CN102091814B

CN102091814B - 将激光跟踪技术与cad/cam技术结合实现曲面精确加工的方法

Info

Publication number: CN102091814B
Application number: CN201010593669.8A
Authority: CN
Inventors: 史苏存; 段玲; 刘慧琳; 宋玉刚
Original assignee: China Erzhong Group Deyang Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: Erzhong Deyang Heavy Equipment Co Ltd
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2015-08-05
Anticipated expiration: 2030-12-17
Also published as: CN102091814A

Abstract

本发明公开了一种将激光跟踪技术与CAD/CAM技术结合实现曲面精确加工的方法，以克服加工时难以用常规方式对工件进行准确定位的问题。其步骤主要包括a、在工件的实际粗加工面上布设多个参考点，然后使用激光跟踪仪测量出每个参考点的三维坐标，并将测量数据输入计算机，再在计算机上建立这些参考点的三维数字模型；b、在计算机上将这些参考点的三维数字模型与工件的理论模型进行拟合，从而确定这些参考点的三维数字模型与工件的理论模型之间的相对位置关系；c、在上述这些参考点的三维数字模型中选取部分参考点作为基准点，并分别计算出这些基准点的三维数字模型与切削装置理论模型的坐标原点之间的理论距离；d、通过激光跟踪仪对切削装置与工件进行定位。

Description

将激光跟踪技术与CAD/CAM技术结合实现曲面精确加工的方法

技术领域

本发明涉及曲面加工方法领域，尤其涉及一种将激光跟踪技术与CAD/CAM技术结合实现曲面精确加工的方法。

背景技术

某零件是一个直径达几米的空心球体，在该球体的整个表面上分布有多个通孔。由于对这些孔的加工精度有严格要求，合理的制造工艺是先将多块形状、大小完全相同的球瓣(如图1～2所示)焊接成空心球体，然后再以相同的基准在该空心球体的表面开孔。因此，为确保空心球体的加工精度，必须首先保证球瓣的加工精度。而理想的球瓣加工方法是先将板材模锻后形成坯料，然后通过多轴数控铣床分别在坯料上精加工出内外两个球面，最后再加工出球瓣的四个端面以及位于这四个端面上用于球瓣之间焊接的坡口。该方法所面临的困境之一是：使用多轴数控铣床精加工内外两个球面时，由于坯料上的每一个面都是不规则的空间曲面，常规的加工定位方式难以用这些不规则的空间曲面来准确设定坯料与多轴数控铣床的坐标原点的相对位置，从而导致加工精度难以保证。

发明内容

本发明旨在提供一种将激光跟踪技术与CAD/CAM技术结合实现曲面精确加工的方法，以克服加工时难以用常规方式对工件进行准确定位的问题。

该方法具体包括以下步骤：

a、在工件的实际粗加工面上布设多个参考点，然后使用激光跟踪仪测量出每个参考点的三维坐标，并将测量数据输入计算机，再在计算机上建立这些参考点的三维数字模型；

b、在计算机上将这些参考点的三维数字模型与工件的理论模型进行拟合，从而确定这些参考点的三维数字模型与工件的理论模型之间的相对位置关系；

c、在上述这些参考点的三维数字模型中选取部分参考点作为基准点，并分别计算出这些基准点的三维数字模型与切削装置理论模型的坐标原点之间的理论距离；

d、通过激光跟踪仪对切削装置与工件进行定位，使各个选取出的基准点与切削装置的坐标原点之间实际距离分别符合上述的理论距离；

e、启动切削装置，使其按设定的路径对实际粗加工面进行精加工。

本发明通过将激光跟踪技术与CAD/CAM技术相结合，能够使待加工的工件与切削装置之间进行准确的定位，从而保证加工精度。该方法尤其适用于对一些特殊工件进行加工时难以用常规方式对该工件进行准确定位的场合，比如背景技术中所说的球瓣的内外球面的加工。

附图说明

图1为背景技术中所说的球瓣的主视图。

图2为该球瓣左侧端面的正投影图。

图3为工件与切削装置的位置关系图。

图4为在工件的实际粗加工面上布设多个参考点的示意图。

图5为将建立的各参考点的三维数字模型与工件的理论模型进行拟合时的示意图。

图6为拟合后各参考点的余量分布图。

图7为本发明的场地布置图。

图8为本发明的流程图。

图中标记为：工件1、支架2、切削装置3、理论精加工面4、实际粗加工面5、理论粗加工面6、激光跟踪仪7、计算机8、切削装置的坐标原点PTO、参考点(PTA1…PTE2…)、参考点的三维数字模型(PTA1’…PTE2’…)、工件的理论模型1’、精加工面的理论模型4’、粗加工面的理论模型6’、切削装置的理论模型3’、切削装置理论模型的坐标原点PTO’、理论距离L’、实际距离L。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

在下面的具体实施方式中，工件1是加工1图1～2所示球瓣的坯料。正如背景技术中所述，该坯料是由板材模锻后形成。该工件1上每一个面都是不规则的空间曲面，其中包括工件1的内外球面以及四个端面。由于本具体实施方式仅以内球面的精加工为例，因此以下所说的实际粗加工面5均指工件1的内球面。

如图3所示，加工前应先将工件1安装在一支架2上。在图3中，工件1的实际粗加工面5与理论粗加工面6(即理论上工件经过粗加工后所形成的曲面)之间并不完全重合，这反映出粗加工时存在误差。该误差不可能完全消除。从图3中还可以看到，由于实际粗加工面5与理论粗加工面6之间存在误差，因此实际粗加工面5上各点到理论精加工面4(即工件经过精加工后所形成的曲面，也是通过本发明的方法最后加工出的曲面)的距离也不完全相同，这说明实际粗加工面5上各点的加工余量不同。

可见，要通过切削装置3对工件1的实际粗加工面5进行精加工，面临到的问题有：工件1上每一个面都是不规则的空间曲面，难以作为准确设定工件1与切削装置3的坐标原点PTO的相对位置的基准面；实际粗加工面5与理论粗加工面6之间的误差无法测定，故实际粗加工面5上加工余量分布不清楚，增加了加工的不确定性。鉴于上述问题，本发明具体采用了以下方法来实现对实际粗加工面5的精确加工。该方法具体包括以下几个步骤：

步骤一

如图4所示，在工件1的实际粗加工面5上布设多个参考点，将这些参考点按每列从左向右依次用A、B、C…来表示，每排从上往下依次用1、2、3…来表示，因此每个参考点标记为PTA1、PTA2…PTB1、PTB2…PTE2…；然后使用激光跟踪仪7分别测量出每个参考点的三维坐标，并将测量数据输入计算机8，再在计算机8上建立这些参考点的三维数字模型，将这些参考点的三维数字模型分别表示为PTA1’、PTA2’…PTB1’、PTB2’…PTE2’…。显然，通过这些参考点的三维数字模型PTA1’、PTA2’…PTB1’、PTB2’…PTE2’…(即各个离散的点)可以反映工件1的实际粗加工面5状况。

必须指出的是，使用激光跟踪仪7采集点的坐标，并将该坐标反映到计算机8上(即在计算机上建立该坐标点的三维数字模型)的过程是现有激光跟踪设备的固有功能，因此本申请不再赘述实现该功能的三维建模软件等具体内容。即便如此，对于本领域技术人员而言，上述记载足以确保其实现该步骤。

步骤二

如图5(该图可以看作是在三维建模软件的可视化界面上呈现给操作人员的画面)所示，在计算机8上将这些参考点的三维数字模型PTA1’、PTA2’…PTB1’、PTB2’…PTE2’…与工件的理论模型1’进行拟合，从而确定这些参考点的三维数字模型PTA1’、PTA2’…PTB1’、PTB2’…PTE2’…与工件的理论模型1’之间的相对位置关系。此处应当说明的是，工件的理论模型1’、切削装置理论模型3’以及切削装置理论模型3’的坐标原点PTO’都在设计阶段就能够确定。

必须指出的是，将这些参考点的三维数字模型PTA1’、PTA2’…PTB1’、PTB2’…PTE2’…与工件的理论模型1’进行拟合的过程，实际上就是使这些参考点的三维数字模型PTA1’、PTA2’…PTB1’、PTB2’…PTE2’…都能够尽可能的与该工件的理论模型1’中的粗加工面的理论模型6’重合的过程。上面已经提到，工件1的实际粗加工面5与理论粗加工面6之间必然存在误差，因此，用于反映工件1的实际粗加工面5状况的这些参考点的三维数字模型PTA1’、PTA2’…PTB1’、PTB2’…PTE2’…也不可能与粗加工面的理论模型6’完全重合。这时，应该考虑的是尽量使这些参考点的三维数字模型PTA1’、PTA2’…PTB1’、PTB2’…PTE2’…均能够靠近粗加工面的理论模型6’，并且保证这些参考点的三维数字模型PTA1’、PTA2’…PTB1’、PTB2’…PTE2’…与工件的理论模型1’中精加工面的理论模型4’之间足够的距离(该距离反映出加工余量)。

如图6所示，将这些参考点的三维数字模型PTA1’、PTA2’…PTB1’、PTB2’…PTE2’…与工件的理论模型1’进行拟合，从而确定这些参考点的三维数字模型PTA1’…PTE2’…与工件的理论模型1’之间的相对位置关系后，在三维建模软件的可视化界面上可呈现出这些参考点的余量分布情况：其中余量在0mm～5mm之间共有4点，占全部420个参考点的0.95％；余量在5mm～10mm之间共有113点，占全部420个参考点的26.9％；余量在10mm～20mm之间共有303点，占全部420个参考点的72.14％。通过上述余量分布状况，证明已确定的参考点的三维数字模型PTA1’…PTE2’…与工件的理论模型1’之间的相对位置关系是比较合理的。

步骤三

如图5所示，在上述这些参考点的三维数字模型PTA1’、PTA2’…PTB1’、PTB2’…PTE2’…中选取部分参考点作为基准点，即图5中虚线方框圈定的基准点的三维数字模型PTA8’、PTA9’、PTB8’、PTB9’、PTC8’以及PTC9’，然后分别计算出这些基准点的三维数字模型PTA8’、PTA9’、PTB8’、PTB9’、PTC8’以及PTC9’与切削装置理论模型3’的坐标原点PTO’之间的理论距离L1’、L2’、L3’、L4’、L5’和L6’。由于各参考点的三维数字模型PTA1’、PTA2’…PTB1’、PTB2’…PTE2’…与工件的理论模型1’之间的相对位置关系在上述步骤二中已经确定，并且，工件的理论模型1’、切削装置理论模型3’以及切削装置理论模型3’的坐标原点PTO’都可以在设计阶段确定，因此通过简单的坐标转换就能够计算出这些基准点的三维数字模型PTA8’、PTA9’、PTB8’、PTB9’、PTC8’以及PTC9’与切削装置理论模型3’的坐标原点PTO’之间的理论距离L1’、L2’、L3’、L4’、L5’和L6’。

具体的讲，由于粗加工面的理论模型6’是一个内球面，因此，最好将粗加工面的理论模型6’的球心作为削装置理论模型3’的坐标原点PTO’，切削装置理论模型3’的切削路径也可以以该球心为基准点进行设定。当上述的步骤二确定出各参考点的三维数字模型PTA1’、PTA2’…PTB1’、PTB2’…PTE2’…与工件的理论模型1’之间的相对位置关系，也就确定了各参考点的三维数字模型PTA1’、PTA2’…PTB1’、PTB2’…PTE2’…与粗加工面的理论模型6’之间的相对位置关系，通过坐标变换可求得各基准点的三维数字模型PTA8’、PTA9’、PTB8’、PTB9’、PTC8’与粗加工面的理论模型6’的球心(即削装置理论模型3’的坐标原点PTO’)之间的理论距离L1’、L2’、L3’、L4’、L5’和L6’。

步骤四

如图7所示，通过激光跟踪仪7对切削装置3与工件1进行定位，使各个选取出的基准点PTA8、PTA9、PTB8、PTB9、PTC8以及PTC9与切削装置3的坐标原点PTO之间实际距离L分别符合上述的理论距离L1’、L2’、L3’、L4’、L5’和L6’。其中，当切削装置3为多轴数控铣床时，可采用以下方法确定该多轴数控铣床的坐标原点PTO：将与激光跟踪仪7配套使用的反射器安装在该多轴数控铣床的机头上，然后通过激光跟踪仪7分别追踪机头在各轴上的直线运动，这些直线运动轨迹的交点即为该多轴数控铣床的坐标原点PTO。

最后，启动切削装置3，使其按设定的路径对实际粗加工面5进行精加工。

Claims

1.将激光跟踪技术与CAD/CAM技术结合实现曲面精确加工的方法，包括以下步骤：

a、在工件（1）的实际粗加工面（5）上布设多个参考点，然后使用激光跟踪仪（7）测量出每个参考点的三维坐标，并将测量数据输入计算机（8），再在计算机（8）上建立这些参考点的三维数字模型；

b、在计算机（8）上将这些参考点的三维数字模型与工件的理论模型（1’）进行拟合，从而确定这些参考点的三维数字模型与工件的理论模型（1’）之间的相对位置关系；

c、在上述这些参考点的三维数字模型中选取部分参考点作为基准点，并分别计算出这些基准点的三维数字模型与切削装置理论模型（3’）的坐标原点（PTO’）之间的理论距离（L’）；

d、通过激光跟踪仪（7）对切削装置（3）与工件（1）进行定位，使各个选取出的基准点与切削装置（3）的坐标原点（PTO）之间实际距离（L）分别符合上述的理论距离（L’）；

e、启动切削装置（3），使其按设定的路径对实际粗加工面（5）进行精加工。

2.如权利要求1所述的将激光跟踪技术与CAD/CAM技术结合实现曲面精确加工的方法，其特征在于：所述切削装置（3）为多轴数控铣床，并且在步骤d中，采用以下方法确定该多轴数控铣床的坐标原点（PTO）：将与激光跟踪仪（7）配套使用的反射器安装在该多轴数控铣床的机头上，然后通过激光跟踪仪（7）分别追踪机头在各轴上的直线运动，这些直线运动轨迹的交点即为该多轴数控铣床的坐标原点（PTO）。

3.如权利要求1或2所述的将激光跟踪技术与CAD/CAM技术结合实现曲面精确加工的方法，其特征在于：将该方法用于球面的加工。