CN101633126A - 一种适用于机床加工复杂工件的夹具的配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于用四轴机床加工通常用五轴机床才能加工的复杂工件的特定夹具所对应的配置方法，即将工件所对应的两个不同方向的二任意角度α和β的定向要求，合成为一个方向和一个角度来定向，根据计算结果零件装夹时先给予相对第四轴一个预置角γ和加工面加工后旋转一个新的参数角θ，按照各节点新的坐标计算值进行加工，即能通过用四轴机床只旋转一次第四轴进行加工达到与五轴机床相同的效果，通过本发明中述及的技术方案，可以实现在四轴机床上加工通常只有五轴机床才能加工的复杂工件的目的，该工艺方法具有适用性，且能够减少一次机床动作。提高了已有机床的利用率，节省了添置五轴设备的投资。

Description

一种适用于机床加工复杂工件的夹具的配置方法

技术领域

本发明涉及一种机加工部件的设置使用方法，具体涉及一种适用于机床加工复杂工件，特别是采用现有四轴机床加工通常只能由五轴机床加工的复杂工件的配合夹具的设置方法。

背景技术

机加工是通过加工机械精确去除材料的加工工艺。机械加工主要有手动加工和数控加工两大类。手动加工是指通过机械工人手工操作铣床、车床、钻床和锯床等机械设备来实现对各种材料进行加工的方法。手动加工适合进行小批量、简单的零件生产。数控加工(CNC)是指机械工人运用数控设备来进行加工。目前，绝大多数的机加工车间都采用数控加工技术。通过编程，把工件在笛卡尔坐标系中的位置坐标(X，Y，Z)转换成程序语言，数控机床的CNC控制器通过识别和解释程序语言来控制数控机床的轴，自动按要求去除材料，从而得到精加工工件。数控加工以连续的方式来加工工件，适合于大批量、形状复杂的零件。与普通机床相比，数控机床有如下特点：

1、加工精度高，具有稳定的加工质量；

2、可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；

3、加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间；

4、机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高；

5、机床自动化程度高，可以减轻劳动强度；

作为原有数控车床的改进，现有的数控车床在原有卧式镗铣床的基础上增加了自动换刀装置，从而实现了工件一次装夹后即可进行铣削、钻削、镗削、铰削和攻丝等多种工序的集中加工。加工中心是带有刀库和自动换刀装置的一种高度自动化的多功能数控机床。工件在加工中心上经一次装夹后，能对两个以上的表面完成多种工序的加工，并且有多种换刀或选刀功能，从而使生产效率大大提高。数控机床按控制轴数可分为三轴、四轴和五轴等，随着轴数的增加，机床可加工的机加工件的曲面复杂度也随着增加，例如，传统的四轴机床无法实现同时对具有空间相对位置为两曲面的复杂工件的加工，而通过五轴机床可以轻松实现。固然，轴数越多，其对应的机加工性能就越强大，但是高轴数的机床成本高昂，要求每个机加工企业拥有各种轴数不同的机床以适配其加工的产品并不现实。

发明内容：

本发明的发明目的，在于针对目前部分复杂工件难以无法通过四轴机床加工，而添置五轴机床设备会造成成本激增和设备浪费的情况，给出了一种适用于用四轴机床加工通常用五轴机床才能加工的复杂工件的特定夹具所对应的设置应用方法，即将工件所对应的两个不同方向的二任意角度α和β的定向要求，合成为一个方向和一个角度来定向，根据计算结果零件装夹时先给予相对第四轴一个预置角γ和加工面加工后旋转一个新的参数角θ，按照各节点新的坐标计算值进行加工，即能通过用四轴机床只旋转一次第四轴进行加工达到与五轴机床相同的效果，通过本发明中述及的技术方案，可以实现在四轴机床上加工通常只有五轴机床才能加工的复杂工件的目的，该工艺方法具有适用性，且能够减少一次机床动作。提高了已有机床的利用率，节省了新添置五轴设备的投资。

为实现上述的发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种适用于机床加工复杂工件的夹具的配置方法，包括夹具设定和工件节点坐标值设定两步骤，所述数控机床通过夹具设定后进行工件节点坐标值设定的方式，对夹具夹持的工件进行机床加工。

进一步的，所述一种适用于机床加工复杂工件的夹具的配置方法中，所述夹具设定步骤包括以下设定工序：

①依据欲加工工件设计参数，设定工件节臂平面上的两个轴动方向和两个角度，建立坐标系；

②设定节臂平面与盘部基准面的实际夹角θ；

③设定节臂平面与盘部基准面的交线与坐标轴的夹角γ。

进一步的，所述一种适用于机床加工复杂工件的夹具的配置方法中，所述工件节点坐标值设定步骤包括以下设定工序：

①根据欲加工件设计参数，设定原四轴坐标系OXYZ；

②将原四轴坐标系OXYZ中的XOY坐标轴以O为圆心，旋转一个γ角，使平行于第四轴的坐标轴(如OY)和所述节臂平面与盘部基准面的交线相平行或重合，并得到新的四轴坐标系OX′Y′Z；

③将所得的新的四轴坐标系OX′Y′Z中的X′OZ坐标轴以O为圆心旋转一个θ角使坐标轴OX′平行于所述节臂平面，得到新的坐标系后，代入前述Y′坐标值，即得到该节点的最终坐标值。

本发明的有益效果在于：

本发明提供了一种适用于用四轴机床加工通常用五轴机床才能加工的复杂工件的特定夹具所对应的配置方法，即将工件所对应的两个不同方向的二任意角度α和β的定向要求，合成为一个方向和一个角度来定向，根据计算结果零件装夹时先给予相对第四轴一个预置角γ和加工面加工后旋转一个新的参数角θ，按照各节点新的坐标计算值进行加工，即能通过用四轴机床只旋转一次第四轴进行加工达到与五轴机床相同的效果，通过本发明中述及的技术方案，可以实现在四轴机床上加工通常只有五轴机床才能加工的复杂工件的目的，该工艺方法具有适用性，且能够减少一次机床动作。提高了已有机床的利用率，相较于新添置五轴设备，大大节约了生产成本。

附图说明：

图1为对加工工件的节臂平面的二个方向，二个角度的数值建立的坐标系；

图2为将工件的节臂平面与盘部基准面带入图1坐标系后的示意图；

图3为工件产品参数设定的坐标系；

图4为图3中XOY旋转γ后坐标系；

图5为图4中节点旋转θ后的坐标值，加上承前的Y′得到的最终坐标系。

具体实施方式：

下面对本发明的技术方案进行进一步说明：

如图1-5，一种适用于机床加工复杂工件的夹具的配置方法，包括夹具设定和工件节点坐标值设定两步骤，所述数控机床通过夹具设定后进行工件节点坐标值设定的方式，对夹具夹持的工件进行机床加工。所述夹具设定步骤包括以下设定工序：

①依据欲加工工件设计参数，设定工件节臂平面上的两个轴动方向和两个角度，建立坐标系；

②设定节臂平面与盘部基准面的实际夹角θ；

③设定节臂平面与盘部基准面的交线与坐标轴的夹角γ。

所述工件节点坐标值设定步骤包括以下设定工序：

①根据欲加工件设计参数，设定原四轴坐标系OXYZ；

②将原四轴坐标系OXYZ中的XOY坐标轴以O为圆心，旋转一个γ角，使平行于第四轴的坐标轴(如OY)和所述节臂平面与盘部基准面的交线相平行或重合，并得到新的四轴坐标系OX′Y′Z；

③将所得的新的四轴坐标系OX′Y′Z中的X′OZ坐标轴以O为圆心旋转一个θ角使坐标轴OX′平行于所述节臂平面，得到新的坐标系后，代入前述Y′坐标值，即得到该节点的最终坐标值。

下面通过实施例和计算进行进一步说明：

如图1所示，对加工工件的节臂平面的二个方向，二个角度的数学抽象化，建立坐标系；

如图2所示，令①通过节点e与节点f的连线且垂直于XOZ基面的平面为P面②盘部基准大平面为Q面

P面与Q面原交角为α，P面又绕一条轴旋转β，成为P′面即是工件的节臂平面。该轴垂直与二平面的交线且在P面上，原P面的法向矢量OB变为P′的法线矢量OB′其坐标为：

Z＝OB′COS βCOSα

Y＝OB′SIN β

X＝OB′COSβSINα

$\stackrel{\→}{O}{B}^{\′}=(\mathrm{COS\βSIN\α},\mathrm{SIN\β},\mathrm{COS\βCOS\α})$

$\stackrel{\→}{O}{B}^{\′}=(a,b,c)$

令Q面的法向矢量 $\stackrel{\→}{O}A=\left(\mathrm{0,0,1}\right)$

计算节臂平面与盘部基准大平面的实际夹角——新的四轴旋转参数角。

P′面与Q面的夹角：

$\mathrm{COS\θ}=\frac{{\stackrel{\→}{\mathrm{OB}}}^{\′}\·\stackrel{\→}{\mathrm{OA}}}{\left|{\stackrel{\→}{\mathrm{OB}}}^{\′}\right|\·\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OA}}\right|}=\frac{C}{\sqrt{a^2+b^2+c^2}}$

$\mathrm{\θ}=\mathrm{ArcCOS}\frac{C}{\sqrt{a^2+b^2+c^2}}$

计算预置角——即P′面与Q面的交线L与OY坐标轴的夹角。令L线的方向矢量为

$\stackrel{\→}{L}=\stackrel{\→}{O}{B}^{\′}\×\stackrel{\→}{O}A=\left|\begin{array}{ccc}i& j& k\\ a& b& c\\ 0& 0& 1\end{array}\right|$

$=\mathrm{bi}-\mathrm{aj}$

令OY轴的方向矢量为 $\stackrel{\→}{O}Y=(0,-\mathrm{1,0})$

$\mathrm{COS\γ}=\frac{\stackrel{\→}{L}\·\stackrel{\→}{\mathrm{OY}}}{\left|\stackrel{\→}{L}\right|\·\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OY}}\right|}=\frac{a}{\sqrt{a^2+b^2}}$ $\mathrm{\γ}=\mathrm{ArcCOS}\frac{a}{\sqrt{a^2+b^2}}$

如图3所示，按原工件产品设定参数建立标系；

①点g：(X1，Y1，Z1)

②点e：(X2，Y2，Z2)

③点h：(X3，Y3，Z3)

④点f：(X4，Y4，Z4)

如图4所示，XOY旋转γ后坐标值：

①点g：节点至O点投影长度p1，角度：κ1，λ1

坐标(X′₁，Y′₁，Z₁)

②点e：节点至O点投影长度p2，角度：κ2，λ2

坐标(X′₂，Y′₂，Z₂)

③点h：节点至O点投影长度p3，角度：κ3，λ3

坐标(X′₃，Y′₃，Z₃)

④点f：节点至O点投影长度p4，角度：κ4，λ4

坐标(X′₄，Y′₄，Z₄)

如图5所示，X′OZ上节点旋转θ后的坐标值，加上承前的Y′得到最终坐标值：

①点g：节点至O点投影长度p5，角度：m₁

坐标(X′₁₁，Y′₁，Z₁₁)

②点e：节点至O点投影长度p6，角度：m₂

坐标(X′₂₁，Y′₂，Z₂₁)

③点h：节点至O点投影长度p7，角度：m₃

坐标(X′₃₁，Y′₃，Z₃₁)

点f：节点至O点投影长度p8，角度：m₄

坐标(X′₄₁，Y′₄，Z₄₁)

以加工一种转向节而言，转向节内的α＝13°34′，β＝0.5°，求得：γ＝2°7′50.06″，θ＝13°34′33″，即在夹具装置上设计旋转轴线与产品基准轴线角度为γ＝2°7′50.06″，此时产品基准平面与机床主轴线垂直，用于加工第一个位置；加工第二位置时，夹具装置沿着机床第四旋转轴旋转一定角度即θ＝13°34′33″，此时产品第二位置平面与机床主轴线垂直，可以加工第二位置，据此类推，即可在四轴机床上，通过该特定夹具和夹具的配置，加工通常在五轴机床才可加工的该工件。该工艺方法具有适用性，且能够减少一次机床动作。提高了已有机床的利用率，相较于新添置五轴设备，大大节约了生产成本。

值得注意的是，具体实施方式中的技术方案和实施例仅是对本发明精神的进一步说明而非限定，任何采用发明的实质发明精神而仅对技术方案作等同的简单变换的，仍在发明的保护范围内。

Claims (3)

1、一种适用于机床加工复杂工件的夹具的配置方法，其特征在于：所述一种适用于机床加工复杂工件的夹具的配置方法，包括夹具设定和工件节点坐标值设定两步骤，所述数控机床通过夹具设定后进行工件节点坐标值设定的方式，对夹具夹持的工件进行机床加工。

2、根据权利要求1所述的一种适用于机床加工复杂工件的夹具的配置方法，其特征在于：所述一种适用于机床加工复杂工件的夹具的配置方法中，所述夹具设定步骤包括以下设定工序：

①依据欲加工工件设计参数，设定工件节臂平面上的两个轴动方向和两个角度，建立坐标系；

②设定节臂平面与盘部基准面的实际夹角θ；

③设定节臂平面与盘部基准面的交线与坐标轴的夹角γ。

3、根据权利要求1所述的一种适用于机床加工复杂工件的夹具的配置方法，其特征在于：所述一种适用于机床加工复杂工件的夹具的配置方法中，所述工件节点坐标值设定步骤包括以下设定工序：

①根据欲加工件设计参数，设定原四轴坐标系OXYZ；

②将原四轴坐标系OXYZ中的XOY坐标轴以O为圆心，逆时针旋转所述节臂平面与盘部基准面的交线与坐标轴的夹角γ，并得到新的四轴坐标系OX′Y′Z；

③将所得的新的四轴坐标系OX′Y′Z以O为圆心顺时针旋转所述节臂平面与盘部基准面的实际夹角θ，得到新的坐标轴后，代入前述Y′坐标值，即得到该节点的最终坐标值。

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