CN114563980A - 一种精密数控机床多轴联动精度检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种精密数控机床多轴联动精度检测方法，具体涉及数控机床技术领域，本发明通过采用虚拟仿真技术，刀具刀尖点和伺服轴移动轨迹和待加工件变化轨迹，同时获取多轴联动数控机床数据时采用补偿软件调整获取时的温度、湿度和压力数据，使上述数据保持与数据库中多轴联动数控机床虚拟场景模型采集数据时的温度、湿度和压力数据保持一致，降低待加工件自身性能对刀具行进产生的阻碍和影响，避免刀具形变对检测精度的影响，同时避免出现材料浪费情况，降低通过加工待加工件进行精度检测耗费的能量，同时保证多轴联动数控机床的虚拟场景模型和实际数据获取时的温度、湿度和压力保持一致，降低外部环境数据对检测精度的影响。
Description
技术领域
本发明涉及数控机床检测技术领域，更具体地说，本发明涉及一种精密数控机床多轴联动精度检测方法。
背景技术
RTCP功能是高档五轴联动数控机床基本功能之一，它使数控系统自动对旋转轴的运动进行补偿，工件安装位置改变或刀具长度更改时无需重新编程，只需要将编程坐标与名义坐标原点的偏置值(双转台型)或刀具旋摆中心与刀尖点距离(双摆头型)输入到数控系统，就能确保刀具中心点始终位于编程轨迹上。其实现的核心思想为把数控程序中解析得到的各个运动轴的控制指令作为刀位描述信息，而非运动轴运动信息。然后进行坐标变化，变化后的结果作为各轴的运动轴的控制指令。
当RTCP功能开启时，理想情况下，通过五轴联动配合使得刀尖点实际运动轨迹即为数控指令编程轨迹。而未开启时，编程轨迹为刀轴轨迹，这使得刀具中心的平移，产生了非线性运动误差，从而造成数控机床加工精度的降低。RTCP功能可以有效地保证运动轨迹为编程轨迹，目前，机床制造企业和机床用户单位在进行五轴RTCP检测时，大多采用ISO标准的检测方法。但是ISO标准检测方法仅采用简单的检测轨迹测试。
五轴联动数控机床目前已大量用于航空制造等高端制造领域。由于机床复杂的机械结构及控制系统，五轴联动机床加工精度检测及优化一直是业内研究的热点和难点，成为影响产品加工质量及效率的关键。其中对机床加工精度的影响因素中，静态精度检测与补偿已有大量标准而动态精度由于受机械和控制系统两方面影响其检测和优化则一直未能得到有效解决。在常见的精度检测方法中直线度、垂直度等基本的精度检测只能反映机床静态精度，而数控系统中常见的螺距补偿、垂度补偿等也主要针对机床静态误差。
随着基础制造业和精密加工技术的不断发展，人们对于数控机床的加工精度提出了更高的要求，因此，如何快速准确的检测出机床各项误差并进行相关项误差的补偿，对于提高数控机床的加工精度起到了非常重要的作用。数控机床的几何误差受外部环境因素影响较小，重复性好，且易于实现数控补偿，所以是数控机床误差补偿的重要研究方向。
目前，国内外用于检测数控机床几何误差的方法有很多，常见的有：球杆仪法，正交光栅测量法，激光干涉仪测量法等，但这些方法在检测效率以及检测通用性上存在着一定的不足之处，不能够满足机床快速、高精度的检测要求。
数控机床的加工精度将直接影响加工产品的质量，由于机床精度不足而导致加工精度下降的问题日益凸显。所以如何快速高效地识别数控机床误差并改善精度已经成为一项非常重要且有意义的研究内容。
常用的机床误差测量方法有标准试件切削和仪器检测[1]。标准试件切削方法是切削标准试件，通过标准试件的加工精度来表征机床的工作精度，采用试件切削的方法，能够将机床本身的加工、安装过程中的缺陷等信息都体现在标准试件上，通过对所加工的试件进行分析，就能对数控机床的整体性能进行评价。但是，试件切削的方法需要耗费大量的材料与时间，而且由于多种影响因素之间的耦合作用，导致该检测方法不便于误差溯源，进而难以为提高机床的工作精度提供帮助。
常用的检测仪器有激光干涉仪、球杆仪、R-test测试仪等。激光干涉仪主要用于平动轴的几何误差检测，球杆仪则是广泛应用于旋转轴几何误差检测以及两个平动轴联动时的联动精度。
在实际使用试件进行加工精度检测时，试件自身的性能和形状均可能影响加工顺利进行，甚至出现试件的硬度不同对刀具的行进造成轻微影响，导致多轴联动数控机床精度检测出现偏差，检测时的运行环境的温度、压力和湿度，甚至旁边机械运行的震动均可能对精度检测过程造成影响，因此需要一种精密数控机床多轴联动精度检测方法来解决上述问题。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种精密数控机床多轴联动精度检测方法，本发明所要解决的技术问题是：在实际使用试件进行加工精度检测时，试件自身的性能和形状均可能影响加工顺利进行，甚至出现试件的硬度不同对刀具的行进造成轻微影响，导致多轴联动数控机床精度检测出现偏差，检测时的运行环境的温度、压力和湿度，甚至旁边机械运行的震动均可能对精度检测过程造成影响的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种精密数控机床多轴联动精度检测方法，包括以下步骤：
获取多轴联动数控机床加工过程的虚拟场景模型，其中所述虚拟场景包括：选择的多轴联动数控机床的三维立体模型、待加工件的三维立体模型和加工过程所用刀具的三维立体模型；
获取多轴联动数控机床运行时多个伺服轴实时的运行姿态数据；
根据待加工件三维数据和加工需求模拟加工所需的操作指令，并获取待加工件的虚拟加工预测模型；
将操作指令所形成的动态数据输入虚拟场景模型中，并根据操作指令控制多轴联动数控机床工作，同时控制该区域其他设备停止运行；
获取多个伺服轴和刀具刀尖点的实际运行轨迹的动态运行数据，将动态数据输入虚拟场景模型中；
获取虚拟加工后待加工件的虚拟加工模型，将虚拟加工模型与待加工件的虚拟加工预测模型进行比对，得到加工精度误差；
根据虚拟场景模型和操作指令动态数据添加到unity3d软件的引擎仿真场景中，得到伺服轴和刀具刀尖点的虚拟运行轨迹；
根据加工精度误差，得到多轴联动数控机床的动态精度，并对伺服轴和刀具刀尖点的虚拟运行轨迹和实际运行轨迹进行比对分析。
所述引擎仿真场景用于显示虚拟场景模型的动态变化，所述虚拟场景模型的获取从数据库中进行调用，虚拟场景模型的多项数据采集时温度、湿度和压力均为合理范围，获取多轴联动数控机床伺服轴和刀具刀尖点运行轨迹数据集时工作环境的温度、湿度和压力均采用补偿软件将多轴联动数控机床设定参数修正至合理范围。
作为本发明的进一步方案：所述引擎仿真场景用于显示虚拟场景模型的动态变化，所述虚拟场景模型的获取从数据库中进行调用，虚拟场景模型的多项数据采集时温度、湿度和压力均为合理范围，获取多轴联动数控机床伺服轴和刀具刀尖点运行轨迹数据集时工作环境的温度、湿度和压力均采用补偿软件将多轴联动数控机床设定参数修正至合理范围。
作为本发明的进一步方案：所述伺服轴和刀具刀尖点的实际运行轨迹数据获取方法包括以下步骤：
根据伺服轴和刀具刀尖点相对待加工件的相对位置，计算伺服轴和刀具刀尖点相对于多轴联动数控机床的坐标系矢量，得到伺服轴与刀具刀尖点的运行轨迹库M；
根据刀具刀尖点的运行轨迹计算得出相对于多轴联动数控机床待加工件三维立体模型的位置和尺寸变动，得到相对于刀具刀尖点待加工件三维立体模型变化数据库N；
根据刀具刀尖点运行轨迹和待加工件三维立体模型变化构造M×N矩阵。
作为本发明的进一步方案：伺服轴和刀具刀尖点虚拟运行轨迹与实际运行轨迹的比对分析用于判断伺服轴和刀具刀尖点实际运行轨迹与设定运行轨迹的差异，判断相应伺服轴和某段运行轨迹的异常，直接得出精度差异明显的伺服轴，并精准对该伺服轴的运行进行仿真模拟分析。
本发明的有益效果在于：
1、本发明通过采用虚拟仿真技术，可直观的了解多轴联动数控机床运行过程中，刀具刀尖点和伺服轴移动轨迹和待加工件变化轨迹，同时获取多轴联动数控机床数据时采用补偿软件调整获取时的温度、湿度和压力数据，使上述数据保持与数据库中多轴联动数控机床虚拟场景模型采集数据时的温度、湿度和压力数据保持一致，降低待加工件自身性能对刀具行进产生的阻碍和影响，避免刀具形变对检测精度的影响，同时避免出现材料浪费情况，降低通过加工待加工件进行精度检测耗费的能量，同时保证多轴联动数控机床的虚拟场景模型和实际数据获取时的温度、湿度和压力保持一致，降低外部环境数据对检测精度的影响；
2、本发明通过采用unity3d软件实现对虚拟场景模型进行仿真，便于相关人员直观的了解伺服轴和刀具刀尖点移动轨迹出现误差的时间点和误差位置，实现对动态过程中数据变化的比对和了解，可较为直观的了解动态精度的变化。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
一种精密数控机床多轴联动精度检测方法，包括以下步骤：
获取多轴联动数控机床加工过程的虚拟场景模型，其中虚拟场景包括：选择的多轴联动数控机床的三维立体模型、待加工件的三维立体模型和加工过程所用刀具的三维立体模型；
获取多轴联动数控机床运行时多个伺服轴实时的运行姿态数据；
根据待加工件三维数据和加工需求模拟加工所需的操作指令，并获取待加工件的虚拟加工预测模型；
将操作指令所形成的动态数据输入虚拟场景模型中，并根据操作指令控制多轴联动数控机床工作，同时控制该区域其他设备停止运行；
获取多个伺服轴和刀具刀尖点的实际运行轨迹的动态运行数据，将动态数据输入虚拟场景模型中；
获取虚拟加工后待加工件的虚拟加工模型，将虚拟加工模型与待加工件的虚拟加工预测模型进行比对，得到加工精度误差；
根据虚拟场景模型和操作指令动态数据添加到unity3d软件的引擎仿真场景中，得到伺服轴和刀具刀尖点的虚拟运行轨迹；
根据加工精度误差，得到多轴联动数控机床的动态精度，并对伺服轴和刀具刀尖点的虚拟运行轨迹和实际运行轨迹进行比对分析。
引擎仿真场景用于显示虚拟场景模型的动态变化，虚拟场景模型的获取从数据库中进行调用，虚拟场景模型的多项数据采集时温度、湿度和压力均为合理范围，获取多轴联动数控机床伺服轴和刀具刀尖点运行轨迹数据集时工作环境的温度、湿度和压力均采用补偿软件将多轴联动数控机床设定参数修正至合理范围。
伺服轴和刀具刀尖点的实际运行轨迹数据获取方法包括以下步骤：
根据伺服轴和刀具刀尖点相对待加工件的相对位置，计算伺服轴和刀具刀尖点相对于多轴联动数控机床的坐标系矢量，得到伺服轴与刀具刀尖点的运行轨迹库M；
根据刀具刀尖点的运行轨迹计算得出相对于多轴联动数控机床待加工件三维立体模型的位置和尺寸变动，得到相对于刀具刀尖点待加工件三维立体模型变化数据库N；
根据刀具刀尖点运行轨迹和待加工件三维立体模型变化构造M×N矩阵。
伺服轴和刀具刀尖点虚拟运行轨迹与实际运行轨迹的比对分析用于判断伺服轴和刀具刀尖点实际运行轨迹与设定运行轨迹的差异，判断相应伺服轴和某段运行轨迹的异常，直接得出精度差异明显的伺服轴，并精准对该伺服轴的运行进行仿真模拟分析。
综上可知，本发明：
本发明通过采用虚拟仿真技术，可直观的了解多轴联动数控机床运行过程中刀具刀尖点和伺服轴移动轨迹和待加工件变化轨迹，同时获取多轴联动数控机床数据时采用补偿软件调整获取时的温度、湿度和压力数据，使上述数据保持与数据库中多轴联动数控机床虚拟场景模型采集数据时的温度、湿度和压力数据保持一致，降低待加工件自身性能对刀具行进产生的阻碍和影响，避免刀具形变对检测精度的影响，同时避免出现材料浪费情况，降低通过加工待加工件进行精度检测耗费的能量，同时保证多轴联动数控机床的虚拟场景模型和实际数据获取时的温度、湿度和压力保持一致，降低外部环境数据对检测精度的影响。
本发明通过采用unity3d软件实现对虚拟场景模型进行仿真，便于相关人员直观的了解伺服轴和刀具刀尖点移动轨迹出现误差的时间点和误差位置，实现对动态过程中数据变化的比对和了解，可较为直观的了解动态精度的变化。
最后应说明的几点是：虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明的基础上，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (4)
1.一种精密数控机床多轴联动精度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取多轴联动数控机床加工过程的虚拟场景模型，其中所述虚拟场景包括：选择的多轴联动数控机床的三维立体模型、待加工件的三维立体模型和加工过程所用刀具的三维立体模型；
获取多轴联动数控机床运行时多个伺服轴实时的运行姿态数据；
根据待加工件三维数据和加工需求模拟加工所需的操作指令，并获取待加工件的虚拟加工预测模型；
将操作指令所形成的动态数据输入虚拟场景模型中，并根据操作指令控制多轴联动数控机床工作，同时控制该区域其他设备停止运行；
获取多个伺服轴和刀具刀尖点的实际运行轨迹的动态运行数据，将动态数据输入虚拟场景模型中；
获取虚拟加工后待加工件的虚拟加工模型，将虚拟加工模型与待加工件的虚拟加工预测模型进行比对，得到加工精度误差；
根据虚拟场景模型和操作指令动态数据添加到unity3d软件的引擎仿真场景中，得到伺服轴和刀具刀尖点的虚拟运行轨迹；
根据加工精度误差，得到多轴联动数控机床的动态精度，并对伺服轴和刀具刀尖点的虚拟运行轨迹和实际运行轨迹进行比对分析。
2.根据权利要求1所述的一种精密数控机床多轴联动精度检测方法，其特征在于：所述引擎仿真场景用于显示虚拟场景模型的动态变化，所述虚拟场景模型的获取从数据库中进行调用，虚拟场景模型的多项数据采集时温度、湿度和压力均为合理范围，获取多轴联动数控机床伺服轴和刀具刀尖点运行轨迹数据集时工作环境的温度、湿度和压力均采用补偿软件将多轴联动数控机床设定参数修正至合理范围。
3.根据权利要求1所述的一种精密数控机床多轴联动精度检测方法，其特征在于，所述伺服轴和刀具刀尖点的实际运行轨迹数据获取方法包括以下步骤：
根据伺服轴和刀具刀尖点相对待加工件的相对位置，计算伺服轴和刀具刀尖点相对于多轴联动数控机床的坐标系矢量，得到伺服轴与刀具刀尖点的运行轨迹库M；
根据刀具刀尖点的运行轨迹计算得出相对于多轴联动数控机床待加工件三维立体模型的位置和尺寸变动，得到相对于刀具刀尖点待加工件三维立体模型变化数据库N；
根据刀具刀尖点运行轨迹和待加工件三维立体模型变化构造M×N矩阵。
4.根据权利要求1所述的一种精密数控机床多轴联动精度检测方法，其特征在于：伺服轴和刀具刀尖点虚拟运行轨迹与实际运行轨迹的比对分析用于判断伺服轴和刀具刀尖点实际运行轨迹与设定运行轨迹的差异，判断相应伺服轴和某段运行轨迹的异常，直接得出精度差异明显的伺服轴，并精准对该伺服轴的运行进行仿真模拟分析。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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