[发明专利]面向圆柱凸轮加工的三轴联动轮廓误差补偿控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种轮廓误差补偿控制方法，特别是涉及一种面向圆柱凸轮加工的三轴联动轮廓误差补偿控制方法。

背景技术

圆柱凸轮机构与平面凸轮机构相比，体积小、结构紧凑、刚性好、运转可靠、传动转矩大，在实现间隙分度运动、较大运动升程方面具有很大优势。圆柱凸轮属于空间凸轮，按照从动件的运动方式可以分为直动从动件圆柱凸轮和摆动从动件圆柱凸轮。可以采用带有一个回转工作台的数控铣床加工圆柱凸轮轮廓，例如在带有回转工作台的立式数控铣床上，可以用X进给轴、A旋转轴联动加工直动从动件圆柱凸轮，用X进给轴、Y进给轴、A旋转轴联动加工摆动从动件圆柱凸轮。圆柱凸轮加工中影响圆柱凸轮加工精度的误差来源包括丝杠间隙、导轨不直、热变形等机床结构误差，驱动系统的动态特性、控制器与外部干扰引起的误差等。其中，由于数控机床机械部分、伺服驱动比较复杂，且涉及机械、电气、控制及在运动过程中参数的变化，机床各联动进给轴之间实际动态性能很难做到完全匹配，这直接影响了轮廓精度的提高，是造成轮廓误差的重要原因。研究表明，在零件加工中对轮廓误差计算并进行实时补偿，是提高系统轮廓精度的有效途径。轮廓误差指当前实际刀位点到所跟踪刀具轨迹曲线的最短距离。在直线轴联动场合，轮廓误差描述直观，便于计算和补偿；但是在直线轴和旋转轴联动场合，轮廓误差的描述以及计算补偿较为困难。

对现有的技术文献检索发现，现有研究成果多集中在两个或三个直线轴联动时轮廓误差耦合控制方法，但是对直线轴与旋转轴联动加工时轮廓误差的计算方法、补偿方法少有研究。如Syh-Shiuh Yeh等在学术期刊《IEEE TRANSACTIONS ON CONTROL SYSTEMS TECHNOLOGY》(2003，11(3)：375-382)上发表的论文“Analysis and Design of Integrated Control for Multi-Axis Motion Systems”中，提出在三直线轴联动时将某采样周期实际刀位点到指令刀轨曲线上当前插补点处切线的距离近似为轮廓误差；刘宜等在学术期刊《系统仿真学报》(2009，21(11)：3381-3386)上发表的论文“基于工作坐标系的最优轮廓控制及其仿真”中，提出在三直线轴联动时通过在期望轨迹上建立Frenet坐标系作为工作坐标系，用位置跟随误差在工作坐标系中的法向分量来近似轮廓误差；龚时华等人在学术期刊《电气自动化》(2010，32(4)：11-13)上发表的论文“凸轮轴磨削加工轮廓误差的自适应控制”中，针对一个直线轴和一个旋转轴联动加工，提出一种在在极坐标系下凸轮轴磨削加工轮廓误差的表达式，但该轮廓误差模型描述较为抽象。

综上所述，在圆柱凸轮零件数控加工中，如何在每个采样周期，直观的描述并高精度的计算轮廓误差和轮廓误差补偿量，对A轴、X轴、Y轴伺服执行机构进行补偿控制，对于增强各进给轴之间匹配程度，提高轮廓精度具有重要意义，已成为本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种能克服现有技术的不足、轮廓误差描述直观、计算精度高、轮廓误差补偿控制简单的面向圆柱凸轮加工的三轴联动轮廓误差补偿控制方法。其技术方案为：

针对A轴、X轴、Y轴联动，在插补加工过程中进行轮廓误差计算和轮廓误差补偿，其特征在于包括以下步骤：

1)在对圆柱凸轮轮廓线刀具轨迹插补加工的每个采样周期，一方面，在机床坐标系下，经A轴、X轴、Y轴各自的位置传感器检测当前各轴工作台实际位置，得到实际刀位点R(R_A，R_x，R_y)坐标，计算得到A轴、X轴、Y轴的跟随误差，分别记为E_A、E_x、E_y；另一方面，将机床坐标系下实际刀位点R(R_A，R_x，R_y)转化到空间直角坐标系Oxyz下，得到对应的实际刀位点R′(R_x′，R_y′，R_z′)坐标，其中R_x′＝R_x，R_y′＝R_y，R_z′＝R_y·tgR_A；