一种非标五轴联动机床加工非线性误差补偿方法

本发明涉及数控加工，具体涉及一种三旋转两直线运动形式的非标五轴联动机床加工非线性误差补偿方法。

背景技术：

1、非线性误差是多轴联动机床特有的误差，三轴机床由于只有线性轴没有旋转轴，各轴形式都是线性的，因此不会产生非线性误差。多轴联动机床比三轴机床增加了旋转轴，导致刀尖点的运动从直线运动变成了旋转运动和直线运动的耦合，这就会使得刀尖点轨迹偏离编程轨迹，进而产生非线性误差。如图1所示，刀尖点理论插补轨迹为一条直线，但是由于摆角铣头在运动时，旋转轴产生了摆动，因此刀尖会逐渐偏离插补直线，刀尖的实际轨迹相比理论轨迹会产生偏差值，通常将最大偏差值定义为非线性误差值。

2、通常，非线性误差需要机床rtcp功能来进行补偿，rtcp(rotational tool centerpoint)功能是五轴联动加工极其重要的功能，其可以有效提高机床加工效率和加工精度。目前国际知名的数控厂商如西门子、发那科、海德汉等高档五轴数控系统均已具备rtcp功能；此外对于没有rtcp功能的机床，国内外一些专家学者也从后置处理的角度推导出了五轴数控机床的rtcp补偿算法，并得到了实际加工验证。但是，以上提到的rtcp补偿算法或功能仅仅是针对标准形式的五轴机床，包括：五轴双摆角铣头、五轴双回转工作台、五轴一摆角铣头一回转工作台三种形式，而对于一些特殊运动形式的机床，例如本发明提到的yzbcc2形式五轴联动机床(具备三个旋转轴b、c、c2和两个直线轴y、z)，现有的rtcp补偿方法均不能实现非标五轴联动机床的非线性误差补偿。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供一种三旋转两直线运动形式的非标五轴联动机床加工非线性误差补偿方法，非标五轴联动机床为yzbcc2运动形式，具备三个旋转轴(b、c、c2)和两个直线轴(y、z)。

2、本发明公开了一种非标五轴联动机床加工非线性误差补偿方法，非标五轴联动机床为yzbcc2运动形式，具备三个旋转轴b、c、c2和两个直线轴y、z，两个直线轴y、z分别为：y轴-刀轴水平往复运动，z轴-刀轴垂直往复运动；三个旋转轴b、c、c2分别为：b轴-数控摆角铣头绕y轴摆动，c轴-数控摆角铣头绕z轴旋转，c2轴-数控旋转工作台绕z轴旋转；所述非线性误差补偿方法，包括：

3、步骤1、建立非标五轴联动机床运动学模型；

4、步骤2、基于建立的非标五轴联动机床运动学模型，对y、z、c、c2轴进行rtcp补偿计算；其中，

5、

6、ly＝lt sinβsinα+(py-lt sinβsinα)sinγ+(px+ltcosβsinα)sinγ

7、

8、lz＝lt sinα+pz+lt cosα

9、式中，(px,py,pz,ux,uy,uz)分别为刀位文件的位置和矢量方向，lt为摆长，即b轴回转中心到刀尖点距离，α为b轴摆动角度，β为c轴摆动角度，γ为c2轴摆动角度，ly为机床y轴移动的直线距离，lz为机床z轴移动的直线距离。

10、作为本发明的进一步改进，非标五轴联动机床运动学模型为：

11、

12、式中，lcc2为c轴回转中心到c2轴回转中心的z向距离，lbc为b轴回转中心到c轴回转中心的z向距离。

13、作为本发明的进一步改进，非标五轴联动机床运动学模型的建立方法，包括：

14、设置工件到c2轴的坐标变换矩阵wtc2、c2轴到床身的坐标变换矩阵c2tm、机床床身到y轴的坐标变换矩阵mty、y轴到z轴的坐标变换矩阵ytz、z轴到c轴的坐标变换矩阵ztc、c轴到b轴的坐标变换矩阵ctb以及b轴到刀具的坐标变换矩阵btt；

15、相邻运动部件间的齐次坐标矩阵wtt表示为：

16、wtt＝wtc2·c2tm·mty·ytz·ztc·ctb·btt

17、将平移坐标变换矩阵c2tm·mty·ytz进行合并，得到：

18、wtt＝wtc2·tr(ly,lz)·ztc·ctb·btt

19、式中，tr、ly、lz为直线轴坐标变换矩阵、机床y轴移动的直线距离、机床z轴移动的直线距离；

20、设定(px,py,pz,ux,uy,uz)分别为刀位文件(cls)的位置和矢量方向，由各相邻坐标系之间的变换关系，刀具坐标系到工件坐标系的转换矩阵为：

21、[uw 0]t＝wtt[ut 0]t

22、[pw 0]t＝wtt[pt 0]t

23、式中，uw、ut、pw、pt分别为工件初始的矢量方向、刀具初始的矢量方向、工件初始的位置坐标、刀具初始的位置坐标；

24、将刀具坐标系到工件坐标系的转换矩阵带入到合并后的齐次坐标矩阵中，得到非标五轴联动机床运动学模型：

25、

26、作为本发明的进一步改进，基于建立的非标五轴联动机床运动学模型，对y、z、c、c2轴进行rtcp补偿计算；包括：

27、联立非标五轴联动机床运动学模型中各式，求解未开启rtcp功能的机床各轴运动学表达式：

28、

29、将摆角头摆长lt用向量表示，其初始位置的齐次坐标矩阵为[0 0 lt 0]t，根据旋转变换的机床运动学模型，得出摆角铣头绕b轴和c轴变换的补偿向量l，l表示为：

30、

31、在工件坐标系下，设定待加工点(px,py,pz)经过非线性误差补偿后的坐标为(px',py',pz')，其中得出(px',py',pz')的表示式：

32、

33、根据上式，得出在开启rtcp补偿功能后y、z、c、c2轴的表达式为：

34、

35、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

36、本发明可解决非标多轴联动机床加工没有rtcp补偿所引起的非线性误差，提升了机床的加工精度。

技术特征：

1.一种非标五轴联动机床加工非线性误差补偿方法，非标五轴联动机床为yzbcc2运动形式，具备三个旋转轴b、c、c2和两个直线轴y、z，两个直线轴y、z分别为：y轴-刀轴水平往复运动，z轴-刀轴垂直往复运动；三个旋转轴b、c、c2分别为：b轴-数控摆角铣头绕y轴摆动，c轴-数控摆角铣头绕z轴旋转，c2轴-数控旋转工作台绕z轴旋转；其特征在于，所述非线性误差补偿方法，包括：

2.如权利要求1所述的非标五轴联动机床加工非线性误差补偿方法，其特征在于，非标五轴联动机床运动学模型为：

3.如权利要求2所述的非标五轴联动机床加工非线性误差补偿方法，其特征在于，非标五轴联动机床运动学模型的建立方法，包括：

4.如权利要求2所述的非标五轴联动机床加工非线性误差补偿方法，其特征在于，基于建立的非标五轴联动机床运动学模型，对y、z、c、c2轴进行rtcp补偿计算；包括：

技术总结本发明公开了一种非标五轴联动机床加工非线性误差补偿方法，非标五轴联动机床为YZBCC2运动形式，具备三个旋转轴B、C、C2和两个直线轴Y、Z，非线性误差补偿方法，包括：建立非标五轴联动机床运动学模型；基于建立的非标五轴联动机床运动学模型，对Y、Z、C、C2轴进行RTCP补偿计算；其中，L<subgt;y</subgt;＝LTsinβsinα+(P<subgt;y</subgt;‑LTsinβsinα)sinγ+(P<subgt;x</subgt;+LTcosβsinα)sinγ本发明可解决非标多轴联动机床加工没有RTCP补偿所引起的非线性误差，提升了机床的加工精度。技术研发人员：赵鹏睿受保护的技术使用者：北京工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18