CN105159231B - 一种数控系统双头加工轨迹优化的在线计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控系统双头加工轨迹优化的在线计算方法通过获取双头数控龙门机床的几何尺寸参数、动力头位置参数；并且获取所述待加工管板上的待加工孔的信息；然后根据所述待加工孔的信息和所述动力头位置参数计算出所述待加工管板的双头预加工轨迹，然后根据所述预加工轨迹控制所述双头数控龙门钻对所述待加工管板进行加工。能够替代原来根据中心点坐标信息重新计算两个头的各自移动轨迹的转换方法，快速的加工效率低的技术问题。

Description

一种数控系统双头加工轨迹优化的在线计算方法

技术领域

本申请涉及自动控制、数控机床领域，尤其涉及一种数控系统双头加工轨迹优化的在线计算方法。

背景技术

目前，在石化、汽轮机、制冷、锅炉、电力(核电、风电)等行业大量应用了金属管板、法兰零件加工。典型如管板的加工，管板是生产热交换器的重要工件。随着石油化工、电力等行业的飞速发展，其设备也变得越来越大型化，管板的直常用的管板直径为4M～5M，最大可以达到7M。

大型管板具有孔数多(孔少的约有几百个，孔多的有几千个)、孔间隔小等特点。为了保证热交换器穿管要求，管板孔加工精度要求非常高。具有代表性的热交换器管板类零件如图1所示。采用大幅面数控龙门钻是目前常用方法。

为了提高设备加工效率，对于数控龙门钻通常可以将只有单钻头的龙门钻改进为双钻头。双钻头配置在同一个移动横梁上，但每个钻头在横梁移动是独立控制的。但是，将单头钻的工作变为双头钻工作存在以下问题：

单头加工轨迹转换为双头加工轨迹转换过程复杂。数控钻的加工代码通常是以单头模型的机床坐标系为基础建立。也就是说，每个加工孔的位置、深度都是相对单头机床坐标系建立的。比如说最常见以管板中心孔为参考点生成加工代码，每个加工孔代码数值都是相对中心孔的尺寸。

单头加工时，通常将管板放置机床工作台上，通过对刀器找到管板中心位置，将刀具移动到中心点位置(或者设置G54偏置坐标)然后开始加工。

单头加工代码转换为双轴加工代码时，由于管板放置在机床时中心点相对机床坐标系原点是随机的，因此需要根据中心点坐标信息以及机床几何参数重新计算两个头的各自移动轨迹，重新生成加工代码。这种方式在转换过程中有很多问题需要综合考虑，例如两个动力头在机械设计制造时由于两轴之间间距、单轴行走距离、两轴最小间隙参数不一样，对加工轨迹转换算法带来较多问题，导致双钻头加工时加工效率较低。

发明内容

本发明了提供了一种数控系统双头加工轨迹优化的在线计算方法，直接利用对刀后当前主钻头中心信息和机床参数信息重新规划计算两个头的各自移动轨迹的，解决由现有的转换方法步骤繁琐，使用不方便，无法在线转换的技术问题。具有适用范围广，效率高，操作简便的特点。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种数控系统双头加工轨迹优化的在线计算方法所述方法应用于数控系统，所述方法包括：获取双头数控龙门机床的几何尺寸参数、动力头位置参数；获取所述待加工管板上的待加工孔的信息；根据所述待加工孔的信息和所述动力头位置参数计算出所述待加工管板的双头预加工轨迹；根据所述预加工轨迹控制所述双头数控龙门钻对所述待加工管板进行加工。

优选的，所述双头数控龙门机床的第一钻头和第二钻头安装在同一个横梁上；所述获取双头数控龙门机床的几何尺寸参数、动力头位置参数，具体为：对所述双头数控龙门机床设立三维坐标系，以获取双头数控龙门机床的几何尺寸参数，其中，在所述三维坐标系中，所述横梁的移动方向是Y向，钻头上下运动是Z向，所述第一钻头和所述第二钻头在所述横梁上的移动方向为X向；所述第一钻头在X方向的原点在机床左侧O2点，所述第二钻头在X方向上原点位于机床右侧O1点；两个钻头之间的远点间距为Lx，两个钻头之间最短间距为D，所述第一钻头的移动范围是Lx2-Lx，所述第二钻头的移动范围是0-Lx1。

优选的，所述获取所述待加工管板上的待加工孔的信息，具体为：建立二维坐标系表示所述待加工孔；其中，x代表所述待加工孔的行坐标，y代表所述待加工孔的列坐标。

优选的，所述根据所述待加工孔的信息和所述动力头位置参数计算出所述待加工管板的双头预加工轨迹，具体包括：步骤1：获得并判断所述待加工管板上第i行的待加工孔的数目N是否大于1；步骤2：若是，根据所述第i行的坐标序列获得所述第i行的中心点坐标(x_mid，y_mid)，并获得分布在x_mid左侧的点列ptArrayL：P₁,P₂……P_s，和分布在x_mid右侧的点列ptArrayR：Q₁,Q₂……Q_s；其中，P代表x_mid左侧的孔，s代表x_mid左侧的孔个数，Q代表y_mid右侧的孔，t代表x_mid右侧的孔个数；步骤3：根据约束条件动态调整ptArrayL和ptArrayR；步骤4：获取P_n,Q_n，其中(1≤n≤Min(s,t))；步骤5：按照预设条件计算P_n,Q_n对应的钻头；步骤6：按照所述预设条件确定第一钻头、第二钻头的下一个插补点；步骤7：将所述插补点依次写入数据队列，n自增；步骤8：判断自增后的n是否满足条件：n≤Min(s,t)；步骤9：若是，自增后的n返回到所述步骤3执行；步骤10：若否，获得N＝|s-t|，然后返回到所述步骤1执行。

优选的，所述根据约束条件动态调整ptArrayL和ptArrayR，具体包括：确定P₁和Q₁两孔能否满足两钻头同时加工条件；若不满足，依次比较Q2，Q3……Qt和P1的位置关系，直到Qx(2≤x≤t)和P1能满足同时加工的条件，将Q1,Q2……Qx-1加入ptArrayL尾部，同时将Q1,Q2……Qx-1从ptArrayR中删除；若P1和Qt不能满足条件，则两个坐标序列合并为一个；若P1和Q满足同时加工条件，则ptArrayL和ptArrayR中元素不变。

优选的，在所述判断所述代加工管板上第i行的待加工孔的数目N是否大于1之后，所述方法还包括：若否，执行下面的步骤：判断所述待加工孔的x坐标是否满足x1＜Lx1；若是，则所述待加工孔由所述第一钻头完成钻削加工；判断所述待加工孔的x坐标是否满足x1≥Lx1；若是，所述待加工孔由所述第二钻头完成钻削加工；判断所述待加工孔的x坐标是否满Lx2＜x1≤Lx1；若是，则获得所述第一钻头和所述待加工孔的第一距离，以及所述第二钻头和所述待加工孔的第二距离，并对比所述第一距离和所述第二距离；若所述第一距离小于所述第二距离，则使用所述第一钻头完成钻削加工；若所述第一距离大于所述第二距离，则使用所述第二钻头完成钻削加工。

通过本发明的一个或者多个技术方案，本发明具有以下有益效果或者优点：

本发明提供了一种数控系统双头加工轨迹优化的在线计算方法通过获取双头数控龙门机床的几何尺寸参数、动力头位置参数；并且获取所述待加工管板上的待加工孔的信息；然后根据所述待加工孔的信息和所述动力头位置参数计算出所述待加工管板的双头预加工轨迹，然后根据所述预加工轨迹控制所述双头数控龙门钻对所述待加工管板进行加工。能够替代原来根据中心点坐标信息重新计算两个头的各自移动轨迹的转换方法，快速的加工效率低的技术问题。

进一步的，本发明中的利用双头数控龙门钻加工管板的方法，在待加工孔的数目为1时，可以使用单钻头加工。当待加工孔的数目≥2时可以切换为双钻头加工，能够满足不同的加工需要，加工方式灵活多变。

附图说明

图1为现有技术中管板的示意图；

图2为本发明实施例利用双头数控龙门钻加工管板的方法流程图；

图3A-图3B为本发明实施例双头数控龙门机床的三维坐标系示意图；

图4为本发明实施例二维坐标系表示待加工孔的示意图；

图5为本发明实施例计算待加工管板的预加工轨迹的实施过程图；

图6A-图6B为本发明实施例单头加工轨迹图；

图7A-图7B为本发明实施例双头加工轨迹图。

具体实施方式

为了使本申请所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本申请，下面结合附图，通过具体实施例对本申请技术方案作详细描述。

在本发明实施例中，提供了一种数控系统双头加工轨迹优化的在线计算方法该方法应用于数控系统。数控系统主要用于数控机床、数控钻床、管板加工。

下面请参看图2，该方法包括：

S1，获取双头数控龙门机床的几何尺寸参数、动力头位置参数、工件中心孔坐标信息。

所述双头数控龙门机床的第一钻头和第二钻头安装在同一个横梁上；具体来说，对所述双头数控龙门机床设立三维坐标系，以获取双头数控龙门机床的几何尺寸参数、动力头位置参数、工件中心孔坐标信息。

下面请参看图3A-图3B，在所述三维坐标系中，所述横梁的移动方向是Y向，钻头上下运动是Z向，所述第一钻头和所述第二钻头在所述横梁上的移动方向为X向；所述第一钻头在X方向的原点在机床左侧O2点，所述第二钻头在X方向上原点位于机床右侧O1点；

两个钻头之间的远点间距为Lx，两个钻头之间最短间距为D，所述第一钻头的移动范围是Lx2-Lx，所述第二钻头的移动范围是0-Lx1。

S2，获取所述待加工管板上的待加工孔的信息。

具体请参看图4，建立二维坐标系表示所述待加工孔；其中，x代表所述待加工孔的行坐标，y代表所述待加工孔的列坐标。

基于图3A-图3B以及图4可以看出，1号钻头(第一钻头)、2号钻头(第二钻头)要能同时加工一个管板上的2个孔，该两孔的连线必须平行于X轴，也就是说工件(管板)X方向同一排孔。考虑到误差，加工孔中心坐标y偏差在±0.005mm以内的以加工孔也可以作为同一排孔。假设上图4中的最上面的一排待加工孔1、2、3…N的坐标依次为(x1,y1),(x2,y2)……(xN,yN),其中|yr-ys|≤0.01mm(r,s∈[1,N]并且r≠s),所有的坐标取值均是相对于机床坐标原点O。采用双头钻加工时将全部待钻孔按照Y坐标数值进行分类排序，所有Y值相同(或者Y坐标值差值小于0.01mm)为一排带待加工数据，每排钻孔数据存入一个序列，不同Y坐标值的排孔按照Y值大小逐次排列。比如1号、2钻头同时加工一个管板一排时的基本单位的行坐标序列为(x1,y1),(x2,y2)……(xN,yN)。

S3，根据所述待加工孔的信息和所述动力头位置参数计算出所述待加工管板的双头预加工轨迹。

具体来说，请参看图5，根据所述待加工孔的信息和所述动力头位置参数计算出所述待加工管板的双头预加工轨迹具体包括：

步骤1：获得并判断所述待加工管板上第i行的待加工孔的数目N是否大于1。

根据基本加工单位中的待加工孔的数量可以分为孔数为1个，以及孔数≥2个的两种情况。

因此，若该加工基本行单位里只有一个待加工孔，则使用其中的一个钻头进行加工，具体执行下面的步骤：

判断所述待加工孔的x坐标是否满足x1＜Lx1；若是，则所述待加工孔由所述第一钻头完成钻削加工。

判断所述待加工孔的x坐标是否满足x1≥Lx1；若是，所述待加工孔由所述第二钻头完成钻削加工。

判断所述待加工孔的x坐标是否满Lx2＜x1≤Lx1。若是，则获得所述第一钻头和所述待加工孔的第一距离，以及所述第二钻头和所述待加工孔的第二距离，并对比所述第一距离和所述第二距离；若所述第一距离小于所述第二距离，则使用所述第一钻头完成钻削加工；若所述第一距离大于所述第二距离，则使用所述第二钻头完成钻削加工。

如果待加工孔的数目大于等于2个时，执行下面的步骤：

步骤2：若是，根据所述第i行的坐标序列获得所述第i行的中心点坐标(x_mid，y_mid)，并获得分布在x_mid左侧的点列ptArrayL：P₁,P₂……P_s，和分布在x_mid右侧的点列ptArrayR：Q₁,Q₂……Q_s；其中，P代表x_mid左侧的孔，s代表x_mid左侧的孔个数，Q代表y_mid右侧的孔，t代表x_mid右侧的孔个数。

该加工基本行单位里待加工孔的数量大于或者等于2，基本行单位坐标序列(x1,y1),(x2,y2)……(xN,yN)可以连接成一直线段，该直线段的几何中点很容易获取，假设其中心线为x＝xmid，若基本行单位坐标序列中的位于中线左侧(包含中线)的坐标点序列ptArrayL从左到右依次命名为P1(xl1,yl1),P2(xl2,yl2)……Ps(xls,yls)。同理，位于中线右侧的坐标序列ptArrayR假定为Q1(xr1,yr1),Q2(xr2,yr2)……Qs(xrt,yrt)，其中s+t＝N。根据1号钻头、2号钻头的运动范围可知孔坐标x可能属于((0,Lx2],(Lx2,Lx1),[Lx1,Lx))三个区域之一。

步骤3：根据约束条件动态调整ptArrayL和ptArrayR。

具体来说，在调整的过程中，会先判断P₁和Q₁两孔能否满足两钻头同时加工条件；其中，两钻头同时加工条件具体是：P1和Q1的间距是否大于两个动力头最小间距D。若是则表示满足条件，若否则表示不满足条件。

若不满足，依次比较Q2，Q3……Qt和P1的位置关系，直到Qx(2≤x≤t)和P1能满足同时加工的条件，将Q1,Q2……Qx-1加入ptArrayL尾部，同时将Q1,Q2……Qx-1从ptArrayR中删除；若P1和Qt不能满足条件，则两个坐标序列合并为一个；

若P1和Q满足同时加工条件，则ptArrayL和ptArrayR中元素不变。

步骤4：获取P_n,Q_n，其中(1≤n≤Min(s,t))。

步骤5：按照预设条件计算P_n,Q_n对应的钻头。

从ptArrayL和ptArrayR中取出同序号的两个孔Pn和Qn，其中(1≤n≤Min(s+(x-1),t-(x-1)),x≥1)。理论上xrn和xln均有可能位于(0,Lx2],(Lx2,Lx1),[Lx1,Lx)三个区域之中，由于孔Pn始终位于孔Qn左侧，因Pn和Qn的横坐标xln和xrn始终满足xln<xrn,所以Pn和Qn位置组合只有6种情况，根据每种组合情况下Pn和Qn孔间距和安全距离D的关系，列出下表1详细加工模式(预设条件)。

表1 基本行加工单位加工模型明细表

在进行完第一轮加工后，当前行剩余的未加工孔数num＝|s-t|,对剩下的num个孔进行循环操作，此后的计算方法重复，直到把当前行的最后一个孔加工完毕。下一基本行加工单位采用与当前基本行加工单位加工方向相反方向，如此循环操作，便可以得到较高的加工效率。

步骤6：按照所述预设条件确定第一钻头、第二钻头的下一个插补点。

步骤7：将所述插补点依次写入数据队列，n自增。

步骤8：判断自增后的n是否满足条件：n≤Min(s,t)。

步骤9：若是，自增后的n返回到所述步骤3执行。

步骤10：若否，获得N＝|s-t|，然后返回到所述步骤1执行。

S4，根据所述预加工轨迹控制所述双头数控龙门钻对所述待加工管板进行加工。

以上是本发明实施例方法的实施原理，具体来说，在数控系统会对其进行编程处理，具体请参看以下内容：

1)建立静态链接到MFC的规则DLL工程DouLxleDriller，约定好要传递给DLL的相关参数(包括数量单位及其精度等)。

2)建立数据缓冲区InitialGCode，用于存储单头加工G代码解释器后得到的中间过渡代码文件信息，这个步骤提取G代码中加工孔坐标信息，将同一行的孔(Y坐标相同)按照X坐标的大小依次存储，为了考虑程序特殊性如有时CAD绘图时同一排的孔Y坐标可能会有很小偏差，处理时将Y方向误差小于0.001mm的孔视为同一排孔。全部孔以基本行单位为处理单元，进行基本行单位的加工轨迹的动态规划。

3)建立加工轨迹动态规划后输出的中间代码的数据结构模型，通过循环递归的方法将中间文件中的所有待加工孔的预加工轨迹动态规划好，将生成的预加工的代码输出到PreDrillCode.iso文件。

由上一节可知一个管板上的所有待加工孔的信息都已经存储在向量InitialHoleInfo中，那么具体处理待加工孔的方法是：

首先找出一个基本行单位(即是坐标相同的孔)，对InitialHoleInfo中的所有孔按照Y坐标进行排序，Y坐标相同的孔坐标存信息储在以_InfoOfHole为数据类型的向量InfoOfOneLine中，获取InfoOfOneLine的函数代码如下：

通过上述函数得到InfoOfOneLine向量后，调用向量库中的size()函数可以得到孔的数量，然后选择具体的加工模式，定义一个数据结构_InfoOfDrillerPos来存储每次插补的位置(包括1号、2号钻头同时加工或者其中一个进行加工的情况)，根据表1中的模式将1号、2号钻头预加工的坐标位置信息写入_InfoOfDrillerPos，最后依照规定格式的PreDrillCode.iso文件中。

数控系统默认情况下为单头加工。工件放置在工作台上后，工人通过对刀器寻找管板中心。若需双头加工时则按照上述实施方式计算出加工轨迹，图6A-图6B为单头加工轨迹图，图7A-图7B为双头加工轨迹图。

实际加工表明：大幅面加工时双头钻加工工效提高45％左右，加工时间几乎减少一半。

通过本发明的一个或者多个实施例，本发明具有以下有益效果或者优点：

本发明提供了一种数控系统双头加工轨迹优化的在线计算方法通过获取双头数控龙门机床的几何尺寸参数、动力头位置参数；并且获取所述待加工管板上的待加工孔的信息；然后根据所述待加工孔的信息和所述动力头位置参数计算出所述待加工管板的双头预加工轨迹，然后根据所述预加工轨迹控制所述双头数控龙门钻对所述待加工管板进行加工。能够替代原来根据中心点坐标信息重新计算两个头的各自移动轨迹的转换方法，解决由现有的转换方法导致的加工效率低的技术问题。

进一步的，本发明中的利用双头数控龙门钻加工管板的方法，在待加工孔的数目为1时，可以使用单钻头加工。当待加工孔的数目≥2时可以切换为双钻头加工，能够满足不同的加工需要，加工方式灵活多变。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种数控系统双头加工轨迹优化的在线计算方法，应用于所述数控系统，其特征在于，所述方法包括：

获取双头数控龙门机床的几何尺寸参数、动力头位置参数、工件中心孔坐标信息；

获取待加工管板上的待加工孔的信息；

根据所述待加工孔的信息和所述动力头位置参数计算出所述待加工管板的双头预加工轨迹；

根据所述预加工轨迹控制所述双头数控龙门钻对所述待加工管板进行双头加工数控系统在线转换。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述双头数控龙门机床的第一钻头和第二钻头安装在同一个横梁上；所述获取双头数控龙门机床的几何尺寸参数、动力头位置参数、工件中心孔坐标信息，具体为：

对所述双头数控龙门机床设立三维坐标系，以获取双头数控龙门机床的几何尺寸参数，其中，在所述三维坐标系中，所述横梁的移动方向是Y向，钻头上下运动是Z向，所述第一钻头和所述第二钻头在所述横梁上的移动方向为X向；所述第一钻头在X方向的原点在机床左侧O2点，所述第二钻头在X方向上原点位于机床右侧O1点；

两个钻头之间的远点间距为Lx，两个钻头之间最短间距为D，所述第一钻头的移动范围是Lx2-Lx，所述第二钻头的移动范围是0-Lx1。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取所述待加工管板上的待加工孔的信息，具体为：

建立二维坐标系表示所述待加工孔；其中，x代表所述待加工孔的行坐标，y代表所述待加工孔的列坐标。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述待加工孔的信息 和所述动力头位置参数计算出所述待加工管板的双头预加工轨迹，具体包括：

步骤1：获得并判断所述待加工管板上第i行的待加工孔的数目N是否大于1；

步骤2：若是，根据所述第i行的坐标序列获得所述第i行的中心点坐标(x_mid，y_mid)，并获得分布在x_mid左侧的点列ptArrayL：P₁,P₂……P_s，和分布在x_mid右侧的点列ptArrayR：Q₁,Q₂……Q_s；其中，P代表x_mid左侧的孔，s代表x_mid左侧的孔个数，Q代表y_mid右侧的孔，t代表x_mid右侧的孔个数；

步骤3：根据约束条件动态调整ptArrayL和ptArrayR；

步骤4：获取P_n,Q_n，其中(1≤n≤Min(s,t))；

步骤5：按照预设条件计算P_n,Q_n对应的钻头；

步骤6：按照所述预设条件确定第一钻头、第二钻头的下一个插补点；

步骤7：将所述插补点依次写入数据队列，n自增；

步骤8：判断自增后的n是否满足条件：n≤Min(s,t)；

步骤9：若是，自增后的n返回到所述步骤3执行；

步骤10：若否，获得N＝|s-t|，然后返回到所述步骤1执行。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据约束条件动态调整ptArrayL和ptArrayR，具体包括：

确定P₁和Q₁两孔能否满足两钻头同时加工条件；

若不满足，依次比较Q2，Q3……Qt和P1的位置关系，直到Qx(2≤x≤t)和P1能满足同时加工的条件，将Q1,Q2……Qx-1加入ptArrayL尾部，同时将Q1,Q2……Qx-1从ptArrayR中删除；若P1和Qt不能满足条件，则两个坐标序列合并为一个；

若P1和Q满足同时加工条件，则ptArrayL和ptArrayR中元素不变。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述判断所述待加工管板上第i行的待加工孔的数目N是否大于1之后，所述方法还包括：

若否，执行下面的步骤：

判断所述待加工孔的x坐标是否满足x1＜Lx1；若是，则所述待加工孔由所述第一钻头完成钻削加工；

判断所述待加工孔的x坐标是否满足x1≥Lx1；若是，所述待加工孔由所述第二钻头完成钻削加工；

判断所述待加工孔的x坐标是否满Lx2＜x1≤Lx1；若是，则获得所述第一钻头和所述待加工孔的第一距离，以及所述第二钻头和所述待加工孔的第二距离，并对比所述第一距离和所述第二距离；若所述第一距离小于所述第二距离，则使用所述第一钻头完成钻削加工；若所述第一距离大于所述第二距离，则使用所述第二钻头完成钻削加工。