CN111381560B - 机械加工零点补偿方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种机械加工零点补偿方法和装置。该方法包括：获取零件上的两个测试点的设计空间位置信息；所述两个测试点的中点为所述零件的设计原点；测量零件安装在数控机床上时，所述两个测试点的实际空间位置信息；根据所述两个测试点的设计空间位置信息和实际空间位置信息，采用θ＝α′－α，获取零件安装在数控机床上时的角度；根据零件安装在数控机床上时的角度以及所述两个测试点的实际空间位置信息，获取零件安装在数控机床上时的原点；根据补偿信息，对安装在数控机床上的零件进行加工；零件的补偿信息包括零件安装在数控机床上时的原点和角度。使工件零点补偿分析计算过程简便，效率高。

Description

机械加工零点补偿方法和装置
技术领域
本发明涉及机械加工制造行业中零点补偿技术，具体涉及一种机械加工零点补偿方法和装置。
背景技术
对于航空飞机及发动机附件机匣、安装座和壳体等异形零件空间结构复杂的零件，机床通常执行零件程序，进行零件加工。但是，零件零点相对零件程序零点存在偏移，加工过程中需要进行零点补偿。
常用的零件加工方法包括以下几种：1、开毛坯时十字划线法零点补偿；2、夹具角向定位误差零点补偿；3、精加工误差零点补偿；4、复杂空间坐标系零点补偿等。现有加工方法中的零点补偿，通常使用CAM软件(例如UG、masterCAM)进行CAD计算机辅助设计制图，根据零件的坐标点建立零件的空间模型，然后进行分析计算，将零件程序零点偏移至零件零点。
但现有加工方法中，需工艺技术人员熟练掌握CAM软件，对工艺技术人员的水平要求较高，且制图时不同工艺技术人员的思维方式不同，其制作的空间模型很难被其他人利用，不适合批量零件的生产，而且制图过程复杂，从制图到分析耗时长。
发明内容
本发明提供一种机械加工零点补偿方法和装置，本发明所要解决的问题是零点补偿技术，使工件零点补偿分析计算过程简便，效率高，对工艺技术人员的水平要求低，易于理解，过程受控，能够实现计算机直接输出。
本发明第一方面提供一种机械加工零点补偿方法，包括：
获取零件上的两个测试点的设计空间位置信息；所述两个测试点的中点为所述零件的设计原点；
测量零件安装在数控机床上时，所述两个测试点的实际空间位置信息；
根据所述两个测试点的设计空间位置信息和实际空间位置信息，采用θ＝α′－α，获取零件安装在数控机床上时的角度；
根据零件安装在数控机床上时的角度以及所述两个测试点的实际空间位置信息，获取零件安装在数控机床上时的原点；
根据补偿信息，对安装在数控机床上的零件进行加工；零件的补偿信息包括零件安装在数控机床上时的原点和角度；
其中，
Figure BDA0002476105560000021
Figure BDA0002476105560000022
(X1，Y1)和(X2，Y2)为所述两个测试点的设计空间位置信息；(X1′，Y1′)和(X2′，Y2′)为所述两个测试点的实际空间位置信息；ATAN2表示反正切，θ单位为弧度。
可选的，所述获取零件安装在数控机床上时的角度之后，所述方法还包括：
在θ的取值在180°～360°时，将θ-360°作为零件安装在数控机床上时的角度；
在θ的取值在-360°～-180°时，将θ+360°作为零件安装在数控机床上时的角度。
可选的，所述根据零件安装在数控机床上时的角度以及所述两个测试点的实际空间位置信息，获取零件安装在数控机床上时的原点，包括：
采用公式
Figure BDA0002476105560000023
和
Figure BDA0002476105560000024
获取零件安装在数控机床上时的原点(X0″′，Y0″′)；
其中，X0"＝X0+△X，Y0"＝Y0+△Y，△X＝X3'-X3，△Y＝Y3'-Y3，(X0,Y0)为所述零件的设计原点；SIN为正弦函数，COS为余弦函数。
可选的，所述方法还包括：
根据所述两个测试点的设计空间位置信息，确定所述两个测试点的第一长度信息；
根据所述两个测试点的实际空间位置信息，确定所述两个测试点的第二长度信息；
根据第一长度信息和第二长度信息，获取长度差值信息。
本发明第二方面提供一种机械加工零点补偿装置，用于执行上述第一方面中的机械加工零点补偿方法，具有相同和相似的技术特征和技术效果。该装置包括：
第一获取模块，用于获取零件上的两个测试点的设计空间位置信息；所述两个测试点的中点为所述零件的设计原点；
第二获取模块，用于测量零件安装在数控机床上时，所述两个测试点的实际空间位置信息；
角度获取模块，用于根据所述两个测试点的设计空间位置信息和实际空间位置信息，采用θ＝α′－α，获取零件安装在数控机床上时的角度；
原点获取模块，用于根据零件安装在数控机床上时的角度以及所述两个测试点的实际空间位置信息，获取零件安装在数控机床上时的原点；
加工模块，用于根据补偿信息，对安装在数控机床上的零件进行加工；零件的补偿信息包括零件安装在数控机床上时的原点和角度；
其中，
Figure BDA0002476105560000031
Figure BDA0002476105560000032
(X1，Y1)和(X2，Y2)为所述两个测试点的设计空间位置信息；(X1′，Y1′)和(X2′，Y2′)为所述两个测试点的实际空间位置信息；ATAN2表示反正切，θ单位为弧度。
可选的，所述角度获取模块还用于，
在θ的取值在180°～360°时，将θ-360°作为零件安装在数控机床上时的角度；
在θ的取值在-360°～-180°时，将θ+360°作为零件安装在数控机床上时的角度。
可选的，所述原点获取模块具体用于：
采用公式
Figure BDA0002476105560000041
和
Figure BDA0002476105560000042
获取零件安装在数控机床上时的原点(X0″′，Y0″′)；
其中，X0"＝X0+△X，Y0"＝Y0+△Y，△X＝X3′-X3，△Y＝Y3′-Y3，(X0,Y0)为所述零件的设计原点；SIN为正弦函数，COS为余弦函数。
可选的，所述装置还包括：
长度差值获取模块，用于根据所述两个测试点的设计空间位置信息，确定所述两个测试点的第一长度信息；根据所述两个测试点的实际空间位置信息，确定所述两个测试点的第二长度信息；根据第一长度信息和第二长度信息，获取长度差值信息。
可选的，所述装置还包括：
显示模块，用于显示所述两个测试点的设计空间位置信息、实际空间位置信息、零件安装在数控机床上时的原点和角度和长度差值信息。
本发明提供的机械加工零点补偿方法和装置，可应用于复杂空间异形结构工件加工过程中的零点补偿。使用零点补偿技术，使工件零点补偿分析计算过程简便，效率高，对工艺技术人员的水平要求低，易于理解，过程受控，实现计算机直接输出。本发明采用的技术平台是可满足建立函数公式和运算精度的EXCEL办公软件。该技术可应用于三轴、四轴和五轴数控加工中心，可实现开毛坯十字划线零点补偿，夹具角向定位误差零点补偿，精加工误差零点补偿，复杂空间坐标系零点补偿等，通过函数计算实现实际坐标系和理论坐标系重合。
附图说明
图1为本发明提供的机械加工零点补偿方法的流程示意图；
图2为本发明提供的零件实际位置和设计位置坐标点示意图；
图3为本发明提供的EXCEL软件函数计算模块示意图；
图4本发明提供的EXCEL软件计算实例示意图。
具体实施方式
图1为本发明提供的机械加工零点补偿方法的流程示意图，参照图1，本发明所采用的具体方法包括：
S101、获取零件上的两个测试点的设计空间位置信息；两个测试点的中点为零件的设计原点。
示例性的，根据零件图纸，分析零件的设计空间位置坐标点，包括零件的零点和角向。
S102、测量零件安装在数控机床上时，两个测试点的实际空间位置信息。
S103、根据两个测试点的设计空间位置信息和实际空间位置信息，采用θ＝α′－α，获取零件安装在数控机床上时的角度。
其中，
Figure BDA0002476105560000051
Figure BDA0002476105560000052
(X1，Y1)和(X2，Y2)为两个测试点的设计空间位置信息；(X1′，Y1′)和(X2′，Y2′)为两个测试点的实际空间位置信息；ATAN2表示反正切，θ单位为弧度。
S104、根据零件安装在数控机床上时的角度以及两个测试点的实际空间位置信息，获取零件安装在数控机床上时的原点。
示例性的，采用公式
Figure BDA0002476105560000053
和
Figure BDA0002476105560000054
获取零件安装在数控机床上时的原点(X0″′，Y0″′)；
其中，X0"＝X0+△X，Y0"＝Y0+△Y，△X＝X3′-X3，△Y＝Y3′-Y3，(X0,Y0)为所述零件的设计原点；sin为正弦函数，cos为余弦函数。
S105、根据补偿信息，对安装在数控机床上的零件进行加工；零件的补偿信息包括零件安装在数控机床上时的原点和角度。
示例性的，补偿信息的计算过程，可采用软件实现，例如，采用的软件平台为EXCEL办公软件，其优点是通过对其内部开发，构建函数公式，可使其按设计者思路进行自动零点补偿，并保证计算精度。
本发明的具体技术方案为，图2为本发明提供的零件实际位置和设计位置坐标点示意图，如图2所示，实线为工件实际坐标点模型(由零件在机床上的实际摆放位置确定)，虚线为工件理论坐标点模型(根据零件图纸确定，也即零件程序零点)。分析理论线与实际线间的角度θ，此处需要注意的是旋转角度θ后，应该使A点和A'点以及B点和B'点重合，即旋转角度θ后必须是两“对应点”近似重合。所谓近似重合的意思是在加工误差和找正误差的影响下，实际线A'B'长度与理论线AB长度相等的几率很小，在加工精度允许的范围内就可认为是重合的。
工件实际角向误差旋转参考点M'(实际线中点)的坐标：
Figure BDA0002476105560000061
工件程序理论线中点M的坐标：
Figure BDA0002476105560000062
理论线按中点式平移到实际线中点的坐标差：
△X＝X3'-X3
△Y＝Y3'Y3
理论线按中点式平移到实际线中点后编程零点O的坐标：
X0"＝X0+△X
Y0"＝Y0+△Y
实际线与水平线的角度：
Figure BDA0002476105560000063
理论线与水平线的角度：
Figure BDA0002476105560000064
理论线与实际线近似重合需旋转的角度:θ＝α'－α
示例性的，数控机床的程序中实际输入的角度一般在-180°～180°，可采用EXCEL办公软件中的选择函数:
CHOOSE(MATCH(θ,{-360°,-180°,180°,360°},1),360°+θ,θ,θ-360°)
这个函数的用途是：当θ在-360°～-180°时，输出值为360°+θ；
当θ在-180°～+180°时，输出值为θ；
当θ在180°～360°时，输出值为θ-360°。
注：在EXCEL软件中ATAN2为反正切值，单位是弧度，返回值在-π到π之间，不包括-π，数控机床中角度的单位是度，用A表示。其中弧度与度的关系是180度等于π。
理论线旋转θ角度与实际线近似重合后，编程零点O的坐标:
Figure BDA0002476105560000071
Figure BDA0002476105560000072
(注：在EXCEL中SIN、COS使用的单位是弧度)
示例性的，依据空间角度计算可知
在XY平面内任意点P(x，y)绕参考点O(x0，y0)转角度A后：
x′＝(x-x0)cosA-(y-y0)sinA+x0
y′＝(y-y0)cosA+(x-x0)sinA+y0
在YZ平面内任意点P(x，y)绕参考点O(x0，y0)转角度A后：
y′＝(y-y0)cosA-(z-z0)sinA+y0
z′＝(z-z0)cosA+(y-y0)sinA+z0
在ZX平面内任意点P(x,y)绕参考点O(x0,y0)转角度A后：
z′＝(z-z0)cosA-(x-x0)sinA+z0
x′＝(x-x0)cosA+(z-z0)sinA+x0
示例性的，图3为本发明提供的EXCEL软件函数计算模块示意图，图4本发明提供的EXCEL软件计算实例示意图。补偿信息的计算软件的页面设置可如图3和图4所示，便于操作和理解。
发明效果
本发明可应用于三轴、四轴和五轴数控加工中心，可实现开毛坯十字划线零点补偿，夹具角向定位误差零点补偿，精加工误差零点补偿，复杂空间坐标系零点补偿等，通过计算实现实际坐标系和理论坐标系重合。三轴数控加工中心无旋转工作台，补偿方式为理论坐标系向实际坐标系旋转。四轴和五轴数控加工中心(带B圆盘)，补偿方式为实际坐标系向理论坐标系旋转。将计算所得的旋转角度和程序原点，分别写入三轴、四轴和五轴数控加工中心机床加工指令，消除理论坐标系与实际坐标的不重合误差。
本发明在使用时，工艺人员只需将实际坐标值(X1'，Y1')、(X2'，Y2')理论坐标值(X1，Y1)、(X2，Y2)以及A盘或B盘旋转角度分别输入到EXCEL办公软件开发平台中，通过函数公式运算进行数据分析，自动计算零点补偿，具体使用情况见图4。本发明对工艺人员水平要求较低，能够极大地提高了工艺人员在机械加工中零点补偿计算效率，有效地避免因坐标点输入输出人为错误导致工件超差报废。

Claims (9)

1.一种机械加工零点补偿方法，其特征在于，包括：
获取零件上的两个测试点的设计空间位置信息；所述两个测试点的中点为所述零件的设计原点；
测量零件安装在数控机床上时，所述两个测试点的实际空间位置信息；
根据所述两个测试点的设计空间位置信息和实际空间位置信息，采用θ＝α′－α，获取零件安装在数控机床上时的角度；
根据零件安装在数控机床上时的角度以及所述两个测试点的实际空间位置信息，获取零件安装在数控机床上时的原点；
根据补偿信息，对安装在数控机床上的零件进行加工；零件的补偿信息包括零件安装在数控机床上时的原点和角度；
其中，
Figure FDA0003917999130000011
Figure FDA0003917999130000012
(X1，Y1)和(X2，Y2)为所述两个测试点的设计空间位置信息；(X1′，Y1′)和(X2′，Y2′)为所述两个测试点的实际空间位置信息；ATAN2表示反正切，θ单位为角度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取零件安装在数控机床上时的角度之后，所述方法还包括：
在θ的取值在180°～360°时，将θ-360°作为零件安装在数控机床上时的角度；
在θ的取值在-360°～-180°时，将θ+360°作为零件安装在数控机床上时的角度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据零件安装在数控机床上时的角度以及所述两个测试点的实际空间位置信息，获取零件安装在数控机床上时的原点，包括：
采用公式
Figure FDA0003917999130000013
和
Figure FDA0003917999130000021
获取零件安装在数控机床上时的原点(X0″′，Y0″′)；
其中，X0"＝X0+△X，Y0"＝Y0+△Y，△X＝X3'-X3，△Y＝Y3'-Y3，(X0,Y0)为所述零件的设计原点；SIN为正弦函数，COS为余弦函数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述两个测试点的设计空间位置信息，确定所述两个测试点的第一长度信息；
根据所述两个测试点的实际空间位置信息，确定所述两个测试点的第二长度信息；
根据第一长度信息和第二长度信息，获取长度差值信息。
5.一种机械加工零点补偿装置，其特征在于，包括：
第一获取模块，用于获取零件上的两个测试点的设计空间位置信息；所述两个测试点的中点为所述零件的设计原点；
第二获取模块，用于测量零件安装在数控机床上时，所述两个测试点的实际空间位置信息；
角度获取模块，用于根据所述两个测试点的设计空间位置信息和实际空间位置信息，采用θ＝α′－α，获取零件安装在数控机床上时的角度；
原点获取模块，用于根据零件安装在数控机床上时的角度以及所述两个测试点的实际空间位置信息，获取零件安装在数控机床上时的原点；
加工模块，用于根据补偿信息，对安装在数控机床上的零件进行加工；零件的补偿信息包括零件安装在数控机床上时的原点和角度；
其中，
Figure FDA0003917999130000022
Figure FDA0003917999130000023
(X1，Y1)和(X2，Y2)为所述两个测试点的设计空间位置信息；(X1′，Y1′)和(X2′，Y2′)为所述两个测试点的实际空间位置信息；ATAN2表示反正切，θ单位为角度。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述角度获取模块还用于，
在θ的取值在180°～360°时，将θ-360°作为零件安装在数控机床上时的角度；
在θ的取值在-360°～-180°时，将θ+360°作为零件安装在数控机床上时的角度。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述原点获取模块具体用于：
采用公式
Figure FDA0003917999130000031
和
Figure FDA0003917999130000032
获取零件安装在数控机床上时的原点(X0″′，Y0″′)；
其中，X0"＝X0+△X，Y0"＝Y0+△Y，△X＝X3′-X3，△Y＝Y3′-Y3，(X0,Y0)为所述零件的设计原点；SIN为正弦函数，COS为余弦函数。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
长度差值获取模块，用于根据所述两个测试点的设计空间位置信息，确定所述两个测试点的第一长度信息；根据所述两个测试点的实际空间位置信息，确定所述两个测试点的第二长度信息；根据第一长度信息和第二长度信息，获取长度差值信息。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
显示模块，用于显示所述两个测试点的设计空间位置信息、实际空间位置信息、零件安装在数控机床上时的原点和角度和长度差值信息。
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