CN111361337B - 一种立体圆形首饰的随形测量加工控制方法 - Google Patents

一种立体圆形首饰的随形测量加工控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种立体圆形首饰的随形测量加工控制方法，包括步骤1.按照标准首饰坯件外形尺寸，预先编写数控机床自动加工的坐标程序；2.以立体圆形首饰的中心点为原点，探头围绕首饰坯件自动逐点随形探测，在曲面上创建多个用于生成路径进行曲面补偿的打点坐标；3.将探测的外形面空间坐标与标准首饰坯件外形空间坐标进行比对和计算，得到加工校准数据自动补偿到所述预先自动加工的坐标参数中，得到数控机床的实际加工参数；4.启动数控机床刀头加工，得到标准首饰坯件。可动态随形测量每件首饰，自动精密校正补偿偏差，大大提高了数控机床的加工精度，提高了经济效益。

Description

一种立体圆形首饰的随形测量加工控制方法
技术领域
本方案属于机械加工领域，具体首饰加工应用领域。
背景技术
很多首饰如黄金、白银、K金、铂金、钯金及其它金属手饰等各种首饰加工通常都靠人工或机械加工配合简单的电动打磨工具，比如专利名称为《空心手镯制造一体化设备》，CN201711431380.4，是在传统的空心手镯制造工艺中，将金银片料加工成圆管和将圆管加工成环体两个工序借助机械加工，但这样操作加工精度难以达到0.05-0.5毫米手镯雕刻花纹的要求，不能保证上千个手镯大小厚度，精细花纹一致。
目前五轴数控机床，只用来加工不锈钢、铸铁等硬质金属材料，没有发现运用于首饰加工领域大批量工业化统一自动生产。这是因为不同首饰的形状大小、质地、内外侧花纹都有不同，由于每个首饰粗胚体存在细微的厚度不同和尺寸差别，比如不同部位存在0.1-1毫米差别，加上装配到机床夹具上固定时，存在首饰装夹偏差值，另外五轴运动的数控机床本身存在机械偏差值，包括线性误差、水平方向直线度、垂直方向直线度、水平面内偏摆角、垂直面内俯仰角以及绕测量轴旋转的滚摆角偏差，多方面的偏差值累计起来常导致机械加工首饰时按固定程序加工，刀具运行工作不稳定，容易出现0.05-毫米的雕刻花纹误差，就导致产品报废率大，达4-25％材料耗费成本巨大，影响首饰品质。
立体圆形首饰因为有平面测量和曲面测量，没有平面首饰好固定加工，要求加工花纹，打磨角度极其精准，传统数控机床没有合适精准的探测方式，以及先进的比对控制算法，无法根据每件首饰的偏差值，精准补偿控制刀具运行位置，无法实现各类外形首饰表面加工深度精准度达0.01-0.2毫米。现有机床加工技术无法保证工业化生产连接一天加工上千件首饰，有高品质和极低的报废率。
发明内容
为克服上述难点，本发明提供一种立体圆形首饰的随形测量加工控制方法，该方法采用独特的探测方式和校准计算方法，动态随形测量每件立体圆形首饰，自动校正补偿偏差，大大提高了数控机床的加工精度，报废率显著降低，节约了材料成本。
本发明提供一种立体圆形首饰的随形测量加工控制方法，包括
步骤1.按照标准首饰坯件外形尺寸，预先编写数控机床自动加工的坐标程序输入到数控机床电脑中；建立一个标准首饰坯件的模型，将首饰材料质地、长宽高尺寸、圆弧尺寸、需雕刻位置参数预先存储在数控机床电脑中，与所述自动加工的坐标程序相匹配；
步骤2.采用五轴数控机床，以立体圆形首饰的中心点为原点，控制加工机床的探头围绕首饰坯件自动逐点随形探测，得到首饰坯件需加工的外形面的空间坐标位置，并反馈到数控机床的电脑中；
步骤3.将探测首饰坯件需加工的外形面空间坐标与标准首饰坯件外形空间坐标进行比对和计算，得到加工校准数据，并将校准数据自动补偿到所述预先自动加工的坐标参数中，得到数控机床的实际加工参数；
步骤4.启动数控机床刀头，按照所述实际加工参数，机床刀头始终沿首饰坯件实际外形加工，得到标准首饰坯件。
进一步，所述步骤2具体包括：以立体圆形首饰的中心点为原点，设置围绕类椭圆外壳轮廓线探测的方式，以及探头运行的空间位置，均匀划分多个打点坐标逐点随形探测；曲面上创建多个用于生成路径进行曲面补偿的打点坐标，所述打点坐标即测量点包括以下几种方式：两向等分，根据曲面的UV方向进行等分布点；单向等分，根据曲面的其中一个方向(U或V)进行等分布点，另一个方向自适应布点；自适应等分点，根据曲面UV两个方向分别进行自适应布置测量点；
设置探头运行的控制程序，按照打点坐标去探测，并记录每个点的偏差信息，反馈给数控机床。
进一步，所述步骤2还包括：以类椭圆形首饰的中心点为三轴坐标原点，沿着首饰面的水平面，每隔N个角度在首饰坯件需加工的端面或者外侧面的法向对应位置上，快速均匀的生成360/N个打点坐标，控制探头按照打点坐标逐点随形探测，实时记录首饰坯件需加工的外形面的空间坐标位置，并反馈到数控机床的电脑中。
进一步，所述步骤3还包括通过探头的移动探测，采集机械偏差值和首饰装夹偏差值，通过累加计算，一起自动补偿到所述预先自动加工的坐标参数中，得到数控机床的实际加工参数。
进一步，数控机床的探头采用机械接触式探针，或者为激光非接触式探头；所述机械接触式探针包括针头、弹性部件、压力传感器、数据传送装置，压力传感器电性连接所述数据传送装置，将针头接触的探测参数通过数据传送装置发送给数控机床的电脑；
所述激光非接触式探头包括激光发射器、采集器、数据传送装置，采集器电性连接所述数据传送装置，将采集器探测参数通过数据传送装置发送给数控机床的电脑。
进一步，立体圆形首饰的装夹设备采用内撑装置或外夹装置进行装夹，所述装夹设备还配制有水淋喷枪头。
进一步，所述数控机床根据首饰种类、形状及表面加工要求，调用不同种类首饰的加工程序，并设置更换刀头的时间点和位置点。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本申请人对于立体圆形首饰有先进独创的技术实现快速精准加工，在不断的研发过程中，本申请人利用独特的探测装置和动态随形测量计算数据方式，结合数控机床实现对各种首饰的精密加工，开创了随形测量加工控制方法在首饰加工领域的应用。
(2)本发明类椭圆形首饰加工控制方法由于采用360度圆周划分打点测量，结合曲面上创建多个用于生成路径进行曲面补偿的测量方法，无论首饰形状怎样、存在多少机械偏差值和首饰装夹偏差值，都能自动对每一个首饰精密校正补偿偏差，保证加工出的首饰符合标准首饰，大大提高了数控机床的加工精度，使各类首饰加工合格率达到同行先进水平，合格率达99.8％以上，报废率显著降低，节约了贵重金属和珠宝的材料成本，带来了意想不到的技术效果。
(3)采用独特结构的探头和控制算法，能感受到微米级别的空间位置变化，可精准控制刀头在首饰上加工均匀深度0.01-0.5毫米各类雕刻花纹。已经实现规模化量产，先进的控制技术保证首饰工业化自动生产，有高品质率，加工出来标准统一。
附图说明
图1为本发明的立体圆形首饰的随形测量加工控制方法步骤示意图。
图2为本发明的加工实施例中对圆形手镯的打点坐标示意图。
图3为本发明的加工实施例中对圆形手镯的局部侧面打点坐标示意图。
具体实施方式
下面将结合本实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，
目前数控机床只用来加工不锈钢、铸铁等硬质金属材料，没有发现运用于首饰加工领域大批量工业化统一自动生产。这是因为不同首饰的形状大小、质地、内外侧花纹都有不同，由于每个首饰粗胚体存在细微毫米级的厚度不同和尺寸差别。所以目前首饰加工通常是靠人工加工配合简单的电动打磨工具，这样的首饰外观效果不亮丽，花纹不繁密漂亮。
本发明改进加工技术，经过上千次的开发测试，提出随形测量加工控制方法在首饰加工领域的应用，按照标准首饰坯件外形尺寸，预先编写数控机床自动加工程序；设定立体空间坐标位置通过自动逐点随形探测首饰坯件形状，确定首饰外形加工校准数据，控制改变数控机床刀头加工参数，动态探测并加工每件首饰符合标准首饰要求。
随形测量加工控制方法在首饰加工领域的应用，带来了产业革命，实现规模化量产，先进的控制技术保证工业化生产连续一天加工上千件首饰，优良率大大领先同行水平。
请参阅图1所示，本发明还提供一种类椭圆形首饰的随形测量加工控制方法，包括
步骤1.步骤1.按照标准首饰坯件外形尺寸，预先编写数控机床自动加工的坐标程序输入到数控机床电脑中；建立一个标准首饰坯件的模型，将首饰材料质地、长宽高尺寸、圆弧尺寸、需雕刻位置参数预先存储在数控机床电脑中，与所述自动加工的坐标程序相匹配。编程软件通常使用精雕、Mastercam、UG等3D编程软件。
步骤2.采用五轴数控机床，以立体圆形首饰的中心点为原点，控制加工机床的探头围绕首饰坯件自动逐点随形探测，得到首饰坯件需加工的外形面的空间坐标位置，并反馈到数控机床的电脑中。
具体以立体圆形首饰的中心点为原点，设置围绕类椭圆外壳轮廓线探测的方式，以及探头运行的空间位置，均匀划分多个打点坐标逐点随形探测；曲面上创建多个用于生成路径进行曲面补偿的打点坐标，即测量点包括以下几种方式：两向等分，根据曲面的UV方向进行等分布点；单向等分，根据曲面的其中一个方向(U或V)进行等分，另一个方向自适应布点；自适应等分，根据曲面UV两个方向分别进行自适应布置测量点；
设置探头运行的控制程序，按照打点坐标去探测，并记录每个点的偏差信息，反馈给数控机床。
如图2所示，对于立体圆形首饰，比如手镯，以立体圆形首饰1的中心点为三轴坐标原点，沿着首饰面的水平面，每隔N个角度在圆形首饰坯件需加工的端面或者外侧面的法向对应位置上，划分放射性线2，快速均匀的生成360/N个打点坐标3，控制探头按照打点坐标逐点随形探测，实时记录圆形首饰坯件需加工的外形面的空间坐标位置，并反馈到数控机床的电脑中。比如如果需要在椭圆手镯的外侧面和上表面雕刻出花纹，可以采取N＝360,这样每隔1度探针就接触测量一次，这样后续雕刻的花纹均匀深度0.01-0.5毫米之间，非常精美流畅。如果采取N＝36，这样每隔10度探针就接触测量一次，探测和雕刻加工速度会更快。可以根据实际加工首饰种类和花纹多少，雕刻速度等因素选择设置多少个打点坐标。
如图3，在立体圆形首饰1的曲面上生成打点坐标3，首饰曲面上自动创建打点坐标，即测量点具体分为以下几步：
C1.选取待探测曲面，获取所述曲面的基础信息，并得到曲面流线和曲面法向；根据所获曲面，将其转化为参数方程形式，以此计算其等参数线，作为曲面流线；
C2.利用步骤C1获取的曲面流线，将所述曲面分割成多个部分，确定测量点曲面探测区域；
C3.在步骤C2确定的所述曲面探测范围内，确定曲面上的曲线，再根据两向等分、U向等分或V向等分计算每个曲面上的位置点，作为测量点的位置信息；
C4.根据步骤C3得到的测量点位置信息，分别计算每个测量点的曲面法向和XOY平面方向作为测量点探测方向；所述XOY平面方向具体为：将位置点和曲面中心点分别投影至xoy平面，由位置点指向中心点，作为该点的XOY平面方向；
通过该点的位置信息，计算曲面切平面，过该点且垂直于切平面的向量成为曲面在该点的法向量；
C5.根据步骤C3和C4确定的测量点位置和方向完成测量点创建，用于生成路径进行曲面补偿。
步骤3.将探测首饰坯件需加工的外形面空间坐标与标准首饰坯件外形空间坐标进行比对和计算，得到加工校准数据，并将校准数据，即比对差值自动补偿到所述预先自动加工的坐标参数中，得到数控机床的实际加工参数。
作为进一步改进方式，通过探头的移动探测，采集机械偏差值和首饰装夹偏差值，通过累加计算，一起自动补偿到所述预先自动加工的坐标参数中，得到数控机床的实际加工参数。
数控机床的探头采用机械接触式探针，或者为激光非接触式探头。所述机械接触式探针包括针头、弹性部件、压力传感器、数据传送装置，压力传感器电性连接所述数据传送装置，针头端部有一个球形蓝宝石，这样接触到首饰表面时，不容易划伤首饰，也能保持足够强度可触碰检测几万次。测量时，控制针头缓慢按照规划的打点坐标，将针头接触的探测参数通过数据传送装置发送给数控机床的电脑。所述数据传送装置可以采用蓝牙装置，或无线网络发送装置，或直接通过数据线连接到数控机床的电脑。
所述激光非接触式探头包括激光发射器、采集器、数据传送装置，采集器电性连接所述数据传送装置，将采集器探测参数通过数据传送装置发送给数控机床的电脑。
步骤4.启动数控机床刀头，按照所述实际加工参数，机床刀头始终沿首饰坯件实际外形加工，得到标准首饰坯件。
所述数控机床根据首饰种类、形状及表面加工要求，调用不同种类首饰的加工程序，并设置更换刀头的时间点和位置点。工业化生产连续一天加工上千件首饰，有高品质率，加工出来标准统一，合格率达99.8％以上，报废率显著降低，节约了贵重金属和首饰的材料成本。
通过五百次加工比较试验数据如下：
Figure BDA0002428420290000081
采用五轴数控机床，对立体圆形首饰的装夹设备采用内撑装置进行装夹，这样的内撑装置能保证固定首饰稳定不产生一丝位移，而且又不损坏首饰，不遮挡刀具运行空间，大大扩大了自动加工雕刻面，无死角雕刻打磨。
由于采用独特结构的探头和控制算法，能感受到微米级别的空间位置变化，可精准控制刀头在首饰上加工均匀深度0.01-0.5毫米雕刻各类花纹。自动化程度高，已经实现规模化量产，有高品质率，加工出来标准统一。本发明方法节约了贵重金属和珠宝的材料成本，带来了意想不到的技术效果。

Claims (7)

1.一种立体圆形首饰的随形测量加工控制方法，其特征在于：包括
步骤1.按照标准首饰坯件外形尺寸，预先编写数控机床自动加工的坐标程序输入到数控机床电脑中；建立一个标准首饰坯件的模型，将首饰材料质地、长宽高尺寸、圆弧尺寸、需雕刻位置参数预先存储在数控机床电脑中，与所述自动加工的坐标程序相匹配；
步骤2.采用五轴数控机床，以立体圆形首饰的中心点为原点，控制加工机床的探头围绕首饰坯件自动逐点随形探测，得到首饰坯件需加工的外形面的空间坐标位置，并反馈到数控机床的电脑中；
测量点具体分为以下几步：
C1.选取待探测曲面，获取所述曲面的基础信息，并得到曲面流线和曲面法向；根据所获曲面，将其转化为参数方程形式，以此计算其等参数线，作为曲面流线；
C2.利用步骤C1获取的曲面流线，将所述曲面分割成多个部分，确定测量点曲面探测区域；
C3.在步骤C2确定的所述曲面探测范围内，确定曲面上的曲线，再根据两向等分、U向等分或V向等分计算每个曲面上的位置点，作为测量点的位置信息；
C4.根据步骤C3得到的测量点位置信息，分别计算每个测量点的曲面法向和XOY平面方向作为测量点探测方向；所述XOY平面方向具体为：将位置点和曲面中心点分别投影至xoy平面，由位置点指向中心点，作为该点的XOY平面方向；通过该点的位置信息，计算曲面切平面，过该点且垂直于切平面的向量成为曲面在该点的法向量；
C5.根据步骤C3和C4确定的测量点位置和方向完成测量点创建，用于生成路径得到曲面补偿值；
步骤3.将探测首饰坯件需加工的外形面空间坐标与标准首饰坯件外形空间坐标进行比对和计算，得到加工校准数据，并将校准数据自动补偿到所述预先自动加工的坐标参数中，得到数控机床的实际加工参数；
步骤4.启动数控机床刀头，按照所述实际加工参数，机床刀头始终沿首饰坯件实际外形加工，得到标准首饰坯件。
2.根据权利要求1所述一种立体圆形首饰的随形测量加工控制方法，其特征在于：所述步骤2具体包括：
以立体圆形首饰的中心点为原点，设置围绕类椭圆外壳轮廓线探测的方式，以及探头运行的空间位置，均匀划分多个打点坐标逐点随形探测；曲面上创建多个用于生成路径进行曲面补偿的打点坐标，所述打点坐标即测量点包括以下几种方式：两向等分，根据曲面的UV方向进行等分布点；单向等分，根据曲面的其中一个方向(U或V)进行等分布点，另一个方向自适应布点；自适应等分点，根据曲面UV两个方向分别进行自适应布置测量点；
设置探头运行的控制程序，按照打点坐标去探测，并记录每个点的偏差信息，反馈给数控机床。
3.根据权利要求1所述一种立体圆形首饰的随形测量加工控制方法，其特征在于：所述步骤2还包括：
以类椭圆形首饰的中心点为三轴坐标原点，沿着首饰面的水平面，每隔N个角度在首饰坯件需加工的端面或者外侧面的法向对应位置上，快速均匀的生成360/N个打点坐标，控制探头按照打点坐标逐点随形探测，实时记录首饰坯件需加工的外形面的空间坐标位置，并反馈到数控机床的电脑中。
4.根据权利要求1-3任意一项所述一种立体圆形首饰的随形测量加工控制方法，其特征在于：所述步骤3还包括
通过探头的移动探测，采集机械偏差值和首饰装夹偏差值，通过累加计算，一起自动补偿到所述预先自动加工的坐标参数中，得到数控机床的实际加工参数。
5.根据权利要求1-3任意一项所述一种立体圆形首饰的随形测量加工控制方法，其特征在于：数控机床的探头采用机械接触式探针，或者为激光非接触式探头；
所述机械接触式探针包括针头、弹性部件、压力传感器、数据传送装置，压力传感器电性连接所述数据传送装置，将针头接触的探测参数通过数据传送装置发送给数控机床的电脑；
所述激光非接触式探头包括激光发射器、采集器、数据传送装置，采集器电性连接所述数据传送装置，将采集器探测参数通过数据传送装置发送给数控机床的电脑。
6.根据权利要求1-3任意一项所述一种立体圆形首饰的随形测量加工控制方法，其特征在于：立体圆形首饰的装夹设备采用内撑装置进行装夹。
7.根据权利要求1-3任意一项所述一种立体圆形首饰的随形测量加工控制方法，其特征在于：
所述数控机床根据首饰种类、形状及表面加工要求，调用不同种类首饰的加工程序，并设置更换刀头的时间点和位置点。
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