CN112355711B - 一种基于cnc机床的工件加工方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于CNC机床的工件加工方法，包括以下步骤：设定探针硬件参数和探测参数；选择应用场景，根据所选择的应用场景设置探点；设置探点参数；获取探测数据；判断探测数据的结果是否符合目标的加工要求，当探测数据的结果达到目标的加工要求时则可以进入下一步的批量加工，当探测数据的结果未达到目标的加工要求时则返回设置探点步骤。由此，极大方便终端用户生产加工，降低用工成本，提高的生产的良品率和生产效率。

Description

一种基于CNC机床的工件加工方法及系统

技术领域

本申请涉及工业控制技术领域，尤其涉及一种基于CNG机床的工件加工方法及系统。

背景技术

在CNC机床加工中，工件加工前需要装夹，然而装夹不精确，造成误差，另外在实际加工过程中，工件也会发生形变或偏移。目前，有人提出的方法就是在加工过程中采用探针对工件进行探测，进而进行补偿，由此探针主要应用于加工过程中所出现的问题，而针对同时存在工件定位以及加工过程中所存在的问题并没有很好地同时将其解决。此外，在实际加工前，对待加工件并没有一个很好的初筛方法，大部分都是将加工毛坯件进行批量加工。然而，在待加工的毛坯件中存在大量不满足直接加工要求的工件，此时若是不能及时将这些不满足加工的毛坯件剔除出来，任由其进入到批量加工程序中则会影响加工的良品率。

发明内容

为了解决以上问题的一个或多个，本申请提供一种基于CNC机床的工件加工方法及系统。

根据本申请的一个方面，提供一种基于CNC机床的工件加工方法，包括以下步骤：设定探针硬件参数和探测参数；选择应用场景，根据所选择的应用场景设置探点；设置探点参数；获取探测数据；

判断探测数据的结果是否符合目标的加工要求，当探测数据的结果达到目标的加工要求时则可以进入下一步的批量加工，当探测数据未达到目标的加工要求时则返回设置探点步骤。

在某些实施方式中，应用场景包括工件轮廓探测和/或工件定位。

在某些实施方式中，当应用场景包括有工件定位时，在设置探点步骤前还包括：获取工件类型，根据工件类型不同获取不同的理论加工位置参数；根据工件的理论加工位置参数对工件进行探点设置，获取探测数据并计算工件实际位置参数。

在某些实施方式中，当应用场景包括有工件定位和工件轮廓探测时，获取探测数据包括以下步骤：在目标工件上任意设置探点数量；根据探点数据计算旋转角度以及偏移值；根据所述的旋转角度以及偏移值进行探测工件并获取最终探测数据；将最终探测数据传输到CNC；CNC根据偏移角度和偏移值对工件坐标做出旋转和平移；CNC根据探点偏差进行工件拟合；判断实际加工是否符合预期：若是则CNC进行加工；若否则停止加工并提示用户。

在某些实施方式中，所述探点数量为偶数，当探点设置为奇数时，在初测探测时自动剔除最后一个探点。

在某些实施方式中，所述探点数据每2个为一组计算旋转角度以及偏移值。

在某些实施方式中，工件拟合采用b样条曲线拟合。

根据本申请的另一个方面，提供一种实现前面任一项所述方法的探针应用系统，包括，显示模块，用于显示生成图形化的刀具路径；编辑模块，用于编辑和设定探针硬件参数和探测参数；数据采集模块，用于获取探针每次的探测数据；数据学习模块，用于工件外形轮廓的探点数据学习；计算处理模块，用于根据设定的参数或实际的探测数据计算并绘制工件外形轮廓路径图形。

根据本申请的另一个方面，提供一种适用于CNC机床的控制装置，包括，至少一个设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一段程序或指令集由所述处理器加载并执行以实现前面任一所述的加工方法。

根据本申请的另一个方面，一种计算机可读存储介质，存储有至少一条指令、至少一端程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一端程序、所述代码集或指令集由处理器加载并执行以实现前面任一项所述的加工方法。

本申请与现有技术相比，具有以下有益效果：

通过探针硬件参数和探测参数的设定，然后根据不同的应用场景进行探点参数设置，由此，可以根据场景的不同需求进行设定，可以同时应对多种场景中所出现的问题，接着通过初次调试以及再次调试获得的探测出具绘制出相应的刀具路径后再判断是否符合目标加工要求，符合目标加工要求的方能进入批量加工，否则要么返回前面的探点设置，要么直接剔除。因此，本申请的加工方法极大方便终端用户生产加工，降低用工成本，提高的生产的良品率和生产效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，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是本申请一实施例提供的基于CNC机床的工件加工方法流程图；

图2是本申请一实施例提供的基于CNC机床的工件加工方法流程图；

图3是本申请一实施例提供的基于CNC机床的工件加工方法流程图；

图4是本申请一实施例提供的基于CNC机床的工件加工方法流程图；

图5是本申请一实施例提供的应用前述方法的探针应用系统；

图6是本申请一实施例提供的适用于CNC机床的控制装置；

图7是本申请一实施例提供的工件定位示意图；

图8是本申请一实施例提供的计算偏转角度和平移量的示意图；

图9是本申请一实施例提供的探测方向的示意图；

图10是本申请一实施例提供的探点设置的示意图；

图11是本申请一实施例提供的探点数据拟合后的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

需要说什么的是，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

实施例1

参照图1可知，一种基于CNC机床的工件加工方法，包括以下步骤：

S11：设定探针硬件参数和探测参数。

具体地，探针硬件参数是指不同品牌的探针或不同类型的探针，比如探针有效信号类型：NPN或PNP。还可以比如无线探针/有线探针，其中，无线探针还需实时监视通讯状态以及无线探针的电池状态。

探测参数包括探测范围、安全高度、探测容差、探测速度、定位速度、探针探测初始角度及其变化增量、工件坐标系、探测坐标系、探测类型、探测完成后做的执行、探针类型等。选择并设定好探针硬件参数和探测参数，由此能为下一步做好准备。

S12：选择应用场景，根据所选择的应用场景设置探点。

具体地，应用场景可以包括工件轮廓探测、工件定位或工件定位结合工件轮廓探测等场景。场景选用的时候，可以根据被加工件的需求高低来进行，用户加工时对于工件的夹具定位具有较高要求时，可以选择工件定位的应用场景后，再结合工件轮廓探测的场景一起对该工件进行探测，以期得到一个精准的定位和加工路径。

S13：设置探点参数；其中，探点参数是指探点理论空间位置，如XYZ坐标，理论探测角度。

S14：获取探测数据。

可以根据所选择的应用场景设置探点，进而获取不同应用场景下的探测数据。比如，轮廓探测点设置一般根据工艺要求来，如果工件轮廓是无规则的工件，如果对整体工件轮廓有要求则需要尽可能设置多个探点，如果仅对个别点有加工要求，则仅仅在指定的位置设置探点即可。

S15：判断探测数据的结果是否符合目标的加工要求，当探测数据的结果达到目标的加工要求时则可以进入下一步的批量加工，当探测数据的结果未达到目标的加工要求时则返回设置探点步骤。

实施例2

参考图2，图2所示的应用场景是工件定位场景。

S21：设定探针硬件参数和探测参数。

具体地，探针硬件参数是指不同品牌的探针或不同类型的探针，比如探针有效信号类型：NPN或PNP。还可以比如无线探针/有线探针，其中，无线探针还需实时监视通讯状态以及无线探针的电池状态。

探测参数包括探测范围、安全高度、探测容差、探测速度、定位速度、探针探测初始角度及其变化增量、工件坐标系、探测坐标系、探测类型、探测完成后做的执行、探针类型等。

选择并设定好探针硬件参数和探测参数，由此能为下一步做好准备。

S22：选择工件定位场景，获取工件类型，根据工件类型的不同获取不同的理论加工位置参数。

S23：根据工件的理论加工位置参数对工件进行探点设置。

具体可以举例说明如下，参照图7可知，如图7的(a)所示，其为一个矩形工件，假设B为理论加工位置，A和C为实际加工位置或路径。

S24：设置探点参数；其中，探点参数是指探点理论空间位置，如XYZ坐标，理论探测角度。

S25：获取探测数据。

S26：判断探测数据的结果是否符合目标的加工要求，当探测数据的结果达到目标的加工要求时则可以进入下一步S27的批量加工，当探测数据的结果未达到目标的加工要求时则返回设置探点步骤。

参照图7可知，如图7的(a)所示，假设B为理论加工位置，A和C为实际加工位置或路径，那么加工A或C路径时，利用探针按照图7的图7的(b)所示探点位置进行探测并获取探测数据，通过这些探测数据计算出工件实际位置，也即计算出工件偏移位置和工件的旋转角度，后期可以根据该实际位置进行加工。

实施例3

参考图3，图3所示的应用场景是工件定位场景和工件轮廓探测。

S31：设定探针硬件参数和探测参数。

具体地，探针硬件参数是指不同品牌的探针或不同类型的探针，比如探针有效信号类型：NPN或PNP。还可以比如无线探针/有线探针，其中，无线探针还需实时监视通讯状态以及无线探针的电池状态。

探测参数包括探测范围、安全高度、探测容差、探测速度、定位速度、探针探测初始角度及其变化增量、工件坐标系、探测坐标系、探测类型、探测完成后做的执行、探针类型等。

选择并设定好探针硬件参数和探测参数，由此能为下一步做好准备。

S32：确定应用场景为工件定位场景和工件轮廓探测场景，获取工件类型，根据工件类型的不同获取不同的理论加工位置参数。

S33：设置探点参数：探点参数是指探点理论空间位置，如XYZ坐标，理论探测角度。

S34：获取探测数据；

S35：判断探测数据的结果是否符合目标的加工要求，当探测数据的结果达到目标的加工要求时则可以进入下一步的批量加工，当探测数据的结果未达到目标的加工要求时则返回设置探点步骤。

获取探测数据的步骤以及判断数据结果是否符合目标加工要求可以图4所示：

S351：在目标工件上任意设置探点数量。

S352：根据探点数据计算旋转角度以及偏移值。

优选地，本步骤具体可以包括：学习系统根据这些探点数据每2个为一组计算旋转角度以及偏移值。根据统计学，如求平均值、去极值或求方差等方式求得最合适的旋转角度以及偏移值。

S353：根据所述的旋转角度以及偏移值进行探测工件并获取最终探测数据。

S354：将最终探测数据传输到CNC。

S356：CNC根据偏移角度和偏移值对工件坐标做出旋转和平移。

S356：CNC根据探点偏差进行工件拟合。

S357：判断实际加工是否符合预期：若是则CNC进行加工；若否则停止加工并提示用户。

以上，计算工件偏移角度和工件平移量，具体地可以参照图8，图中的0点为机床原点。

参考图8的(a)，其为理论位置，其中，0(0，0)、A(X₁，Y₁)、B(X₂，Y₂)；

参考图8的(b)，其为实际位置，其中0(0，0)、A′(X₁′，Y₁′)、B′(X₂′，Y₂′)；

由向量

根据以下公式，即可获取工件偏移角度

平移量为：

ΔX＝(X₂-X₁)-(X₂′-X₁′)

ΔY＝(Y₂-Y₁)-(Y₂′-Y₁′)。

其中，探点设置的时候，对工件的轮廓探测点设置一般根据工艺要求来设定。如高光加工时，对于转角节点和圆弧端面加工要求较高的位置设置探点。若是轮廓无规则的工件，如果对整体工件轮廓有要求则需要尽可能设置多个探点，如果仅对个别点有加工要求，那么仅仅在指定的位置设置探点即可。探点一般用坐标来表示。

如图9所示，探针探测必须要有理论探测点为基础方可继续执行实际探测，实际探测工件空间位置与理论理论空间位置肯定是有偏差，那么在这种情况下进行探测肯定会产生探测误差。从而在实际探测前有必要先探测探测目标工件的实际空间位置。如图9所示，箭头为探测方向：

实际探测时以探针中心为探测对象，但是探针本身有直径，为了方便计算。探针以垂直于切线的方向进行探测为最佳探测方式，如图9的(a)所示，探测结果需要减去一个探针半径。

如果实际工件为斜边，如图9的(b)所示，那么计算探针中心的时候就需要知道斜边的旋转角度(实际中此角度无法获得)才可以计算出实际的探针中心点(最接近实际的探测值)。

所以探针探测前知道实际工件的空间位置之后再根据优化后的探测路径去探测能够极大的减小探测误差，图9的(c)是优化过探测路径后的探测方式。

另外，工件拟合的时候，可以采用B样条曲线拟合。B样条曲线，是B-样条基函数的线性组合，是贝塞尔曲线的一般化。给定n+1个控制点，P₀，P₁，...，P_n以及一个节点向量U＝{u₀，u₁，...，u_m}，p次B-样条曲线由这些控制点和节点向量U定义，其公式为：

在上式中，N_i，p(u)是p次B-样条基函数。

为了定义B-样条基函数，还需要一个参数，基函数的次数(degree)p，第i个p次B-样条基函数，写为N_i，p(u)，递归定义如下：

需要在工件表面设置足够多的探点，探测完成后将数据传输至学习系统学习，系统根据最小二乘法将这些数据拟合出实际工件外形。

可以参照图10所示，假设目标工件为矩形，如(a)所示，箭头指向为目标探测点，如(b)所示，直线为理论图形，圆点连成的线段为实际探测点所拟合成的线段，具体如下：

数据采集：记录上述探点的理论值和实际值，记录此工件为A；

数据学习：每一次探测数据的录入都会被当做学习样本：

(1)单个工件的所有探测点会被当做学习样本用来分析单个工件特性：分析每个探点的误差值，其中，误差值＝理论值-实际值，可以分析出单个实际工件外型、单个工件探测误差分布、误差变化趋势；

(2)所有工件的探测数据也会当做学习样本用来分析批次工件特性：

批量件工件毛坯外型变化趋势、探测误差变化趋势、毛坯件装夹偏差趋势等；

本申请还可以根据单个工件探测数据对批量件进行整体分析为整个加工流程提供参考数据：

比如可以分析批量件工件毛坯外型变化趋势，由此对毛坯加工结果产生约束，检查毛坯成品的良品率。

分析探测误差变化趋势，由此对探针探点选择和探测精度产生约束，为每次轮廓探测提供合理性分析，并主动滤掉异常数据。

图11的(a)所示，其为样本正常数据，图中ABCD探点拟合成一条曲线，(b)其为样本异常数据，B′为异常数据，如果按照异常数据探测值进行加工可能会产生报废品其中，报废与否与产品加工要求有关，此时本方法会根据之前的探测数据进行比对得出合理的探点位置并拟合出最佳曲线，具体方法如下：

对之前探测到数据采用方差的形式获取合理数据，轨迹拟合采用B样条曲线拟合，

其中，Xi：采样数据，X：未知数，n：采样次数采样数据减未知数的差值的平方累加除以采样次数等于采样数据中最小数据的平方。根据此公式得到X值。图11(b)中的曲线b′为优化后的拟合曲线，折线c′为优化后探点位置直连。

还可以分析毛坯件装夹偏差趋势，由此对工件装夹精度产生约束，检查工件装夹以及夹具寿命检查，因为有些加工场合夹具是有使用寿命。

数据计算：根据这些数据，2个为一组计算旋转角度以及偏移值根据统计学(求平均值、去极值或者求方差)方式求得最合适的旋转角度以及偏移值，其中统计学方式按需选择。

图形拟合：系统根据最小二乘法将这些数据拟合出实际轨迹(如图10的(b)，此处拟合的图形为展示图形，便于用户观察。上述B样条曲线为实际加工曲线。

由此，通过这种路径拟合的方法从而使得实际加工路径尽可能的符合目标的路径。所以选择工件定位的应用场景后，再结合工件轮廓探测的场景一起对该工件进行探测，可以得到一个精准的定位和加工路径。

实施例4

参照图5，提供一种实现前面任一实施例所述方法的探针应用系统100，包括，显示模块110，用于显示生成图形化的刀具路径；编辑模块120，用于编辑和设定探针硬件参数和探测参数；数据采集模块130，用于获取探针每次的探测数据；数据学习模块140，用于工件外形轮廓的探点数据学习；计算处理模块150，用于根据设定的参数或实际的探测数据计算并绘制工件路径图形。利用本系统，可以根据不同的应用场景，对待加工工件进行编辑和设定相关的探针的探测参数，极大的方便终端用户生产加工，降低用工成本，降低了工艺人员的要求并提高了生产效率

实施例5

参照图6，提供一种适用于CNC机床的控制装置，包括，至少一个设备包括处理器310和存储器320，所述存储器320中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一段程序或指令集由所述处理器310加载并执行以实现前面任一实施例所述的加工方法。

另外还可以包括：输入装置330和输出装置340。

存储器320作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，如本申请实施例中的加工方法对应的程序指令/模块。处理器310通过运行存储在存储器320中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例的加工方法。

存储器320可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据PDO数据读取装置的使用所创建的数据等。此外，存储器320可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，存储器320可选包括相对于处理器310远程设置的存储器。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

输入装置330可接收输入的数字或字符信息。输出装置340可包括显示屏等显示设备。

所述一个或者多个模块存储在所述存储器320中，当被所述一个或者多个处理器310执行时，执行上述任意方法实施例中的方法。

实施例6

还提供一种计算机可读存储介质，存储有至少一条指令、至少一端程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一端程序、所述代码集或指令集由处理器加载并执行以实现前面任一实施例所述的加工方法。

本申请与现有技术相比，具有以下有益效果：

通过探针硬件参数和探测参数的设定，然后根据不同的应用场景进行探点参数设置，由此，可以根据场景的不同需求进行设定，以防出现混乱设定的问题发生，接着通过初次调试以及再次调试获得的探测出具绘制出相应的刀具路径后再判断是否符合目标加工要求，符合目标加工要求的方能进入批量加工，否则要么返回前面的探点设置，要么直接剔除。因此，本申请的加工方法极大方便终端用户生产加工，降低用工成本，提高的生产的良品率和生产效率。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于CNC机床的工件加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

设定探测参数，所述探测参数包括探针硬件参数；

选择应用场景，根据所选择的应用场景设置探点，所述应用场景包括工件轮廓探测和/或工件定位；

确定应用场景为工件定位场景和工件轮廓探测场景；

获取工件类型，根据工件类型不同获取不同的理论加工位置参数，根据工件的理论加工位置参数对工件进行探点设置；

设置探点参数；

根据工艺要求在目标工件上设置探点数量；

学习系统根据探点数据每2个一组计算旋转角度以及偏移值；

根据所述的旋转角度以及偏移值进行探测工件并获取最终探测数据；

将最终探测数据传输到CNC；

CNC根据偏移角度和偏移值对工件坐标做出旋转和平移；

CNC根据探点偏差进行工件拟合；

判断探测数据的结果是否符合目标的加工要求，当探测数据的结果达到目标的加工要求时则进入下一步的批量加工，当探测数据的结果未达到目标的加工要求时，则停止加工并提示用户，返回设置探点步骤；

其中，学习系统利用单个工件的探测数据作为学习样本分析单个工件特性，包括每个探点的误差值、单个实际工件外形、单个工件探测误差分布、误差变化趋势；所有工件的探测数据用来分析批次工件特性，包括批量工件毛坯外形变化趋势、探测误差变化趋势、毛坯装夹偏差趋势。

2.根据权利要求1所述的一种基于CNC机床的工件加工方法，其特征在于，所述探点数量为偶数，当探点设置为奇数时，在初测探测时自动剔除最后一个探点。

3.根据权利要求1所述的一种基于CNC机床的工件加工方法，其特征在于，所述工件拟合采用B样条曲线拟合。

4.一种实现权利要求1-3任一项所述方法的探针应用系统，包括，

显示模块，用于显示生成图形化的刀具路径；

编辑模块，用于编辑和设定探针硬件参数和探测参数；

数据采集模块，用于获取探针每次的探测数据；

数据学习模块，用于工件外形轮廓的探点数据学习；

计算处理模块，用于根据设定的参数或实际的探测数据计算并绘制工件外形轮廓路径图形。

5.一种实现权利要求1-3任一项所述方法的CNC机床控制装置，包括，

至少一个设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指适用于CNC机床的控制装置令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一段程序或指令集由所述处理器加载并执行以实现权利要求1-3任一所述的加工方法。

6.一种计算机可读存储介质，存储有至少一条指令、至少一端程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一端程序、所述代码集或指令集由处理器加载并执行以实现权利要求1-3任一所述的加工方法。

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