CN112286143A - 一种3+2轴机床的坐标自动计算测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3+2轴机床的坐标自动计算测试方法，包括以下步骤：步骤一：获取加工模型，将加工模型的加工面划分为多个区域；步骤二：在每一区域中，获取加工模型加工面的若干法线，并且获取每一法线对应的仰角和方位角并记录；步骤三：获取每一区域中若干法线的仰角平均值，以及方位角平均值并记录，定义同一区域中仰角平均值和方位角平均值为机头方向角，机头方向角的数值与划分的不同区域相对应；步骤四：在操作系统中输入每一区域对应的机头方向角，操作系统控制刀头在每一区域内摆动的方向同时完成刀路。通过采用上述步骤，具有能够利用较短刀具根据较为复杂的加工模型对工件进行加工，同时减少刀头与工件产生碰撞干涉情况的优点。

Description

一种3+2轴机床的坐标自动计算测试方法

技术领域

本发明涉及机床的坐标自动计算方法的技术领域，具体涉及一种3+2轴机床的坐标自动计算测试方法。

背景技术

机床在加工过程中，对于加工参考模型表面形状较为简单平整的，通常会采用较短的刀具安装在机床刀头上，对工件进行加工；但是对于加工参考模型表面形状较为复杂的，加工参考模型表面通常会存在高低不平的转角，采用长度较短的刀具安装在机床刀头上，对工件进行加工，往往会增大机床刀头与工件表面产生碰撞干涉的情况。为了减少机床的刀头与工件产生碰撞干涉的情况，因此通常会采用较长的刀具安装在机床的刀头对工件进行加工，但是较长的刀具在切削过程中通常容易出现断裂的情况，因此在加工过程中通常需要利用较低速度对工件进行加工。虽然这种方式在一定程度上能够提高较长刀具使用寿命的优点，但是加工过程中全程需要通过低速的方式进行加工，这种方式往往会极大的降低加工效率，而现有技术中尚未存在利用较短刀具根据复杂的加工参考模型，并且在加工过程中降低刀头对工件产生碰撞干涉的概率的良好方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种3+2轴机床的坐标自动计算测试方法，具有能够利用较短刀具根据较为复杂的加工参考模型对工件进行加工，同时减少刀头与工件产生碰撞干涉情况的优点。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种3+2轴机床的坐标自动计算测试方法，包括以下步骤：

步骤一：获取加工模型，将加工模型的加工面划分为多个区域；

步骤二：在每一区域中，获取加工模型加工面的若干法线，并且获取每一法线对应的仰角和方位角并记录；

步骤三：获取每一区域中若干法线的仰角平均值，以及方位角平均值并记录，定义同一区域中仰角平均值和方位角平均值为机头方向角，机头方向角的数值与划分的不同区域相对应；

步骤四：在操作系统中输入每一区域对应的机头方向角数据，操作系统控制机床的刀头及刀具在每一区域内摆动的方向并完成刀路。

进一步得，在步骤二中，根据加工模型的加工面等间距建立多个分面，以供机床刀头由外向内依次参照不同分面进行加工；每一分面沿纵横方向等距分出多条加工路径，每条加工上等间距标定若干节点，在每一区域内，对应每一分面获取每一节点的法线，通过法线获取法线的仰角和方位角并记录。

进一步得，加工模型对于斜面、凸弧面和凹弧面等形状较为不规则的，在获取其对应法线的过程中：获取对应加工模型加工面中分面的每一斜面的与水平面之间的夹角数据，在分面的每一斜面上根据加工路径均匀标定若干节点，获取每一节点对应加工模型加工面的平面的法线；

获取对应加工模型加工面中分面的每一凸弧面，在对应加工模型加工面的分面的每一凸弧面上标记若干脊线，脊线与加工路径相重合，脊线沿凸弧面圆弧方向延伸，在每一凸弧面的脊线上标定若干等间距分布的节点，获取每一节点对应凸弧面的法线；

获取对应加工模型加工面中分面的每一凹弧面，在对应加工模型加工面的分面的每一凹弧面上标记若干轮廓线，轮廓线与加工路径相重合，轮廓线沿凹弧面圆弧方向延伸，在每一轮廓线上标定若干等间距分布的节点，获取每一节点对应凹弧面的法线。

进一步得，在步骤二中，获取加工模型的加工面中所有曲面的面积大小，加工模型加工面的曲面面积大小与对应曲面中的区域数量呈正比。

进一步得，对应加工模型的加工面，每一区域的边界作为相邻区域之间的边界。

进一步得，还包括试碰测试步骤：

（A）在步骤三中，根据对应其一区域获取的仰角平均值和方位角平均值，在机床刀头保持方位角不变的情况下，机头逐次绕刀具的刀尖向上翻转当前机头仰角的余角一半的角度，然后对摆动后的机头及刀具根据当前区域内的对应加工模型的加工面进行试碰操作；

（B）每次试碰过程中，判断翻转后的机床刀头与加工模型是否产生碰撞干涉，如是则选取上一次翻转前机床刀头的仰角作为机床实际加工应用的加工仰角，如否，则进行下一步操作；

（C）当翻转后的机床刀头在试碰过程中与加工模型未产生碰撞干涉的情况，则进一步判断机床刀头翻转后的仰角与翻转前刀头的仰角的角度值差是否小于三度，如是，则选取当前翻转后的仰角作为机床实际加工应用的加工仰角；如否，则继续翻转刀头后进行试碰操作。

本发明具有如下有益效果：

1、一种3+2轴机床的坐标自动计算测试方法，为了能够提高机床利用刀具和刀头参照加工模型对工件进行加工的工作效率，同时该刀具为较短的刀具，为了减少由于刀具过短，不发起到良好的避空效果，进而增大刀头与工件产生碰撞干涉的概率，因此在加工过程中需要对刀头的摆动方向进行设定，从而使得刀头在沿刀具进行切削加工的过程中，同时能够自动摆动刀头，从而使刀具的长度方向始终与加工模型的加工面保持近似相互垂直的状态，针对于相同的刀具，则会使刀头每次均能够在保证加工质量的前提下，与机床加工模型的加工面保持相对较远的状态，具有能够利用较短刀具根据较为复杂的加工模型对工件进行加工，同时减少刀头与加工模型表面产生碰撞干涉情况的优点。

2、针对利用装有较短刀具的刀头对加工模型进行碰撞测试的操作，由于机床刀头在处于倾斜状态的过程中，容易使刀具的刀尖造成受力不均的情况，因此刀具的摆动方向需要以刀具的长度方向能够尽可能得呈垂直状态靠近的趋势。在碰撞测试的过程中，根据二分法原理进行测试，每次进行碰撞测试时，均需要绕刀具的刀尖向上翻转刀具此时仰角的余角的一半，定义经过翻转后的刀具与水平面之间的夹角为当前刀具新的仰角，然后对加工模型进行试碰，如果试碰过程与加工模型产生碰撞干涉，则选取上一次翻转钱刀具的仰角作为刀具在该区域内确定的仰角，当每次翻转后进行试碰的过程中刀头均未与加工模型产生碰撞干涉，则翻转至当前刀头新的仰角与上一次刀具翻转前的仰角之间的角度差小于3度时，则以这两个仰角的平均值作为该区域内刀头最终确定的仰角。。

附图说明

图1为本发明的机床自动计算检测的方法流程图。

图2为本发明的法线获取方法流程图。

图3为本发明对于斜面、凸弧面、凹弧面的法线获取方法流程图。

图4为本发明的刀头机刀具试碰测试流程图。

图5为本发明的刀具试碰测试过程的模拟示意图。

图6为本发明的刀头和刀具试碰测试过程的仰角变化模拟图。

图7为本发明的刀头和刀具方位角的模拟示意图。

图8为本发明的斜面、凸弧面和凹弧面的加工路径模型图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。本说明书中所引用的如“上”、“内”、“中”、“左”、“右”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

3+2轴机床是五轴机床的一种，五轴机床也称为五轴联动数控机床，具有高效率、高精度的特点，工件一次装夹就可完成五面体的加工。3+2轴机床的3轴是按照空间坐标分为X，Y，Z轴，其中X轴和Y轴构成机床的水平面，Z轴垂直与XY平面设置，另外的2轴分别是绕X轴转动的转轴和绕Z轴转动的转轴，称为A轴和C（B）轴。

参照图1至图4所示，一种3+2轴机床的坐标自动计算测试方法，包括以下步骤：

步骤一：获取加工模型，将加工模型的加工面划分为多个区域；

步骤二：在每一区域中，获取加工模型加工面的若干法线，并且获取每一法线对应的仰角和方位角并记录，其中仰角为与水平面的夹角，方位角将基准坐标XY平面上的与X轴所形成的夹角；

步骤三：获取每一区域中若干法线的仰角平均值，以及方位角平均值并记录，定义同一区域中仰角平均值和方位角平均值为机头方向角，机头方向角的数值与划分的不同区域相对应；

步骤四：在操作系统中输入每一区域对应的机头方向角数据，操作系统控制机床的刀头及刀具在每一区域内摆动的方向并完成刀路，其中系统是powermill软件操作系统。

具体的，由于本发明为了提高加工效率，因此机床的刀头安装的是较短的刀具。而加工模型的加工是较为复杂的异型面，故而机床刀头需要根据加工模型加工面的位置的不同，从而调节刀头的方向，因此在步骤一通过对获取的加工模型的加工面划分成多个区域，使得刀头处于其中某一区域内时，可以根据特定的方式使刀头旋转至特定方向，从而达到满足适应加工模型加工面不同位置的作用，从而便于进行下一步的操作。

进一步的，在每一个区域内对应加工模型的加工面获取多条法线，以及法线对应的仰角和方位角，因此当刀头移动到加工模型相应区域内时，可以将刀头摆动至对应法线的仰角和方位角相应的位置，从而使刀头与法线相互平行设置，这样在该区域内刀头上的刀具与加工模型的加工面垂直，故而可以减少刀头与加工模型产生碰撞干涉的情况。

进一步的，由于加工模型的加工面的法线有无数条，在其中一个区域内，若干法线的朝向基本一致，通过获取每一区域中若干法线的仰角平均值和方位角平均值并记录，并且与获取的仰角平均值和方位角平均值作为刀头对应于该区域内的仰角和方位角摆动情况，因此刀头位于该区域内时摆动的角度是确定的，可以减少刀头不停摆动而降低加工模型表面质量的情况。

进一步的，将每一区域对应获取的仰角平均值和方位角平均值输入到操作系统内，当刀头运动至指定区域内，即会摆动相应的位置，完成刀路。

参照图1至图8所示，在步骤二中，根据加工模型的加工面等间距建立多个分面，以供机床刀头由外向内依次参照不同分面进行加工；每一分面沿纵横方向等距分出多条加工路径，每条加工上等间距标定若干节点，在每一区域内，对应每一分面获取每一节点的法线，通过法线获取法线的仰角和方位角并记录。

具体的，在步骤二中根据加工模型的加工面等间距建立多个分面，并且在分面上建立多条加工路径，故而参照加工模型由外向内对应逐一对应不同分面上加工路径对机床上的工件进行加工，在沿加工路径运动的过程中，当刀头运动至不同区域内时，刀头对根据该区域内对应当前参照的分面的仰角平均值和方位角平均值摆动刀头，从而达到减少刀头与工件产生碰撞干涉的情况。另外的，将每一分面上的法线与每一分面的加工路径上的节点相对应起来，由于节点的标定是呈有规律的状态进行分布的，进而使法线位置的寻找更加有迹可循，同时使法线能够均匀地分布在区域内对应的分面上，从而使每一区域内对应不同分面获取的仰角平均值和方位角平均值更加准确。

参照图1至图8所示，由于加工模型中存在斜面、凸弧面和凹弧面等不规则面，为了便于获取其法线信息：

获取对应加工模型加工面中分面的每一斜面的与水平面之间的夹角数据，在分面的每一斜面上根据加工路径均匀标定若干节点，获取每一节点对应加工模型加工面的平面的法线。在该过程中，由于加工模型的斜面呈倾斜状态，对应的分面也会存在与加工模型中一致的斜面，而加工模型中斜面的倾斜角度是相对固定的，因此可以通过获取加工模型加工面上与水平面之间的夹角数据，以及获取对应加工模型加工面的每一分面上的斜面均匀分布的节点，从而方便获取每一节点对应加工模型相应平面的法线。

获取对应加工模型加工面中分面的每一凸弧面，在对应加工模型加工面的分面的每一凸弧面上标记若干脊线，脊线与加工路径相重合，脊线沿凸弧面圆弧方向延伸，在每一凸弧面的脊线上标定若干等间距分布的节点，获取每一节点对应凸弧面的法线；在该过程中，根据加工模型凸弧面的形状特点，通过标记若干脊线，同时在脊线上标定若干等间距的节点，从而便于获取每一节点对应凸弧面的法线。另外的，当凸弧面是倒圆角成型的棱边时，则在脊线的中点位置标定节点后，获取节点对应凸弧面的法线。

获取对应加工模型加工面中分面的每一凹弧面，在对应加工模型加工面的分面的每一凹弧面上标记若干轮廓线，轮廓线与加工路径相重合，轮廓线沿凹弧面圆弧方向延伸，在每一轮廓线上标定若干等间距分布的节点，获取每一节点对应凹弧面的法线。在该过程中，根据加工模型凹弧面的形状特点，通过标记若干轮廓线，同时在轮廓线上标定若干等间距的节点，从而便于获取每一节点对应凹弧面的法线。

具体的，将加工模型的加工面的不规则面划分为斜面、凸弧面和凹弧面三种不同形式，且加工模型的分面与加工模型的加工面是相互对应且相互平行的，通过在分面上对应斜面、凸弧面和凹弧面的位置均匀标定及节点，从而使在分面获取对应加工模型加工面上法线的方法更加简便。

参照图1至图8所示，在步骤二中，获取加工模型的加工面中所有曲面的面积大小，加工模型加工面的曲面面积大小与对应曲面中的区域数量呈正比，从而使得加工面模型上对应加工面的加工区域数量能够与加工模型加工面中对应曲面的面积相对应，使得在加工模型加工面上划分的区域数量与加工模型加工面上对应曲面的面积大小呈正比例的关系，即加工模型加工面上对应曲面的面积越大，则该曲面划分的区域数量越多，从而使加工模型加工面的若干曲面上的区域大小基本一致。

对应加工模型的加工面，每一区域的边界作为相邻区域之间的边界。具体的，将每一区域的边界作为相邻区域的边界，从而相邻的区域都是相互连续的，以便于通过刀头对工件表面进行加工最终形成整体的加工模型。

参照图1至图8所示，利用装有较短刀具的刀头对加工模型进行碰撞测试：

（A）在步骤三中，根据对应其一区域获取的仰角平均值和方位角平均值，在机床刀头保持方位角不变的情况下，机头逐次绕刀具的刀尖向上翻转当前机头仰角的余角一半的角度，然后对摆动后的机头及刀具根据当前区域内的对应加工模型的加工面进行试碰操作；

（B）每次试碰过程中，判断翻转后的机床刀头与加工模型是否产生碰撞干涉，如是则选取上一次翻转前机床刀头的仰角作为机床实际加工应用的加工仰角，如否，则进行下一步操作；

（C）当翻转后的机床刀头在试碰过程中与加工模型未产生碰撞干涉的情况，则进一步判断机床刀头翻转后的仰角与翻转前刀头的仰角的角度值差是否小于三度，如是，则选取当前翻转后的仰角作为机床实际加工应用的加工仰角；如否，则继续翻转刀头后进行试碰操作。

具体的，针对利用装有较短刀具的刀头对加工模型进行碰撞测试的操作，由于机床刀头在处于倾斜状态的过程中，容易使刀具的刀尖造成受力不均的情况，因此刀具的摆动方向需要以刀具的长度方向能够尽可能得呈垂直状态靠近的趋势。在碰撞测试的过程中，根据二分法原理进行测试，每次进行碰撞测试时，均需要绕刀具的刀尖向上翻转刀具此时仰角的余角的一半，定义经过翻转后的刀具与水平面之间的夹角为当前刀具新的仰角，然后对加工模型进行试碰，如果试碰过程与加工模型产生碰撞干涉，则选取上一次翻转钱刀具的仰角作为刀具在该区域内确定的仰角，当每次翻转后进行试碰的过程中刀头均未与加工模型产生碰撞干涉，则翻转至当前刀头新的仰角与上一次刀具翻转前的仰角之间的角度差小于3度时，则以这两个仰角的平均值作为该区域内刀头最终确定的仰角。

更具体的，在对装有较短刀具的刀头进行试碰测试的过程中，通过获取刀头相对与每一节点位置的法线数据，从而获取不同位置下法线的仰角和方位角数据，其中仰角为与水平面的夹角，方位角将基准坐标XY平面上的与X轴所形成的夹角；故而，定义仰角数值为a，方位角为θ，则法线仰角的余角为（90-a）度，在测试过程中，将刀头绕刀具的尖端朝上翻转（90-a）/2度后，利用刀具与加工模型表面的加工面进行试碰，从而检测刀具与加工模型是否存在碰撞干涉的情况，当产生干涉则选取刀头翻转前的仰角a作为机床的刀头最终加工时的仰角；当未产生干涉时，则定义刀头当前新的仰角为a1，然后继续安装此前每次翻转刀头当前仰角的余角一半的角度，然后继续进行试碰测试，检测刀头的刀具与加工模型是否存在碰撞干涉的情况，入未产生碰撞干涉，定义刀头当前新的仰角为a2，通过判断仰角a2与前一次仰角a1之间的角度差是否小于3度，如是则选取当前刀头的仰角作为机床加工过程的仰角；如否，则继续采用上步骤的操作对刀头进行翻转，同时利用刀头上的刀具对加工模型进行试碰，致使刀头的刀具与加工容易产生碰撞干涉或当前的刀头仰角与前一次的刀头仰角之间的角度差小于3度位置。

工作原理：本发明为了能够提高机床利用刀具和刀头参照加工模型对工件进行加工的工作效率，同时该刀具为较短的刀具，为了减少由于刀具过短，不发起到良好的避空效果，进而增大刀头与工件产生碰撞干涉的概率，因此在加工过程中需要对刀头的摆动方向进行设定，从而使得刀头在沿刀具进行切削加工的过程中，同时能够自动摆动刀头，从而使刀具的长度方向始终与加工模型的加工面保持近似相互垂直的状态，针对于相同的刀具，则会使刀头每次均能够在保证加工质量的前提下，与机床加工模型的加工面保持相对较远的状态，具有能够利用较短刀具根据较为复杂的加工模型对工件进行加工，同时减少刀头与加工模型表面产生碰撞干涉情况的优点。

本发明的实施方式不限于此，按照本发明的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或组合，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种3+2轴机床的坐标自动计算测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：获取加工模型，将加工模型的加工面划分为多个区域；

步骤二：在每一区域中，获取加工模型加工面的若干法线，并且获取每一法线对应的仰角和方位角并记录；

步骤三：获取每一区域中若干法线的仰角平均值，以及方位角平均值并记录，定义同一区域中仰角平均值和方位角平均值为机头方向角，机头方向角的数值与划分的不同区域相对应；

步骤四：在操作系统中输入每一区域对应的机头方向角数据，操作系统控制机床的刀头及刀具在每一区域内摆动的方向并完成刀路。

2.根据权利要求1所述的一种3+2轴机床的坐标自动计算测试方法，其特征在于：在步骤二中，根据加工模型的加工面等间距建立多个分面，以供机床刀头由外向内依次参照不同分面进行加工；每一分面沿纵横方向等距分出多条加工路径，每条加工路径上等间距标定若干节点，在每一区域内，对应每一分面获取每一节点的法线，通过法线获取法线的仰角和方位角并记录。

3.根据权利要求2所述的一种3+2轴机床的坐标自动计算测试方法，其特征在于：获取对应加工模型加工面中分面的每一斜面的与水平面之间的夹角数据，在分面的每一斜面上根据加工路径均匀标定若干节点，获取每一节点对应加工模型加工面的平面的法线；

获取对应加工模型加工面中分面的每一凸弧面，在对应加工模型加工面的分面的每一凸弧面上标记若干脊线，脊线与加工路径相重合，脊线沿凸弧面圆弧方向延伸，在每一凸弧面的脊线上标定若干等间距分布的节点，获取每一节点对应凸弧面的法线；

获取对应加工模型加工面中分面的每一凹弧面，在对应加工模型加工面的分面的每一凹弧面上标记若干轮廓线，轮廓线与加工路径相重合，轮廓线沿凹弧面圆弧方向延伸，在每一轮廓线上标定若干等间距分布的节点，获取每一节点对应凹弧面的法线。

4.根据权利要求1所述的一种3+2轴机床的坐标自动计算测试方法，其特征在于：在步骤二中，获取加工模型的加工面中所有曲面的面积大小，加工模型加工面的曲面面积大小与对应曲面中的区域数量呈正比。

5.根据权利要求2所述的一种3+2轴机床的坐标自动计算测试方法，其特征在于：对应加工模型的加工面，每一区域的边界作为相邻区域之间的边界。

6.根据权利要求1所述的一种3+2轴机床的坐标自动计算测试方法，其特征在于，还包括试碰测试步骤：

（A）在步骤三中，根据对应其一区域获取的仰角平均值和方位角平均值，在机床刀头保持方位角不变的情况下，机头逐次绕刀具的刀尖向上翻转当前机头仰角的余角一半的角度，然后对摆动后的机头及刀具根据当前区域内的对应加工模型的加工面进行试碰操作；

（B）每次试碰过程中，判断翻转后的机床刀头与加工模型是否产生碰撞干涉，如是则选取上一次翻转前机床刀头的仰角作为机床实际加工应用的加工仰角，如否，则进行下一步操作；

（C）当翻转后的机床刀头在试碰过程中与加工模型未产生碰撞干涉的情况，则进一步判断机床刀头翻转后的仰角与翻转前刀头的仰角的角度值差是否小于三度，如是，则选取当前翻转后的仰角作为机床实际加工应用的加工仰角；如否，则继续翻转刀头后进行试碰操作。

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