五轴数控机床轮廓误差预补偿技术研究.pdf

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1、五轴数控机床轮廓误差预补偿技术研究Studyonfive-axisCNCmachinecontourerrorpre-compensationtechnology余蔚荔YUWei-li（广东机电职业技术学院，广东510075）摘要：五轴数控机床在加工过程中不可避免会产生误差，为了进一步提高五轴数控机床的加工精度，本文提出了五轴数控机床轮廓误差的预补偿技术，首先分析了轮廓误差的产生原因和组成要素，然后提出了跟踪误差的预测方法并建立预测模型，接着对于轮廓误差的预测进行建模，最后根据五轴机床加工过程中给出的路径仿真得出了轮廓误差未补偿和补偿的对比，结果表明了经

2、过轮廓误差的预补偿，能够很大程度上减小加工过程中出现的轮廓误差，进一步证明了本文方法的有效性。关键词：五轴数控机床；误差；预补偿；轮廓误差中图分类号：TH161文献标识码：B文章编号：1009-0134(2014)04(上)-0029-04Doi：10.3969/j.issn.1009-0134.2014.04(上).090引言误差进行预测，结合五轴样条刀具路径来预测刀五轴数控机床在工业上广泛应用于加工模尖位置和刀具方向误差，然后在轨迹命令中进行[1]具、模型以及航空航天零件，在粗加工阶段采用补偿[8,9]。大进给和低速度，精加工阶段采用小进给和高的1跟

3、踪误差预测主轴速度。尽管在精加工阶段，切削载荷很小，五轴机床的结构如图1所示，在工件坐标系但是材料去除率主要受到控制器或者进给驱动的中，用向量表示t时刻的刀尖点位置为：精度影响。这些驱动具有有限的频率带宽，对于T位置命令的相位滞后导致了位置跟踪误差，它与PtPtPtPt()[(),(),()]=xyz(1)[2]同时，刀具的起始方向定义为：轴进给速度成一定的比例。当五轴机床的三个直T线轴和两个转动轴执行曲线轨迹的时候，各个轴OtOtOtOt()[(),(),()],=ijkO=1(2)的跟踪误差综合起来，形成了五轴机床加工的轮P系统M系统TPPPP=[,

4、,]Txyzq=[,,,,]XYZAC廓误差，如果不妥善解决这个问题，轮廓误差可TOOOO=[,,]ijk能会超过零件的允许误差。目前有很多减少机床[3～5]轮廓误差的方法，但是被证明相对有效的是轮廓误差的预测与补偿技术。Koren提出了串耦控制[6]器来减少两轴机床的轮廓误差。Altintas和Sencer提出了滑模控制器来预测和补偿五轴刀具路径的轮廓误差[7]。但是这些方法都存在一些问题，因为图1五轴机床结构示意图预补偿和跟踪轮廓误差需要考虑伺服驱动动力学根据逆运动学转换公式，将参考刀具路径变以及其对机床运动之前路径轮廓误差的影响。本量(,,,,,)

5、PPPOOOxyzijk由工件坐标系（P系统）转换文对五轴机床的三个直线轴和两个旋转轴的跟踪为五轴加工机床坐标系（M系统）的位置命令，收稿日期：2013-10-24作者简介：余蔚荔（1970-），女，广东开平人，副教授，硕士，主要从事CAD/CAM技术、数控加工技术、模具设计方面的科研与教学工作。第36卷 第4期 2014-04(上) 【29】逆运动学转换公式如下：分为相同时间长度的n个部分，如图3所示，拟合AO=arccos(k)的目的是用小数量的片段去描述位置命令，不需C=arctan(OO/)要将参考轨迹上的所有点都考虑进去，如果n+1个ij

6、(3)X=−−cos()CPxysin()CP时间内X轴的位置(,,,)xx01xn由Xref选取，则片Y=cos()sin()ACP−cos()cos()ACP−−sin()APsin()ALxyzacz段i的五次样条表达式为：Z=sin()sin()ACPx−sin()cos()ACPy+++cos()APzcos()ALaczLTyaz5432Stbtbtbtbtbtbt()=+++++∈,[0,];hiiiiiii5,4,3,2,1,0,i(6)其中Lacz和LTyaz为旋转台的补偿，变换的位置SSSSSS∈{XYZAC,,,,}命

7、令为：其中样条片段i的时间间隔为httiiii=−=−1,1,,n，Tqt()[(),(),(),(),()]=XtYtZtAtCt(4)同时有0=<<<=tt01,,ttnf，式（6）的系数由n个其中(,,,,)XYZAC为机床刀具坐标系的轴坐标。子样条片段来确定，一旦样条的系数确定，则每个每一个控制间隔（Ts）的离散位置命令可以参考位置与样条预测的相应位置就能够确定。用向量表示，例如X轴表示如下：每个轴的参考位置Xref与与样条St()的拟合误Xref=[(0),XX(1),X(2),,XN(s)](5)差在每一次迭代中计算，如果最大误差小于允

8、许其中Ns为离散步长的数量，tf=NTss为总的路误差ε，就结束拟合过程，否则，