CN101758421B - 基准集成加工方法及其多方向定位块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大型数控式龙门铣床上的基准集成加工方法及其多方向定位块。该方法将一固定于所述大型数控龙门铣床的工作台上的具有若干定位要素的多方向定位块作为各加工工步中刀具校准零点位置的统一基准，并且将该多方向定位块上定位要素的中心点作为控制各加工工步的数控子程序的起始点及终止点，该多方向定位块由基准体和底座构成，基准体上设置有若干定位要素，该若干定位要素包括至少一定位平面和至少一定位园孔。本发明通过设置统一的基准，实现了加工全过程的程序控制，避免了人工操作方式，因而提高了生产效率及安全性，降低了劳动强度和经济成本，避免了安全和质量事故，特别适合于数控龙门式铣床对大型工件的加工。

Description

基准集成加工方法及其多方向定位块

技术领域：

本发明涉及一种机械加工方法，尤其涉及一种应用于大型数控式龙门铣床的基准集成加工方法及其多方向定位块。

背景技术：

在数控机床上加工工件时，通常都预先编制好刀具行走的轨迹程序，然后将之输入到数控机床的控制部件中，再启动机床和刀具进行工件切削加工。大型数控龙门铣床加工工件也是如此，其现有的加工方法为：首先编制工件切削程序，程序以每一切削工步为单位分别编制成子程序，整个程序由若干个子程序组成，每一子程序只控制一个切削工步由切削开始到切削结束刀具行走的轨迹；随后将编制好的工件切削程序输入数控龙门铣床的控制部件中；然后由机床操作者手动完成对刀，即在工步切削起始点(即子程序的执行初始点)上设定刀具的零点位置；之后启动机床和刀具执行该子程序对工件进行一个工步的切削加工；再后更换刀具(必要时)并在下一工步的起始点(即下一子程序的执行初始点)上再次对刀，随后启动机床和刀具进行下一工步的切削加工；如此循环逐一执行全部子程序完成所有工步的切削加工。

上述方法存在有如下缺点：

1、切削程序只控制刀具在每一工步切削过程中的行走轨迹，切削之前刀具如何进刀走到切削起始点以及切削之后如何退刀至预定位置进行换刀等过程则机床不受程序控制，而是由操作者自行决定并手动控制机床使刀具行走。由于数控龙门铣床所加工的工件体积庞大，极易产生工件与机床的干涉，并且大型工件经常会遮挡操作者视线，因而手动操作机床运动的过程必需在两人甚至三人监护下才能完成，否则极易发生机床撞击工件的危险。一旦操作不慎发生碰撞事故将造成巨大的经济损失，在大型数控龙门铣床上这种损失动辄千百万元，此类问题也是大型机械加工所经常面对的。

总之，在数控龙门铣床加工大型工件的过程中，进刀、退刀和换刀的手工方式极易引发设备事故，造成重大的经济损失。

2、在现有加工方法中，数控程序以每个工步为单位，只控制工步内刀具从切削开始到结束的运动轨迹，因此在每一工步进行切削之前都要进行一次对刀，即刀具设定切削起始点，而且以人工的方式进行。由于工件体积庞大，各工步切削起始点所处的空间位置不同，有的甚至位于十余米的高空，因而时常出现操作者不得不通过攀爬工件或使用大型扶梯等方式来登高进行刀具设定切削起始点操作的情形。此类登高作业存在很大的安全隐患，一旦操作者滑倒发生人身伤害事故，则后果严重将对企业及个人造成重大损失。再者，人工对刀操作须花费大量辅助时间，而大型数控龙门铣床的单位加工成本极为昂贵，因此过长的辅助时间大大增加了工件的加工成本。

总而言之，每一切削工步前的人工对刀设零具有操作困难、高空作业危险、辅助时间长、加工成本高等缺陷。

3、由于整个加工数控程序由若干个子程序组成，而每一子程序只控制一个切削工步中刀具的行走，各工步的起点、终点相互间都不重复，因此各子程序之间不仅无法串联在一起连贯执行，而且各子程序相互间毫无关联，显得较为零乱和不系统，这就增加了操作者理解数控程序的难度，往往导致操作者对数控程序的理解与编程人员的思路产生偏差，从而引起执行加工数控程序的错误，引发工件加工的质量事故。

综上所述，现有大型数控龙门铣床加工大型工件的过程控制由程序数控和人工操作两部分构成，无法实现加工全过程的程序控制，由于机床和工件都很庞大，因此过程中对刀(设定刀具切削起始点)、进刀、退刀的人工操作方式具有操作困难、作业危险、效率低下、成本高昂和劳动强度高的缺点，极易引发人身安全、设备损坏、工件质量等事故，造成巨大的经济损失。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是克服现有大型数控龙门铣床加工方法的不足，提供一种基准集成加工方法，通过设置统一的刀具校准零点位置的基准，编制系统而连贯的加工数控程序，实现加工全过程的程序控制，避免对刀、进刀、退刀的人工操作方式，从而达到保障人身及设备安全、降低工艺成本和劳动强度、提高产品质量和加工效率的效果。

本发明所要解决的另一技术问题是，提供一种用于所述基准集成加工方法的多方向定位块，将之统一作为所有加工工步的对刀基准，并以此作为编制每一工步中进刀、切削、退刀的刀具控制程序的坐标原点，从而使加工数控程序条理清晰、易于理解，便于连贯起来执行操作各工步的控制子程序。

本发明解决上述问题的方案如下：

一种基准集成加工方法，其用于大型数控式龙门铣床上对大型工件的加工，该方法将一固定于所述大型数控龙门铣床的工作台上的具有若干定位要素的多方向定位块作为各加工工步中刀具校准零点位置的统一基准，并且将该多方向定位块上定位要素的中心点作为控制各加工工步的数控子程序的起始点及终止点。

本发明所述基准集成加工方法的操作步骤如下：

(1)固定安装工件和多方向定位块：将工件按划线校准并固定在所述大型数控龙门铣床的工作台上，再将所述多方向定位块调整至工件中心并固定在工作台台面上，使该多方向定位块上的定位要素与工作台台面形成一定的位置关系；

(2)以多方向定位块上的定位要素的中心点为基准设定坐标原点：采用量具校准确定多方向定位块上定位要素的中心点，以该中心点为基准设定为加工空间坐标系的坐标原点；

(3)以设定的坐标原点为起始点和终止点编制各加工工步的数控子程序并输入之：以设定的坐标原点为起始点和终止点编制各加工工步的数控子程序，并将之输入所述大型数控龙门铣床的控制部件，该数控子程序包含控制刀具进刀、切削和退刀的内容；

(4)安装刀具并以多方向定位块为基准校准刀具的零点位置：在所述大型数控龙门铣床主轴上安装刀具，以多方向定位块上的定位要素为基准校准刀具的零点位置；

(5)逐一执行各加工工步的数控子程序以完成工件的加工，必要的换刀操作在前后工步之间的刀具的零点位置上进行：启动所述大型数控龙门铣床的控制部件，依据工艺要求逐一调用和执行各加工工步的数控子程序，前后工步之间必要的换刀操作在刀具的零点位置上进行，最后完成工件的全部加工。

本发明解决其技术问题的另一方案如下：

一种用于实现所述基准集成加工方法的多方向定位块，其由基准体和底座构成，该基准体上设置有若干定位要素，该若干定位要素包括至少一定位平面和至少一定位园孔。

本发明所述多方向定位块的底座的底面上开设有键槽，一键嵌于该键槽和工作台台面槽中以定位所述基准体与工作台台面的相互位置关系；所述基准体为一长方体，其具有一水平的上定位面和四垂直的侧定位面，各定位面与相邻定位面互相垂直，每一定位面上设置有一轴线与该定位面垂直的定位圆孔，该上定位面的四角还各设置有一斜定位面，该斜定位面与上定位面成一角度关系；所述基准体或者为一正八棱柱，其具有一水平的上定位面和八垂直的侧定位面，该上定位面分别与其余八侧定位面互相垂直，所述上定位面和其中四侧定位面上各自设置有一轴线与该定位面垂直的定位圆孔。

与用于大型数控式龙门铣床上的传统加工方法相比较，本发明所述基准集成加工方法采用一多方向定位块作为各工步中刀具校准零点和数控子程序的统一基准，建立统一的加工空间坐标系，将该坐标系中各方向的基准集成到该多方向定位块上，每一工步的加工控制程序以此作为起始点及终止点，每一工步加工的刀具校准零点也统一以此位置作为基准，每一工步的进刀、切削、退刀都由此多方向定位块开始，加工完成后又回到此多方向定位块，然后再进行换刀、设零以及下一工步的加工，从而使整个加工过程能够连贯进行，避免了人工操作进、退刀和对刀，实现了全程程序控制。因此，本发明具有如下优点：

1、由于统一了各加工工步的基准点，实现了进刀、切削和退刀加工全过程的程序控制，无需人工操作，所以简化了操作、避免了安全事故、降低了劳动强度、提高了加工效率、节约了辅助时间、降低了经济成本。

2、由于统一了各工步加工数控子程序的起始点及终止点，等于将之前各不关联的各工步子程序通过多方向定位块串联起来，形成系统而连贯的加工全过程数控程序，使程序条理清晰、易于理解，避免了因操作者对数控程序及工艺编程思路理解偏差所导致的加工质量事故。

附图说明：

图1是本发明的A型多方向定位块的结构示意图。

图2是本发明的B型多方向定位块的结构示意图。

图3是本发明的C型多方向定位块的结构示意图。

图4是多方向定位块的安装示意图。

图5是本发明的加工方法流程图。

图6是本发明的加工实例之一。

图7是本发明的加工实例之二。

图中：1-基准体；2-底座；3-键槽；4-连接槽；

5-侧定位面；6-斜定位面；7-键；8-机床台面槽；

9-连接螺栓；10-上定位面；11-定位园孔；

12-工作台；13-刀盘；14-工件。

具体实施方式：

本发明所述的基准集成加工方法用于大型数控式龙门铣床上对大型工件的加工，该方法将一具有若干定位要素的多方向定位块固定于所述大型数控龙门铣床的工作台上，并利用此多方向定位块作为基准原点建立加工空间坐标系，将该坐标系中各方向的基准集成到该多方向定位块上，以此作为各加工工步中刀具校准零点位置的统一基准，同时也以该多方向定位块上定位要素的中心点作为编制控制各工步加工的数控子程序的起始点及终止点，使每一工步的加工由该多方向定位块开始，再回到该多方向定位块结束。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

用于实现本发明所述基准集成加工方法的多方向定位块的结构请参阅图1，图示多方向定位块01A由基准体1和底座2构成，该基准体1固定于底座2的上方。该底座2为一板状构件，其底面上开设有与机床台面槽8相对应的键槽3，该键槽3可以设置为多条，图1中底座2具有相互垂直的两条键槽3，该键槽3能够通过镶嵌键7将多方向定位块01A定位于所述大型数控龙门铣床的工作台12上(参见图4)。该基准体1上设置有若干定位要素，该若干定位要素包括至少一定位平面和至少一定位圆孔。

所述基准体1可以具有多种结构形式，图1、2和3分别给出了不同基准体1构成的多方向定位块的结构示意图。在图1所示多方向定位块01A的实施例中，所述基准体1为一长方体，其顶部具有一个水平的上定位面10，并且四周具有四个垂直的侧定位面5；各定位面与相邻的定位面互相垂直，每一定位面10或5上设置有一定位圆孔11，该定位圆孔11的轴线与所在定位面10或5相垂直。图3所示的多方向定位块01C的实施例是在图1所示的多方向定位块01A上发展而形成的，其与多方向定位块01A的不同之处在于，该上定位面10的四角处还各设置有一斜定位面6，该斜定位面6与上定位面10成一确定的角度关系，该角度可以为由需要而设定的任意角度，如45°、60°或者其它角度。在图2所示多方向定位块01B的实施例中，所述基准体1为一正八棱柱，其顶部具有一水平的上定位面10，以及四周具有八个垂直的侧定位面5，该上定位面10分别与其余八个侧定位面5成互相垂直关系；所述上定位面10和其中四个侧定位面5上各自设置有一轴线与该定位面10或5垂直的定位圆孔11，所述四个设有定位圆孔11的侧定位面5与四个未设有定位圆孔11的侧定位面5沿基准体1的周边一一相间隔地排列。

除了上述三种形式的多方向定位块之外，还可以根据实际需要衍生出更多形式的多方向定位块。所有这些多方向定位块的基准体1上都设置有多个定位要素：定位平面和定位园孔，这些定位要素均经过精细加工，尺寸和形状误差以及表面粗糙度都达到了作为基准要素所必须具备的高精度。多方向定位块实际上是将加工空间坐标系中各方向的基准集成到基准体1上以作为加工定位的统一基准，基准体1上的若干定位要素可以根据需要设置，以便实现在任意方向上对刀，满足各类加工的需求，包括特殊角度加工的需求。

以下是应用本发明所述基准集成加工方法进行工件加工的两个实施例。

机座、机架是大功率低速船用柴油机中的重要零件，其体积庞大，长度可达15米，宽度可达5米，高度可达4米左右，且其加工部位复杂，干涉繁多，加工精度要求高，这对编程人员的思路条理要求极高，对操作者理解程序的能力及操作技能也是极大的考验。以往采用一般加工方法时，对刀设零位等操作需利用扶梯登上4米左右高处进行反复登高作业，由于扶梯及台面油渍较多，不仅极易发生滑倒危险而且要花费大量辅助时间用于放置扶梯等，工作效率极低；此外，数控程序以每个工步为单位分开编程，整个加工过程被分割成近百个小程序，且切削之外的进、退刀过程机床不受程序控制，需操作者通过理解编程人员的思路自行确定下一工步程序的起始点，然后采用手动操作机床走到该起始位置，切削结束后手动机床退刀到合适位置并调整刀具，由于柴油机机座机架在加工推力档、主轴承孔、导板平面等部位时干涉特别严重，采用手动控制机床须在三人同时监护下进行，因此手动方式不仅极为危险，而且耗费时间、精力、人力较大，很容易造成质量、设备和人身伤害事故，酿成严重后果。

本发明所述基准集成加工方法适用于大型数控式龙门铣床上对大型工件的加工，该方法将一固定于所述大型数控龙门铣床的工作台上的具有若干定位要素的多方向定位块作为各加工工步中刀具校准零点位置的统一基准，并且将该多方向定位块上定位要素的中心点作为控制各加工工步的数控子程序的起始点及终止点。所述基准集成加工方法的操作流程和步骤可参阅图5。

图6所示的是采用本发明所述基准集成加工方法在大型数控式龙门铣床上对大型工件的上平面进行加工的一个实施例，其操作过程和方法如下：

(1)固定安装工件14和多方向定位块01A：

请参阅图4，首先将工件14放置于所述大型数控龙门铣床工作台12的台面上，应用划线工具，如磁力座、划针等，将工件14的中心线O-O沿工作台12的行走方向X进行校准，必要时将工件14的垂直轴线沿工作台12的垂直方向Y进行校准，然后将工件14固定在该工作台12上。将键7同时嵌入多方向定位块01A底座2底面上的键槽3和工作台12台面上的机床台面槽8之内，从而使多方向定位块01A与机床台面槽8相连接后在机床的X方向上定位，再在Y方向上沿机床台面槽8移动多方向定位块01A，并利用划线工具将多方向定位块01A的位置调整至使该多方向定位块01A上的定位要素与工作台12的台面形成一定的位置关系。此实施例中，多方向定位块01A顶部的上定位面10与工作台12的台面平行，其四面的侧定位面5与工作台12的台面垂直，同时多方向定位块01A上的定位要素的中心点C，即上定位面10上的定位圆孔11的中心，位于工件14的中心线O-O上。调整完毕后用螺栓9通过连接槽4将多方向定位块01A固定在工作台12的台面上。

(2)以多方向定位块01A上的定位要素的中心点C为基准设定坐标原点：

采用量具校准确定多方向定位块01A上定位要素的中心点C，即在机床主轴上装上杠杆百分表，通过对多方向定位块01A上定位面10的定位圆孔11进行校圆设零位，便得到该多方向定位块01A的定位要素的中心点C；然后以该中心点C为基准设定为加工空间坐标系(X，Y，Z)的坐标原点。

(3)以设定的坐标原点为起始点和终止点编制各加工工步的数控子程序并输入之：

以设定的空间坐标系(X，Y，Z)的坐标原点为起始点和终止点编制各加工工步的数控子程序，该控制每一步工步加工的数控子程序都包含控制刀具进刀、切削和退刀的内容，也就是说，每一控制刀具的子程序都由坐标原点出发，最后回到坐标原点结束，其过程不仅包括刀具进行切削的行程，也包括刀具不进行切削的进、退刀的空程；然后将编定的加工数控子程序输入所述大型数控龙门铣床的控制部件。

(4)安装刀具并以多方向定位块为基准校准刀具的零点位置：

在所述大型数控龙门铣床主轴上安装刀具13(参阅图6)，以多方向定位块01A上的定位要素为基准校准刀具的零点位置，在图6所示的实施例中，铣刀13以上定位面10作为校准刀具零点位置的基准。

(5)逐一执行各加工工步的数控子程序以完成工件14的加工，必要的换刀操作在前后工步之间的刀具的零点位置上进行：

启动所述大型数控龙门铣床的控制部件，依据工艺要求的顺序逐一调用和执行各加工工步的数控子程序，进行各工步的切削加工。在图6所示的实施例中，铣刀13在上定位面10上对刀之后，依据程序的控制快速向上，到达加工面后再水平向右沿X向切削工件14的上平面，完毕后再快速提升、向左，最后回至上定位面10起始点。前一工步的加工完成后再继续调用和执行后一工步的数控子程序，每一工步完成后铣刀13均回至作为零点基准的定位面10的位置，若后一工步需要采用与前一工步不同的刀具，则前后工步之间必要的换刀操作就在刀具的零点位置上进行，即在上定位面10的位置上进行。如此逐步操作，直至所有数控子程序执行完毕，最后完成工件14的全部加工。

图7所示的是采用本发明所述基准集成加工方法在大型数控式龙门铣床上对大型工件的侧平面进行加工的另一个实施例，其操作过程和方法原则上与图6所示实施例相同，其简述如下：

(1)固定安装工件14和多方向定位块01A：

请参阅图4，将工件14根据划线进行校准，并固定工件14在该工作台12上，再将所述多方向定位块01A调整并固定在工作台12台面上，使该多方向定位块01A上的定位要素与工作台12台面形成一定的位置关系，即上定位面10与工作台12的台面平行，其侧定位面5与工作台12的台面垂直，同时多方向定位块01A上的定位要素的中心点C，即上定位面10上的定位圆孔11的中心，位于工件14的中心线O-O上。

(2)以多方向定位块01A上的定位要素的中心点C为基准设定坐标原点：

采用量具校准确定多方向定位块01A上定位要素的中心点C，以该中心点C为基准设定为加工空间坐标系(X，Y，Z)的坐标原点。

(3)以设定的坐标原点为起始点和终止点编制各加工工步的数控子程序并输入之：

以设定的坐标原点为起始点和终止点编制各加工工步的数控子程序，并将之输入所述大型数控龙门铣床的控制部件，该数控子程序包含控制刀具进刀、切削和退刀的内容。

(4)安装刀具13并以多方向定位块01A为基准校准刀具13的零点位置：

在所述大型数控龙门铣床主轴上安装刀具13，以多方向定位块01A上的定位要素，即侧定位面5，为基准校准刀具13的零点位置，该侧定位面5的坐标已体现在该工步的数控子程序中。

(5)逐一执行各加工工步的数控子程序以完成工件14的加工，必要的换刀操作在前后工步之间的刀具13的零点位置上进行：

启动所述大型数控龙门铣床的控制部件，依据工艺要求逐一调用和执行各加工工步的数控子程序，在图7所示的实施例中，铣刀13在侧定位面5上对刀之后，依据程序的控制快速向左，到达加工面后再向前沿X向切削工件14的侧平面，完毕后再快速向左、向后，最后回至侧定位面5起始点。前一工步的加工完成后再继续调用和执行后一工步的数控子程序，每一工步完成后铣刀13均回至作为零点基准的侧定位面5的位置，前后工步之间必要的换刀操作在刀具13的零点位置上进行，最后完成工件14的全部加工。

显然采用本发明所述的基准集成加工方法后，能够将加工空间坐标系(X，Y，Z)中的各向基准集成至多方向定位块01A上，以该多方向定位块01A为基准所建立的加工空间坐标系进行编程，使程序易于理解、操作方便，减少人工操作，实现加工全过程程序控制，从而使操作者劳动强度及危险性下降、节约加工时间、提高加工效率、保证加工质量、避免事故。

上述实施例只是本发明应用的部分形式，本发明所要求的保护范围不仅限于此，还包括其他对本发明所述内容显而易见的变换和替代。

Claims (3)

1.一种基准集成加工方法，用于大型数控式龙门铣床上对大型工件的加工，其特征在于：所述方法将一固定于所述大型数控龙门铣床的工作台上的具有若干定位要素的多方向定位块作为各加工工步中刀具校准零点位置的统一基准，并且将该多方向定位块上定位要素的中心点作为控制各加工工步的数控子程序的起始点及终止点。

2.根据权利要求1所述的基准集成加工方法，其特征在于：所述方法的操作步骤如下：

(1)固定安装工件和多方向定位块；

(2)以多方向定位块上的定位要素的中心点为基准设定坐标原点；

(3)以设定的坐标原点为起始点和终止点编制各加工工步的数控子程序并输入之；

(4)安装刀具并以多方向定位块为基准校准刀具的零点位置；

(5)逐一执行各加工工步的数控子程序以完成工件的加工，必要的换刀操作在前后工步之间的刀具的零点位置上进行。

3.根据权利要求2所述的基准集成加工方法，其特征在于：所述方法各操作步骤的具体内容如下：

(1)将工件按划线校准并固定在所述大型数控龙门铣床的工作台上，再将所述多方向定位块调整至工件中心并固定在工作台台面上，使该多方向定位块上的定位要素与工作台台面形成一定的位置关系；

(2)采用量具校准确定多方向定位块上定位要素的中心点，以该中心点为基准设定为加工空间坐标系的坐标原点；

(3)以设定的坐标原点为起始点和终止点编制各加工工步的数控子程序，并将之输入所述大型数控龙门铣床的控制部件，该数控子程序包含控制刀具进刀、切削和退刀的内容；

(4)在所述大型数控龙门铣床主轴上安装刀具，以多方向定位块上的定位要素为基准校准刀具的零点位置；

(5)启动所述大型数控龙门铣床的控制部件，依据工艺要求逐一调用和执行各加工工步的数控子程序，前后工步之间必要的换刀操作在刀具的零点位置上进行，最后完成工件的全部加工。

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