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，提供了一種基于加工工件曲面形貌信息的數(shù)控機(jī)床誤差辨識(shí)分離方法，使得誤差分離的準(zhǔn)確性大大增加。為了解決上述問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:基于加工工件曲面形貌信息的數(shù)控機(jī)床誤差辨識(shí)分離方法，用來將數(shù)控機(jī)床加工工件過程中的加工誤差分離出來，該方法的具體步驟為:第一步:取一件加工好的工件，對工件表面進(jìn)行幾何數(shù)據(jù)的測量與預(yù)處理；第二步:根據(jù)工件的表面特征及不同成分誤差選擇適當(dāng)?shù)男〔ê瘮?shù)；第三步:設(shè)置不同誤差信號的分解閾值；第四步:對數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，根據(jù)不同成分誤差所屬頻域不同，確定小波分解層數(shù)，并針對不同的層數(shù)提取不同尺度的信號；第五步:分別對各種頻率的信號進(jìn)行重構(gòu)，從而獲得同頻率段誤差表面，并獲得相應(yīng)空間點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；第六步:從點(diǎn)云數(shù)據(jù)所覆蓋的X坐標(biāo)范圍當(dāng)中，任選一 XO為對象，可得經(jīng)過(χΟ,Ο,Ο)的平行于YOZ的平面，若該平面與理論曲面相交，則交線為理論曲線S，令h =f(a，S)，并在一個(gè)刀具步長I內(nèi)取η個(gè)掃描點(diǎn)，則可得到hl，h2，……，hn，根據(jù)掃描點(diǎn)的分布情況和掃描點(diǎn)中兩個(gè)拐點(diǎn)hi和hj的大小來確定刀觸點(diǎn)；
其中，a為橫斷面中任一掃描點(diǎn)，h為a與s間法向距離；第七步:計(jì)算理論刀具傾角；第八步:取任一刀觸點(diǎn)a的η個(gè)與其緊密相鄰的掃描點(diǎn)(at，t=l, 2,……，n)，由于平底立銑刀與工件的切削面為刀底圓面的一部分，必定存在以刀具半徑R為半徑的經(jīng)過刀觸點(diǎn)及臨近兩個(gè)掃描點(diǎn)的圓面S，因而存在以R為半徑的擬合刀底圓面Sai(i=l，2，……，na)擬合a與at,同理,刀觸點(diǎn)b也可找到擬合刀底圓面Sbj (j=l, 2，......，nb)；第九步:設(shè)h (a, b)為a與b間的距離，Na和Nb為a與b的刀軸矢量，當(dāng)Iimh (a, b) — O 時(shí)，有 Na//Nb，因而得到平行圓面 Wk= {Sai，Sai//Sbj，k=l，2，……，m}；第十步:對比平行圓面Wk、曲面法矢N和理論刀具傾角β，確定實(shí)際刀底圓面；第H^一步:確定刀軸矢量與刀位點(diǎn)；第十二步:通過第X個(gè)工件的刀具位姿曲面與理論刀具位姿曲面對比，確定面形
誤差值；
·
第十三步:確定機(jī)床熱誤差值；第十四步:根據(jù)前面求的刀位點(diǎn)、刀觸點(diǎn)信息，計(jì)算刀具當(dāng)前切削面積，再結(jié)合工件材料特性，計(jì)算獲得機(jī)床切削力的大小，通過對切削力大小的分析計(jì)算獲得機(jī)床的切削
力誤差值；第十五步:利用面形誤差值減去熱誤差值和切削力誤差值，得出機(jī)床幾何誤差值；第十六步:根據(jù)形貌分離出的粗糙度誤差值，計(jì)算出動(dòng)態(tài)誤差值；第十七步:根據(jù)模型定階結(jié)果，將得到的誤差值參數(shù)代入預(yù)選的模型系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，得到基于加工工件曲面形貌信息的數(shù)控機(jī)床誤差分離數(shù)學(xué)模型。進(jìn)一步的，在第二步中小波函數(shù)的選擇方法為:根據(jù)自相似性、正交性和緊支性等性質(zhì)，在數(shù)十種常用的小波函數(shù)中選擇適合的函數(shù)，并確定支撐長度，通過對比分析確定最佳小波函數(shù)。進(jìn)一步的，在第六步中，根據(jù)掃描點(diǎn)的分布情況和掃描點(diǎn)中兩個(gè)拐點(diǎn)hi和hj的大小來確定刀觸點(diǎn)的判斷標(biāo)準(zhǔn)包括以下三種情形:情形1:掃描點(diǎn)均分布在理論曲線內(nèi)側(cè)，hi和hj在周邊區(qū)域內(nèi)分別為極大值和極小值，此時(shí)點(diǎn)i為刀觸點(diǎn)；情形I1:掃描點(diǎn)分布在理論曲線內(nèi)側(cè)和外側(cè)，hi和hj在周邊區(qū)域內(nèi)均為極大值，點(diǎn)i在曲線內(nèi)偵彳，點(diǎn)j在曲線外側(cè)，此時(shí)i為刀觸點(diǎn)；情形II1:掃描點(diǎn)均分布在理論曲線外側(cè)，hi和hj在周邊區(qū)域內(nèi)分別為極小值和極大值，此時(shí)點(diǎn)i為刀觸點(diǎn)。進(jìn)一步的，在第七步中，理論刀具傾角的計(jì)算公式為:
5%曲率變化不大 / = < gi (左，W1, M2 ,…，U11),曲率變化較大的凸而
g2(^,W,M1,W2,■.., >曲率變化較大或存在干涉情況的凹面其中，k為曲面曲率，w為干涉情況，ul, u2,…，un為影響刀具傾角的相關(guān)因素，如工件材料的強(qiáng)度和硬度、刀具材料、刀具裝夾系統(tǒng)等。
進(jìn)一步的，在第十三步中，確定熱誤差方法為以下方法中的一種:I)通過對同一批次加工工件的刀具位姿曲面對比，由于每個(gè)工件加工時(shí)，已經(jīng)監(jiān)測其加工時(shí)對應(yīng)的溫度信息，通過對比，可以過濾掉幾何誤差和切削力誤差，從而計(jì)算出機(jī)床熱誤差值；2)根據(jù)溫度監(jiān)測信息，通過分析計(jì)算也可以得到機(jī)床熱誤差值。本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明將工件曲面形貌反求、形貌分離、刀位點(diǎn)反求計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的誤差分離方法中，不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床的誤差分離，同時(shí)還為數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償方面的研究人員進(jìn)行誤差補(bǔ)償模型優(yōu)化和補(bǔ)償實(shí)效性的深入研究提供了有效的分析手段和應(yīng)用模型。該方法結(jié)合機(jī)床加工狀態(tài)監(jiān)測、工件理論數(shù)模、理論刀軌路徑信息，進(jìn)行誤差采集數(shù)據(jù)的預(yù)處理，以自相關(guān)函數(shù)和偏相關(guān)函數(shù)及其截尾性判定識(shí)別擬合模型的類型，對模型進(jìn)行精確定階，能夠高效、準(zhǔn)確地完成對數(shù)控機(jī)床誤差的分離，并且獲得的數(shù)學(xué)模型公式能夠精確地推斷和預(yù)測機(jī)床誤差的變化情況，使機(jī)床的誤差補(bǔ)償工作更為可靠和有效。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明:圖1為本發(fā)明所述方法的步驟示意圖。
具體實(shí)施例方式基于加工工件曲面形貌信息的數(shù)控機(jī)床誤差辨識(shí)分離方法，用來將數(shù)控機(jī)床加工工件過程中的加工誤差分離出來，該方法的具體步驟為:第一步:取一件加工好的工件，對工件表面進(jìn)行幾何數(shù)據(jù)的測量與預(yù)處理。第二步:根據(jù)自相似性、正交性和緊支性等性質(zhì)，在數(shù)十種常用的小波函數(shù)中選擇適合的函數(shù)，并確定支撐長度，通過對比分析確定最佳小波函數(shù)。第三步:設(shè)置不同誤差信號的分解閾值。第四步:對數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，根據(jù)不同成分誤差所屬頻域不同，確定小波分解層數(shù)，并針對不同的層數(shù)提取不同尺度的信號。第五步:分別對各種頻率的信號進(jìn)行重構(gòu)，從而獲得同頻率段誤差表面，并獲得相應(yīng)空間點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。第六步:從點(diǎn)云數(shù)據(jù)所覆蓋的X坐標(biāo)范圍當(dāng)中，任選一 XO為對象，可得經(jīng)過(χΟ,Ο,Ο)的平行于YOZ的平面，若該平面與理論曲面相交，則交線為理論曲線S，令h =f(a，S)，并在一個(gè)刀具步長I內(nèi)取η個(gè)掃描點(diǎn)，則可得到hl，h2，……，hn，根據(jù)掃描點(diǎn)的分布情況和掃描點(diǎn)中兩個(gè)拐點(diǎn)hi和hj的大小來確定刀觸點(diǎn)，其判斷標(biāo)準(zhǔn)為:情形1:掃描點(diǎn)均分布在理論曲線內(nèi)側(cè)，hi和hj在周邊區(qū)域內(nèi)分別為極大值和極小值，此時(shí)點(diǎn)i為刀觸點(diǎn)；情形I1: 掃描點(diǎn)分布在理論曲線內(nèi)側(cè)和外側(cè)，hi和hj在周邊區(qū)域內(nèi)均為極大值，點(diǎn)i在曲線內(nèi)偵彳，點(diǎn)j在曲線外側(cè)，此時(shí)i為刀觸點(diǎn)；情形II1:掃描點(diǎn)均分布在理論曲線外側(cè)，hi和hj在周邊區(qū)域內(nèi)分別為極小值和極大值，此時(shí)點(diǎn)i為刀觸點(diǎn)。
其中，a為橫斷面中任一掃描點(diǎn)，h為a與s間法向距離。第七步:計(jì)算理論刀具傾角，理論刀具傾角的計(jì)算公式為:
權(quán)利要求
1.基于加工工件曲面形貌信息的數(shù)控機(jī)床誤差辨識(shí)分離方法，用來將數(shù)控機(jī)床加工工件過程中的加工誤差分離出來，該方法的具體步驟為: 第一步:取一件加工好的工件，對工件表面進(jìn)行幾何數(shù)據(jù)的測量與預(yù)處理； 第二步:根據(jù)工件的表面特征及不同成分誤差選擇適當(dāng)?shù)男〔ê瘮?shù)； 第三步:設(shè)置不同誤差信號的分解閾值； 第四步:對數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，根據(jù)不同成分誤差所屬頻域不同，確定小波分解層數(shù)，并針對不同的層數(shù)提取不同尺度的信號； 第五步:分別對各種頻率的信號進(jìn)行重構(gòu)，從而獲得同頻率段誤差表面，并獲得相應(yīng)空間點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)； 第六步:從點(diǎn)云數(shù)據(jù)所覆蓋的X坐標(biāo)范圍當(dāng)中，任選一 XO為對象，可得經(jīng)過(χΟ，O, O)的平行于YOZ的平面，若該平面與理論曲面相交，則交線為理論曲線S，令h = f (a，s)，并在一個(gè)刀具步長I內(nèi)取η個(gè)掃描點(diǎn),則可得到hi, h2,......, hn,根據(jù)掃描點(diǎn)的分布情況和掃描點(diǎn)中兩個(gè)拐點(diǎn)hi和hj的大小來確定刀觸點(diǎn)； 其中，a為橫斷面中任一掃描點(diǎn)，h為a與s間法向距離； 第七步:計(jì)算理論刀具傾角； 第八步:取任一刀觸點(diǎn)a的η個(gè)與其緊密相鄰的掃描點(diǎn)(at，t=l, 2，……，η),由于平底立銑刀與工件的切削面為刀底圓面的一部分，必定存在以刀具半徑R為半徑的經(jīng)過刀觸點(diǎn)及臨近兩個(gè)掃描點(diǎn)的圓面S，因而存在以R為半徑的擬合刀底圓面Sai (i=l, 2，……，na)擬合a與at,同理,刀觸點(diǎn)b也可找到擬合刀底圓面Sbj (j=l, 2，......，nb)； 第九步:設(shè)h(a，b)為a與b間的距離，Na和Nb為a與b的刀軸矢量，當(dāng)Iimh(a，b) — O時(shí)，有Na//Nb，因而得到平行圓面Wk= {Sai, Sai//Sbj, k=l, 2，……，m}； 第十步:對比平行圓面Wk、曲面法矢N和理論刀具傾角β，確定實(shí)際刀底圓面； 第H^一步:確定刀軸矢量與刀位點(diǎn)； 第十二步:通過第X個(gè)工件的刀具位姿曲面與理論刀具位姿曲面對比，確定面形誤差值； 第十三步:確定機(jī)床熱誤差值； 第十四步:根據(jù)前面求的刀位點(diǎn)、刀觸點(diǎn)信息，計(jì)算刀具當(dāng)前切削面積，再結(jié)合工件材料特性，計(jì)算獲得機(jī)床切削力的大小，通過對切削力大小的分析計(jì)算獲得機(jī)床的切削力誤差值; 第十五步:利用面形誤差值減去熱誤差值和切削力誤差值，得出機(jī)床幾何誤差值； 第十六步:根據(jù)形貌分離出的粗糙度誤差值，計(jì)算出動(dòng)態(tài)誤差值； 第十七步:根據(jù)模型定階結(jié)果，將得到的誤差值參數(shù)代入預(yù)選的模型系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，得到基于加工工件曲面形貌信息的數(shù)控機(jī)床誤差分離數(shù)學(xué)模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于加工工件曲面形貌信息的數(shù)控機(jī)床誤差辨識(shí)分離方法，其特征在于，在第二步中小波函數(shù)的選擇方法為:根據(jù)自相似性、正交性和緊支性等性質(zhì)，在數(shù)十種常用的小波函數(shù)中選擇適合的函數(shù)，并確定支撐長度，通過對比分析確定最佳小波函數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于加工工件曲面形貌信息的數(shù)控機(jī)床誤差辨識(shí)分離方法，其特征在于，在第六步中，根據(jù) 掃描點(diǎn)的分布情況和掃描點(diǎn)中兩個(gè)拐點(diǎn)hi和hj的大小來確定刀觸點(diǎn)的判斷標(biāo)準(zhǔn)包括以下三種情形: 情形1:掃描點(diǎn)均分布在理論曲線內(nèi)側(cè)，hi和hj在周邊區(qū)域內(nèi)分別為極大值和極小值，此時(shí)點(diǎn)i為刀觸點(diǎn)； 情形I1:掃描點(diǎn)分布在理論曲線內(nèi)側(cè)和外側(cè)，hi和hj在周邊區(qū)域內(nèi)均為極大值，點(diǎn)i在曲線內(nèi)側(cè)，點(diǎn)j在曲線外側(cè)，此時(shí)i為刀觸點(diǎn)； 情形II1:掃描點(diǎn)均分布在理論曲線外側(cè)，hi和hj在周邊區(qū)域內(nèi)分別為極小值和極大值，此時(shí)點(diǎn)i為刀觸點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于加工工件曲面形貌信息的數(shù)控機(jī)床誤差辨識(shí)分離方法，其特征在于，在第七步中，理論刀具傾角的計(jì)算公式為: 5%曲率變化不大 β = ‘ gi{k,UlJt2,---,n )，曲率變化較大的凸而 g2(k,w,ul,u2,---,un),曲率變化較大或存在干涉情況的凹面 其中，k為曲面曲率，w為干涉情況，ul, u2,…，un為影響刀具傾角的相關(guān)因素，如工件材料的強(qiáng)度和硬度、刀具材料、刀具裝夾系統(tǒng)等。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于加工工件曲面形貌信息的數(shù)控機(jī)床誤差辨識(shí)分離方法，其特征在于，在第十三步中，確定熱誤差方法為以下方法中的一種: 1)通過對同一批次加工工件的刀具位姿曲面對比，由于每個(gè)工件加工時(shí)，已經(jīng)監(jiān)測其加工時(shí)對應(yīng)的溫度信息，通過對比，可以過濾掉幾何誤差和切削力誤差，從而計(jì)算出機(jī)床熱誤差值； 2)根據(jù)溫度監(jiān)測信息，通過分析計(jì)算也可以得到機(jī)床熱誤差值。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于加工工件曲面形貌信息的數(shù)控機(jī)床誤差辨識(shí)分離方法，該方法將工件曲面形貌反求、形貌分離、刀位點(diǎn)反求計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的誤差分離方法中，不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床的誤差分離，還為數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償方面的研究人員進(jìn)行誤差補(bǔ)償模型優(yōu)化和補(bǔ)償實(shí)效性的深入研究提供了有效的分析手段和應(yīng)用模型。該方法結(jié)合機(jī)床加工狀態(tài)監(jiān)測、工件理論數(shù)模、理論刀軌路徑信息，進(jìn)行誤差采集數(shù)據(jù)的預(yù)處理，以自相關(guān)函數(shù)和偏相關(guān)函數(shù)及其截尾性判定識(shí)別擬合模型的類型，對模型進(jìn)行精確定階，能夠高效、準(zhǔn)確地完成對數(shù)控機(jī)床誤差的分離，并且獲得的數(shù)學(xué)模型公式能夠精確地推斷和預(yù)測機(jī)床誤差的變化情況，使機(jī)床的誤差補(bǔ)償工作更為可靠和有效。
文檔編號B23Q17/20GK103192292SQ20131012609
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月11日
發(fā)明者曹樹坤, 呂杰, 浦永祥, 宋開峰, 宋衛(wèi)衛(wèi), 趙珅 申請人:濟(jì)南大學(xué)