CN112045443A - 一种四轴机床偏心装夹工件加工方法 - Google Patents

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李智凤
孟献源
胡建其
刘悦
肖志红
王柏松
张大伟
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Abstract

本发明公开了一种四轴机床偏心装夹工件加工方法，包括如下步骤：步骤100：将工件固定在所述工作台上，获取当前工件各个加工部的坐标位置，并使工件的初始加工部作为当前加工部以正对加工刀具，并对当前加工部所在坐标处进行加工；步骤200：驱动所述工作台按相邻加工部相对工件圆心的夹角转动，以使得下一个加工部正对加工刀具设置，并作为当前加工部；步骤300：根据获取当前加工部转动后的坐标，驱动所述加工刀具移动至当前加工部，并使所述加工刀具对当前加工部进行加工；步骤400：返回所述步骤200直到最后一个加工部加工完成。该四轴机床偏心装夹工件加工方法能够有效地解决长工件加工不方便的问题。

Description

一种四轴机床偏心装夹工件加工方法
技术领域
本发明涉及机床加工技术领域，更具体地说，涉及一种四轴机床偏心装夹工件加工方法。
背景技术
对于圆弧形大尺寸弧形工件，该类弧形工件的待加工特征(如铣外形)具有圆形阵列分布特点，一般可在四轴卧式镗铣床上加工。当这类弧形工件尺寸较小时，一般可将该类弧形工件加工特征的阵列圆心校正至四轴机床的旋转中心，然后每编程加工完一处特征，旋转弧形工件一定角度使下一处加工特征到达原加工特征位置，用同样的程序再加工一次，如此往复，直到完成所有特征的加工。
这种常用的加工方法，一方面对弧形工件的装夹、找正要求比较高，弧形工件需通过反复打表校正圆心偏差，反复调整，使特征阵列分布圆中心与机床回转中心重合，加工效率很低。另一方面，当待加工特征阵列分布圆半径大于刀轴端面和机床旋转中心的距离时(虽弧形工件尺寸未超过工作台尺寸)，就无法实现同心装夹，这种加工方法就完全无法实现。在处理这种困难加工时，现有技术一般会将弧形工件转移到更大尺寸规格的四轴机床，通过同心装夹来实现加工，无疑占用大机床使用，对产能造成浪费；也有人不腾挪机床，还是在小四轴机床上加工，弧形工件偏心装夹，每编程加工完一处特征后，旋转弧形工件一定角度(使下一处加工特征相对已加工特征只在Z轴方向有偏移)，重新找正弧形工件，找到待加工特征可用原加工特征数控程序加工的坐标系原点，对刀后调用原程序加工。这样虽可以保留用小机床加工，但是需反复旋转、反复找正、反复对刀，基准实际反复变化，不仅操作困难，而且无法保证精度，容易加工出废品。
综上所述，如何有效地解决长工件加工不方便的问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种四轴机床偏心装夹工件加工方法，该四轴机床偏心装夹工件加工方法可以有效地解决长工件加工不方便的问题。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种四轴机床偏心装夹工件加工方法，包括如下步骤：
步骤100：将工件固定在所述工作台上，获取当前工件各个加工部的坐标位置，并使工件的初始加工部作为当前加工部以正对加工刀具，并对当前加工部所在坐标处进行加工；
步骤200：驱动所述工作台按相邻加工部相对工件圆心的夹角转动，以使得下一个加工部正对加工刀具设置，并作为当前加工部；
步骤300：根据获取当前加工部转动后的坐标，驱动所述加工刀具移动至当前加工部，并使所述加工刀具对当前加工部进行加工；
步骤400：返回所述步骤200直到最后一个加工部加工完成。
在该加工方法中，工件无需工件的圆心与工作台的回转中心一致，即利用工件加工部圆形阵列分布的结构特点，以及正对的加工要求，可以确定出，下一加工部移动到当前加工部的坐标，进而通过该坐标，可以使加工刀具移动到对应位置，进而完成加工。能够避免同心装夹，允许工作台范围内自由装夹，降低对工件装夹、找正的要求，大大提高装夹找正效率，缩短辅助时间；能够自动补偿偏心装夹引起的工件坐标系变动偏差，避免旋转工件后的反复找正、对刀，既能保证加工质量，又只需一次找正、对刀，极大缩短找正、对刀的辅助时间，大大提高工作效率。综上所述，该四轴机床偏心装夹工件加工方法能够有效地解决长工件加工不方便的问题。
优选地，还包括：获取所述工作台回转中心相对机床坐标系的X向坐标R30以及Z向坐标R31，以及工件当前加工部初始状态下相对所述工作台回转中心的X向坐标R86以及Z向坐标R87；
所述当前加工部转动后在机床坐标系中的坐标(X2，Z2)按如下公式获取：
X2＝(R86-R30)*COS(R2)-(R87-R31)*SIN(R2)+R30；
Z2＝(R86-R30)*SIN(R2)+(R87-R31)*COS(R2)+R31；其中R2为当前加工部与初始加工部之间的夹角。
优选地，所述工作台回转中心的X向坐标确定步骤如下：
步骤111：在工作台Z向中心处且X向非中心处固定千分表；
步骤112：在主轴上固定有检验棒；
步骤113：移动机床使所述检验棒的侧母线与千分表的表针接触，使主轴慢速转动起来，移动Y轴找到检验棒母线最高点，记下X向机床坐标Mx1；工作台转180度，使主轴慢速转动起来，移动Y轴找到检验棒母线最高点，记下X向机床坐标Mx2，另回转中心X向坐标为R30＝(Mx1+Mx2)/2。
优选地，所述工作台回转中心的Z向坐标确定步骤如下：作台Z向中心处且X向非中心处装一试切工件，且以一把作为基准的刀精铣工件的一面，记下Z向机床坐标Mz1；工作台转180度，精铣工件另一面后记下Z向机床坐标Mz2，用测量试切工件的厚度W，另回转中心Z向坐标设为R31＝(Mz1+Mz2-W)/2。
优选地，所述将工件固定在所述工作台上后还包括检查所有待加工特征加工余量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的四轴机床偏心装夹工件加工示意图；
图2为本发明实施例提供的当前加工部初始位置与当前位置的坐标差示意图。
具体实施方式
本发明实施例公开了一种四轴机床偏心装夹工件加工方法，以有效地解决长工件加工不方便的问题。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图2，图1为本发明实施例提供的四轴机床偏心装夹工件加工示意图；图2为本发明实施例提供的当前加工部初始位置与当前位置的坐标差示意图。
在一种具体实施例中，本实施例提供了一种四轴机床偏心装夹工件加工方法，此处的工件，主要是一种弧形工件，也可以是多面体工件，这类工件的特点在于，具有多个加工部，而这多个加工部圆形阵列分布，而工件圆心，即多个加工部所对应的中心。包括如下步骤。
步骤100：将工件固定在所述工作台上，获取当前工件各个加工部的坐标位置，并使工件的初始加工部作为当前加工部以正对加工刀具；
其中将工件固定在工作台上，可以是随意固定在工作台任一位置，此时工件的圆心并不需要与工作台的回转中心位于同一轴线上。在使工件与工作台固定好，以工作台回转中心为基点，建立坐标系，各坐标轴延伸方向与机床坐标系上坐标轴延伸方向一致，以明确工件上的各个加工部相对机床的位置。工件的相邻加工部均相对工件圆心呈旋转对称，且相邻加工部之间的夹角一般均相等，以呈圆形阵列分布，因此在知道圆心坐标、初始加工部以及半径R，且知道相邻加工部之间的夹角，进而可以推算出其它各个加工部相对机床的坐标。又或者，直接测算出各个加工部的坐标，一般的机床，可以将加工刀具移动对应坐标位置，即可以在机床上读取坐标。
并使工件的初始加工部作为当前加工部以正对加工刀具，并对所在坐标处的当前加工部进行加工。其中当前加工部正对加工刀具，则要求当前加工部与工件的圆心连线，与加工刀具的主轴轴向方向位于同一直线上，主轴轴向方向一般称为坐标系的Z轴方向。只有当当前加工部正对加工刀具时，加工刀具移动到该加工部处，才能够完成加工。在初始加工部位于当前加工部位置后，刀具移动到该加工位置完成加工。
步骤200：驱动所述工作台按相邻加工部相对工件圆心的夹角转动，以使得下一个加工部正对加工刀具设置，并作为当前加工部。
当当前加工部加工完成后，则接下来需要加工相邻的下一加工部。而下一加工部与当前加工部之间相对工件圆心的夹角是确定的，这个是工件上直接获取的。在实际加工中，根据获取的数值直接输入即可，一般相邻加工部的夹角相等。而为了下一加工部能够完成加工，则需要下一加工部转动至正对加工刀具，进而才是进入当前加工位置，即称为当前加工部。
因为相邻加工部的夹角是确定的，在工作台旋转前，相邻加工部的上一加工部正对加工刀具设置，即该加工部与工件圆心连线为加工刀具主轴方向。而在当工作台旋转后，相邻加工部的下一加工部正对加工刀具设置，即该加工部与工件圆心连线为加工刀具主轴方向。可以看出工作台旋转的角度，即为相邻加工部相对工件圆心的夹角，进而能够实现上述效果。
步骤300：根据获取当前加工部转动后的坐标，驱动所述加工刀具移动至当前加工部，并使所述加工刀具对当前加工部进行加工
因为当前加工部旋转前坐标确定，旋转中心坐标确定，且旋转角度以及旋转方向确定，进而根据三角形坐标远离，即可以确定旋转后坐标位置。具体的如何知道当前加工部转动后的坐标，即当前位置的坐标，可以是通过软件模拟得到，也可以是通过计算公式获取。
即在知道新坐标后，即可以是驱动加工部横向移动至新坐标处，进而完成当前加工部的加工。
步骤400：返回所述步骤200直到最后一个加工部加工完成。
加工完成后，判断当前加工部是否是最后一个加工部，若是则加工完成。若不是，则返回上述步骤200继续加工下一个加工部。其中如何判断是否加工完成，一般是预设设置加工数量，每加工完成一个，进行计数，如加1或减1，直到数量达到设定值，即表示加工的加工部数量完成要求，进而可以认为加工完成。
在该加工方法中，工件无需工件的圆心与工作台的回转中心一致，即利用工件加工部圆形阵列分布的的结构特点，以及正对的加工要求，可以确定出，下一加工部移动到当前加工部的坐标，进而通过该坐标，可以使加工刀具移动到对应位置，进而完成加工。能够避免同心装夹，允许工作台范围内自由装夹，降低对工件装夹、找正的要求，大大提高装夹找正效率，缩短辅助时间；能够自动补偿偏心装夹引起的工件坐标系变动偏差，避免旋转工件后的反复找正、对刀，既能保证加工质量，又只需一次找正、对刀，极大缩短找正、对刀的辅助时间，大大提高工作效率。综上所述，该四轴机床偏心装夹工件加工方法能够有效地解决长工件加工不方便的问题。
进一步的，为了更好的加工，此处优选还包括：获取所述工作台回转中心相对机床坐标系的X向坐标R30以及Z向坐标R31，以及工件当前加工部初始状态下相对所述工作台回转中心的X向坐标R86以及Z向坐标R87；
所述当前加工部转动后在机床坐标系中的坐标(X2，Z2)按如下公式获取：
X2＝(R86-R30)*COS(R2)-(R87-R31)*SIN(R2)+R30；
Z2＝(R86-R30)*SIN(R2)+(R87-R31)*COS(R2)+R31；其中R2为当前加工部与初始加工部之间的夹角。
其中工件当前加工部初始状态下相对所述工作台回转中心的X向坐标R86以及Z向坐标R87，即为上述步骤100中获取当前工件各个加工部的坐标位置。
此时初始加工部与加工刀具正对设置。当工作台转动一定角度，以使当前加工部正对加工刀具，则意味着该工作台相对于初始状态下转动的角度，等于当前加工部与初始加工部之间的夹角。
具体公式推算如下：
设O0为工作台旋转中心，以此点为原点建立坐标系，O1为工件圆心初始位置，坐标①点即G1为初始加工部在初始状态下的坐标点，C1为当前加工部在初始状态下的位置，∠G1O1C1＝α＝R2。工作台旋转α角度才能使C1正对主轴，即正对刀具。其中A1为B1在O1C1连线上的垂点，B1为C1在Z轴上坐标点，D1为O1G1与B1C1的交点，E1为G1在X轴上坐标点，F1为E1在O1C1上经过D1的垂线上的垂点；J2为C2在X轴上坐标点。
而工件绕工作台旋转中心旋转α角度，O1旋转至O2，即工件个点从A1旋转至A2，B1旋转至B2，……，F1旋转至F2，如此类推。设工作台旋转中心O点的机床坐标值为X轴坐标为R30，Z轴坐标为R31，工件圆半径为R＝R1。求解工件随工作台旋转任意角度后相对初始设定坐标系的坐标值，实际就是求②点的机床坐标值，将该值自动写入加工坐标系的零点偏置。
根据旋转几何分析，其中①点的坐标为：X1＝B1D1+R30，Z1＝E1G1+R31，②点的坐标即：X2＝A2H2+R30，Z2＝J2C2+R31。求②点的机床坐标值实际为求解A2H2、J2C2线段长。
推演过程如下：令O1C1＝O2C2＝O1G1＝工件的圆半径R＝R1
D1C1＝O1C1*SINα＝R*SINα，设为参数R24
O1D1＝R*COSα
D1G1＝O1G1-O1D1＝R-R*COSα，设为参数R26
从①点到②点即工作台旋转α角度，
E1D1＝E1G1-D1G1＝E1G1-(O1G1-O1D1)＝E1G1-(R-R*COSα)＝E1G1+R*(COSα-1)
A1B1＝(B1D1+D1C1)*COSα＝(B1D1+R*SINα)*COSα
D1F1＝E1D1*SINα＝(E1G1+R*(COSα-1))*SINα
根据相等三角形原理，D2F2＝B2H2＝D1F1(因为O0B1＝O0B2＝E1D1，所以三角O0H2B2＝三角形E1F1D1)，A2B2＝A1B1
所以，可以得出A2H2＝A2B2-B2H2＝A1B1-D1F1
A2H2＝(B1D1+R*SINα)*COSα-[E1G1+R*(COSα-1)]*SINα (1)
同理，
A2C2＝A1C1＝(B1D1+D1C1)*SINα＝(B1D1+R*SINα)*SINα
E2F2＝E1F1＝E1D1*COSα＝[E1G1+R*(COSα-1)]*COSα
根据相等三角形原理，A2J2＝O0H2＝E2F2
所以J2C2＝A2C2+A2J2＝A2C2+E2F2
J2C2＝(B1D1+R*SINα)*SINα+[E1G1+R*(COSα-1)]*COSα (2)
为了公式简便及参数化，再设①点X向坐标为R81，Z向坐标为R83，即X1＝B1D1+R30＝R81，Z1＝E1G1+R31＝R83；②点未旋转时原C1点X向坐标为R86，Z向坐标为R87，即R86＝R81+R24，R87＝R83+R26，
A2H2＝A2H2＝(B1D1+R*SINα)*COSα-[E1G1+R*(COSα-1)]*SINα＝(R81-R30+R24)*COSα-(R83-R31+R26)*SINα
J2C2＝(B1D1+R*SINα)*SINα+[E1G1+R*(COSα-1)]*COSα＝(R81-R30+R24)*SINα+(R83-R31+R26)*COSα
因此②点的机床坐标值为：X2＝A2H2+R30，
X2＝A2H2+R30＝(R81-R30+R24)*COSα-(R83-R31+R26)*SINα+R30
所以X2＝(R86-R30)*COS(R2)-(R87-R31)*SIN(R2)+R30(3)
Z2＝J2C2+R31＝J2C2+R31＝(R81-R30+R24)*SINα+(R83-R31+R26)*COSα+R31
所以Z2＝J2C2+R31＝(R86-R30)*SIN(R2)+(R87-R31)*COS(R2)+R31(4)
进一步的，考虑到工作台会在X轴上滑动，所以回转中心容易存在偏差。为了更好的确定回转中心(R30，R31)，此处优选包括如下步骤：
其中X向坐标的具体确定方法可以如下：
步骤111：在工作台Z向中心处且X向非中心处固定千分表，并不要求严格在Z向中心处，只需要大致在Z向中心位置即可，其中千分表可以是磁吸固定在工作台上。
步骤112：在加工部的主轴上固定有检验棒，可以以检验棒位置，为工作台回转中心的零度位置。
步骤113：移动机床使检验棒的侧母线与千分表的表针接触，使主轴慢速转动起来，移动Y轴找到检验棒母线最高点，记下X向机床坐标Mx1(从机床坐标读数中直接获取)或某一个坐标系如G54 X向对刀为零；工作台转180度，同上步骤操作使表针读数与0度时保持一致，记下X向机床坐标Mx2或某一个坐标系如G55 X向对刀为零。那么回转中心坐标X向设为R30＝(Mx1+Mx2)/2或者G54、G55两坐标系中X坐标相加再除以2。
其中X向坐标的具体确定方法可以如下：工作台Z向大约中心处(X向随意)装一试切工件以一把作为基准的刀精铣工件的一面，记下Z向机床坐标Mz1。工作台转180度，精铣工件另一面后记下Z向机床坐标Mz2，用千分尺测量试切工件的厚度W，那么Z向回转中心坐标设为R31＝(Mz1+Mz2-W)/2。
进一步的，为了保证加工满足要求，此处优选还包括将工件固定在所述工作台上后还包括检查所有待加工特征加工余量。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种四轴机床偏心装夹工件加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤100：将工件固定在所述工作台上，获取当前工件各个加工部的坐标位置，并使工件的初始加工部作为当前加工部以正对加工刀具，并对当前加工部所在坐标处进行加工；
步骤200：驱动所述工作台按相邻加工部相对工件圆心的夹角转动，以使得下一个加工部正对加工刀具设置，并作为当前加工部；
步骤300：根据获取当前加工部转动后的坐标，驱动所述加工刀具移动至当前加工部，并使所述加工刀具对当前加工部进行加工；
步骤400：返回所述步骤200直到最后一个加工部加工完成。
2.根据权利要求1所述的四轴机床偏心装夹工件加工方法，其特征在于，还包括：获取所述工作台回转中心相对机床坐标系的X向坐标R30以及Z向坐标R31，以及工件当前加工部初始状态下相对所述工作台回转中心的X向坐标R86以及Z向坐标R87；
所述当前加工部转动后在机床坐标系中的坐标(X2，Z2)按如下公式获取：
X2＝(R86-R30)*COS(R2)-(R87-R31)*SIN(R2)+R30；
Z2＝(R86-R30)*SIN(R2)+(R87-R31)*COS(R2)+R31；其中R2为当前加工部与初始加工部之间的夹角。
3.根据权利要求2所述的四轴机床偏心装夹工件加工方法，其特征在于，所述工作台回转中心的X向坐标确定步骤如下：
步骤111：在工作台Z向中心处且X向非中心处固定千分表；
步骤112：在主轴上固定有检验棒；
步骤113：移动机床使所述检验棒的侧母线与千分表的表针接触，使主轴慢速转动起来，移动Y轴找到检验棒母线最高点，记下X向机床坐标Mx1；工作台转180度，使主轴慢速转动起来，移动Y轴找到检验棒母线最高点，记下X向机床坐标Mx2，另回转中心X向坐标为R30＝(Mx1+Mx2)/2。
4.根据权利要求3所述的四轴机床偏心装夹工件加工方法，其特征在于，所述工作台回转中心的Z向坐标确定步骤如下：作台Z向中心处且X向非中心处装一试切工件，且以一把作为基准的刀精铣工件的一面，记下Z向机床坐标Mz1；工作台转180度，精铣工件另一面后记下Z向机床坐标Mz2，用测量试切工件的厚度W，另回转中心Z向坐标设为R31＝(Mz1+Mz2-W)/2。
5.根据权利要求4所述的四轴机床偏心装夹工件加工方法，其特征在于，所述将工件固定在所述工作台上后还包括检查所有待加工特征加工余量。
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