CN114115114A - 一种三轴机床及万向角度头加工法向特征的工艺方法 - Google Patents

一种三轴机床及万向角度头加工法向特征的工艺方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114115114A
CN114115114A CN202111284797.9A CN202111284797A CN114115114A CN 114115114 A CN114115114 A CN 114115114A CN 202111284797 A CN202111284797 A CN 202111284797A CN 114115114 A CN114115114 A CN 114115114A
Authority
CN
China
Prior art keywords
axis
coordinate system
tool
machine tool
angle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202111284797.9A
Other languages
English (en)
Inventor
叶正茂
凌丽
王育杰
黄顺
柯清禅
雷建华
孙亚蓬
闫竣程
汝枫
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Original Assignee
Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology filed Critical Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Priority to CN202111284797.9A priority Critical patent/CN114115114A/zh
Publication of CN114115114A publication Critical patent/CN114115114A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/19—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by positioning or contouring control systems, e.g. to control position from one programmed point to another or to control movement along a programmed continuous path
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/35—Nc in input of data, input till input file format
    • G05B2219/35349—Display part, programmed locus and tool path, traject, dynamic locus

Abstract

一种三轴机床及万向角度头加工法向特征的工艺方法，步骤如下：(1)在工件表面精确标记法向特征的基准位置；(2)计算万向角度头的刀轴定向角和局部定轴加工时的坐标系定向角；(3)精确调整万向角度头的刀轴方向，使其刀轴矢量与法向特征的特征矢量平行；(4)在万向角度头上装夹用于找正的划针或同类尖端工具，测量其刀长；(5)对刀找正法向特征，建立其局部加工坐标系的加工零点；(6)将万向角度头上的划针或同类尖端工具卸下，换装夹为加工刀具，测量其刀长；(7)根据测量得到的刀长，结合计算所得坐标系定向角，编制带有深度补偿宏变量的数控加工程序。本发明可以在三轴机床上基于万向角度头实现工件法向特征的高精度、低成本的便捷加工。

Description

一种三轴机床及万向角度头加工法向特征的工艺方法
技术领域
本发明涉及一种三轴机床及万向角度头加工法向特征的工艺方法，尤其涉及一种三轴机床加工法向特征的对刀及编程方法，属于数控加工技术领域。
背景技术
目前，加工法向孔、法向凸台、法向平面或其他不规则外形的法向特征时，主要有三种途径：
现有技术一：五轴机床加工。五轴机床由于具备两个旋转轴，刀具相对于工件的姿态可调，在加工法向特征时具有显著的效率和精度优势。
现有技术二：三轴机床+万向转台加工。三轴机床可以为刀具提供3个直线移动自由度，万向转台可以为工件提供2个旋转自由度，理论上可以实现任意角度的法向特征加工。可以通过旋转万向转台，将工件调整到便于加工该法向特征的姿态，然后完成加工，该技术操作简便，易于施工；
现有技术三：三轴机床+万向角度头加工。三轴机床可以为刀具提供3个直线移动自由度，万向角度头可以为刀具提供2个旋转自由度，理论上可以实现任意角度的法向特征加工。可以通过旋转万向角度头，将刀轴调整到便于加工该法向特征的姿态，然后完成加工，该技术方案成本最低。
但上述技术存在如下明显缺点：
现有技术一：五轴机床价格昂贵，普及程度相对三轴机床不高，且其加工成本相对高昂；
现有技术二：受机床行程及万向转台的承重能力限制，面对大尺寸或大重量工件时，适用性较低；同时精密加工用的万向转台一般价格昂贵，其加工成本也较高；
现有技术三：万向角度头成本很低，操作简单，但多用于水平或竖直刀轴方向情况下的加工，面对一般法向特征加工时，在精确对刀找正及深度精确补偿方面缺乏专门的研究与应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决三轴机床+万向角度头加工法向特征时难以精确对刀和实现深度精确补偿的问题，提供一种三轴机床加工法向特征的对刀及编程方法。
本发明通过以下技术方案达到上述目的：
一种三轴机床及万向角度头加工法向特征的工艺方法，包括以下步骤：
A、在工件表面精确标记法向特征的基准位置P；
B、根据法向特征的特征矢量n，计算万向角度头的刀轴定向角，并计算局部加工坐标系定向角；
C、根据计算得到的万向角度头的刀轴定向角，以及局部加工坐标系定向角，精确调整万向角度头的刀轴方向，使其刀轴矢量T与特征矢量n平行；
D、在万向角度头上装夹用于找正的划针或同类尖端工具，测量其刀长L1；
E、对刀找正法向特征，建立法向特征局部加工坐标系的加工零点；
F、将万向角度头上的划针或同类尖端工具卸下，换装夹为加工所用的加工刀具，测量其刀长L2；
G、根据测量得到的刀长L1和L2，结合计算所得坐标系定向角，编制带有深度补偿宏变量的数控加工程序。
步骤A中所述的基准位置P为拟定的法向特征局部加工坐标系的零点位置，且所述标记的方式为划线或机床打点。
步骤B所述特征矢量n为拟定的法向特征局部加工时的刀轴矢量。
步骤B所述万向角度头的刀轴定向角包括刀轴绕水平轴的旋转角度α和绕竖直轴的旋转角度β，其计算过程包括两种情况：
(1)当万向角度头的初始安装形式为A-C摆头式，即刀轴的两个初始旋转角度分别是绕X轴旋转的A角和绕Z轴旋转的C角，则刀轴定向角α和β的计算过程为：
(a)记特征矢量n的坐标为[xn,yn,zn]，zn≥0，且|xn|+|yn|+|zn|≠0；
(b)若zn＝0，且yn＝0，则：
Figure BDA0003332600040000031
(c)若zn＝0，且xn＝0，则：
Figure BDA0003332600040000032
(d)若zn＝0，且xnyn≠0，则：
Figure BDA0003332600040000033
(e)若zn≠0，且yn＝0，则：
Figure BDA0003332600040000034
(f)若zn≠0，且xn＝0，则：
Figure BDA0003332600040000035
(g)若zn≠0，且xnyn≠0，则：
Figure BDA0003332600040000036
(2)当万向角度头的初始安装形式为B-C摆头式，即刀轴的两个初始旋转角度分别是绕Y轴旋转的B角和绕Z轴旋转的C角，则刀轴定向角α和β的计算过程为：
(a)记特征矢量n的坐标为[xn,yn,zn]，zn≥0，且|xn|+|yn|+|zn|≠0；
(b)若zn＝0，且xn＝0，则：
Figure BDA0003332600040000041
(c)若zn＝0，且yn＝0，则：
Figure BDA0003332600040000042
(d)若zn＝0，且xnyn≠0，则：
Figure BDA0003332600040000043
(e)若zn≠0，且xn＝0，则：
Figure BDA0003332600040000044
(f)若zn≠0，且yn＝0，则：
Figure BDA0003332600040000045
(g)若zn≠0，且xnyn≠0，则：
Figure BDA0003332600040000046
步骤B所述局部加工坐标系定向角，包括初始加工坐标系绕其自身Z轴旋转的偏航角φ和进一步绕其自身Y轴旋转的俯仰角θ，偏航角φ和俯仰角θ的计算过程为：
(1)记特征矢量n的坐标为[xn,yn,zn]，zn≥0，且|xn|+|yn|+|zn|≠0；
(2)计算偏航角φ：
Figure BDA0003332600040000051
(3)计算俯仰角θ：
Figure BDA0003332600040000052
步骤C所述的精确调整万向角度头的刀轴方向的具体方法为：
(1)万向角度头刀轴初定位：若万向角度头的初始安装形式为A-C摆头式，则先将万向角度头绕机床坐标系的X轴旋转角度α，再绕机床坐标系的Z轴旋转角度β；若万向角度头的初始安装形式为B-C摆头式，则先将万向角度头绕机床坐标系的Y轴旋转角度α，再绕机床坐标系的Z轴旋转角度β；
(2)旋转机床坐标系：将机床坐标系绕其自身Z轴旋转角度φ，然后进一步绕其自身Y轴旋转角度θ，得到定轴机床坐标系；
(3)打表微调万向角度头刀轴方向：沿着定轴机床坐标系的Z轴移动万向角度头，分别在垂直于定轴机床坐标系XOZ平面的方向和垂直于定轴机床坐标系YOZ平面的方向上打表微调万向角度头的刀轴定向角，使万向角度头的刀轴矢量T与特征矢量n平行。
步骤G所述的数控加工程序，是基于偏航角φ和俯仰角θ进行局部定轴加工时的坐标系旋转后的定轴加工数控程序；所述的补偿宏变量，是将实际测得的刀长L1和L2作为宏变量参与数控程序的坐标计算，调整加工零点在刀轴方向的位置，实现法向特征加工深度的精确补偿控制。
步骤D所述的刀长L1是指划针或同类尖端工具的刀尖点距离万向角度头装刀平面的刀轴方向距离。
步骤E所述对刀找正法向特征的过程为：
使用划针或同类尖端工具的刀尖点，对正步骤A中在工件表面标记的基准位置P，并与之物理接触，然后在机床数控系统中各轴清零，将基准位置P作为加工零点。
步骤F所述的刀长L2是指加工所用的加工刀具的刀尖点距离万向角度头装刀平面的刀轴方向距离。
步骤D和步骤F所述的刀长测量方法为：沿着定轴机床坐标系的Z轴移动万向角度头，先将刀尖压表至一定数值k，并记录此时定轴机床坐标系的Z轴坐标z1，然后将万向角度头的装刀平面压表至同样数值k，并记录此时定轴机床坐标系的Z轴坐标z2，则z2和z1的差值即为待测刀长值。
本发明的有益效果：
针对法向特征五轴加工成本高昂，以及三轴机床结合万向转台加工成本较高且对大型产品适应性低的问题，本发明提供了一种三轴机床及万向角度头加工法向特征的工艺方法，该方法给出了万向角度头刀轴定向角和局部加工坐标系坐标系定向角的计算公式，以及进一步精确调整刀轴方向的方法，并给出了基于划针等工具精确对刀方法，及基于划针等工具和加工刀具刀长的长度补偿方法，可精准定位局部加工坐标系的，实现法向圆孔、凸台等特征的高精度、低成本的便捷加工。
附图说明
图1(a)是万向角度头A-C摆头式安装的加工系统示意图。其中，1表示具有待加工法向特征的工件，2为待加工的法向特征，点P表示法向特征2的基准位置，矢量n为法向特征2的特征矢量，PXPYPZP为法向特征局部加工坐标系；OXMYMZM为机床坐标系；3为万向角度头，角度α为万向角度头3刀轴绕XM轴的待旋转角，角度β为万向角度头3的刀轴绕ZM轴的待旋转角；
图1(b)是万向角度头B-C摆头式安装的加工系统示意图。其中，1表示具有待加工法向特征的工件，2为待加工的法向特征，点P表示法向特征2的基准位置，矢量n为法向特征2的特征矢量，PXPYPZP为法向特征局部加工坐标系；OXMYMZM为机床坐标系；3为万向角度头，角度α为万向角度头3绕YM轴的待旋转角，角度β为万向角度头3的绕ZM轴的待旋转角；
图2是工件1局部加工坐标系PXPYPZP的建立过程，其中PXLYLZL为初始加工坐标系，其各轴与机床坐标系OXMYMZM平行，角度
Figure BDA0003332600040000071
为坐标系PXLYLZL绕其ZL轴旋转得到坐标系PXL1YL1ZL1的偏航角，角度θ为坐标系PXL1YL1ZL1绕其YL1轴旋转得到坐标系PXPYPZP的俯仰角；
图3(a)是万向角度头A-C摆头式安装情况下的刀轴旋转过程示意图，其中矢量n为法向特征2的特征矢量，OXMYMZM为机床坐标系，角度α为万向角度头3绕XM轴的旋转角，角度β为万向角度头3的绕ZM轴的旋转角；
图3(b)是万向角度头B-C摆头式安装情况下的刀轴旋转过程示意图，其中矢量n为法向特征2的特征矢量，OXMYMZM为机床坐标系，角度α为万向角度头3绕YM轴的旋转角，角度β为万向角度头3的绕ZM轴的旋转角；
图4是定轴机床坐标系OXMPYMPZMP的建立过程，其中矢量n为法向特征2的特征矢量，OXMYMZM为机床坐标系，角度
Figure BDA0003332600040000072
为局部加工坐标系PXPYPZP建立所需的偏航角，角度θ为局部加工坐标系PXPYPZP建立所需的俯仰角，机床坐标系OXMYMZM绕ZM轴旋转角度
Figure BDA0003332600040000073
后得到坐标系OXM1YM1ZM1，坐标系OXM1YM1ZM1绕ZM1轴旋转角度θ后得到坐标系机床定轴坐标系OXMPYMPZMP；
图5是使用划针对刀找正并建立加工零点的操作示意图，其中4为划针，点P表示法向特征2的基准位置，划针4的尖端与点P物理接触；
图6是本发明流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明提供的一种三轴机床加工法向特征的对刀及编程方法，可以有效解决三轴机床+万向角度头加工法向特征时的精确对刀及深度精确补偿问题，实现法向特的高精度、低成本的便捷加工。本发明流程如图6所示。
(一)实施例1
万向角度头初始安装形式为A-C摆头式，三轴机床的数控系统为SIEMENS 840D，如图1(a)所示。
本发明的具体实施步骤为：
步骤A、在工件1表面通过划线或机床打点的方式精确标记法向特征2基准位置P；基准位置P为拟定的法向特征2定轴加工时的局部加工坐标系PXPYPZP的零点位置。
步骤B、根据法向特征的特征矢量n，计算万向角度头3的刀轴定向角，包括：绕机床坐标系XM轴的待旋转角度α和绕机床坐标系ZM轴的待旋转角度β；并计算图2所示建立局部定轴加工时的坐标系PXPYPZP所需的坐标系定向角，包括：初始加工坐标系PXLYLZL绕自身ZL轴旋转得到加工坐标系PXL1YL1ZL1的偏航角
Figure BDA0003332600040000085
以及进一步绕自身YL1轴旋转得到加工坐标系PXPYPZP的俯仰角θ；
首先，计算刀轴定向角α和β，过程如下：
(1)记特征矢量n的坐标为[xn,yn,zn]，zn≥0，且|xn|+|yn|+|zn|≠0；
(2)若zn＝0，且yn＝0，则：
Figure BDA0003332600040000081
(3)若zn＝0，且xn＝0，则：
Figure BDA0003332600040000082
(4)若zn＝0，且xnyn≠0，则：
Figure BDA0003332600040000083
(5)若zn≠0，且yn＝0，则：
Figure BDA0003332600040000084
(6)若zn≠0，且xn＝0，则：
Figure BDA0003332600040000091
(7)若zn≠0，且xnyn≠0，则：
Figure BDA0003332600040000092
然后，计算坐标系定向角，包括偏航角
Figure BDA0003332600040000093
和俯仰角θ，过程如下：
(1)记特征矢量n的坐标为[xn,yn,zn]，zn≥0，且|xn|+|yn|+|zn|≠0；
(2)计算偏航角
Figure BDA0003332600040000094
Figure BDA0003332600040000095
(3)计算俯仰角θ：
Figure BDA0003332600040000096
步骤C、根据计算得到的万向角度头刀轴定向角α和β以及图2所示局部定轴加工时的坐标系定向角
Figure BDA0003332600040000097
和θ，精确调整万向角度头的刀轴方向，使其刀轴矢量T与特征矢量n平行，具体步骤为：
(1)万向角度头刀轴初定位，如图3(a)所示：先将万向角度头绕机床坐标系OXMYMZM的XM轴旋转角度α，再绕机床坐标系OXMYMZM的ZM轴旋转角度β；
(2)旋转机床坐标系，如图4所示：将机床坐标系OXMYMZM绕其自身ZM轴旋转角度
Figure BDA0003332600040000098
得到坐标系OXM1YM1ZM1，然后进一步绕坐标系OXM1YM1ZM1的YM1轴旋转角度θ，得到定轴机床坐标系OXMPYMPZMP；
(3)打表微调万向角度头刀轴方向：沿着定轴机床坐标系OXMPYMPZMP的ZMP轴移动万向角度头，分别在垂直于XMPOZMP平面的方向和垂直于YMPOZMP平面的方向上打表微调万向角度头的两个旋转角度，使万向角度头的刀轴矢量T与特征矢量n平行；
步骤D、在万向角度头3上装夹图5所示用于找正的划针4，测量其刀长L1，其中刀长L1是划针的刀尖点距离万向角度头装刀平面的刀轴方向距离；刀长L1的测量方法为：沿着定轴机床坐标系OXMPYMPZMP的ZMP轴移动万向角度头，先将刀尖压表至一定数值，并记录此时定轴机床坐标系OXMPYMPZMP的ZMP轴坐标z1，然后将万向角度头的装刀平面压表至同样数值，并记录此时定轴机床坐标系OXMPYMPZMP的ZMP轴坐标z2，则z2和z1的差值即为待测刀长值L1；
步骤E、对刀找正法向特征2，建立其局部加工坐标系的加工零点。其中对刀找正的方法如图5所示：使用划针4的尖端部位，目视对正基准位置P，并与之物理接触，然后在机床数控系统中各轴清零，建立加工零点；
步骤F、将万向角度头3上的划针4卸下，换装夹为加工所用的钻头、铣刀或砂轮等加工刀具，测量其刀长L2，其中刀长L2是加工所用的钻头、铣刀或砂轮等加工刀具的刀心点距离万向角度头装刀平面的刀轴方向距离，其测量方法与步骤D中刀长L1的测量方法相同。
步骤G、根据测量得到的刀长L1和L2，结合计算所得坐标系定向
Figure BDA0003332600040000101
和θ，编制带有深度补偿宏变量的定轴加工数控程序。根据SIEMENS 840D数控系统的特性:
将刀长L1和L2作为宏变量参与数控程序的坐标计算，其参数变量声明指令如下：
R1＝L1
R2＝L2
根据计算得到的坐标系定向
Figure BDA0003332600040000102
和θ，建立局部加工坐标系的坐标系旋转变换指令如下：
AROT Z
Figure BDA0003332600040000103
AROT Yθ
通过调整加工零点在刀轴方向的位置，实现法向特征加工深度的精确补偿控制，沿刀轴方向调整加工零点位置的指令如下：
TRANS X0.0 Y0.0 Z＝R2-R1
(二)实施例2
万向角度头初始安装形式为B-C摆头式，三轴机床的数控系统为SIEMENS 840D，如图1(b)所示。
本发明的具体实施步骤为：
步骤A、在工件1表面通过划线或机床打点的方式精确标记法向特征2基准位置P；基准位置P为拟定的法向特征2局部加工坐标系PXPYPZP的零点位置。
步骤B、根据法向特征的特征矢量n，计算万向角度头3的刀轴定向角，包括：绕机床坐标系YM轴的待旋转角度α和绕机床坐标系ZM轴的待旋转角度β；并计算图2所示建立局部定轴加工坐标系PXPYPZP所需的坐标系定向角，包括：初始加工坐标系PXLYLZL绕自身ZL轴旋转得到加工坐标系PXL1YL1ZL1的偏航角
Figure BDA0003332600040000114
以及进一步绕自身YL1轴旋转得到局部加工坐标系PXPYPZP的俯仰角θ；
首先，计算刀轴定向α和β，过程如下：
(1)记特征矢量n的坐标为[xn,yn,zn]，zn≥0，且|xn|+|yn|+|zn|≠0；
(2)若zn＝0，且xn＝0，则：
Figure BDA0003332600040000111
(3)若zn＝0，且yn＝0，则：
Figure BDA0003332600040000112
(4)若zn＝0，且xnyn≠0，则：
Figure BDA0003332600040000113
(5)若zn≠0，且xn＝0，则：
Figure BDA0003332600040000121
(6)若zn≠0，且yn＝0，则：
Figure BDA0003332600040000122
(7)若zn≠0，且xnyn≠0，则：
Figure BDA0003332600040000123
然后，计算坐标系定向角，偏航角
Figure BDA0003332600040000127
和俯仰角θ，过程如下：
(1)记特征矢量n的坐标为[xn,yn,zn]，zn≥0，且|xn|+|yn|+|zn|≠0；
(2)计算偏航角
Figure BDA0003332600040000124
Figure BDA0003332600040000125
(3)计算俯仰角θ：
Figure BDA0003332600040000126
步骤C、根据计算得到的万向角度头待旋转角度α和β以及图2所示局部定轴加工时的坐标系定向角
Figure BDA0003332600040000128
和θ，精确调整万向角度头的刀轴方向，使其刀轴矢量T与特征矢量n平行，具体步骤为：
(1)万向角度头刀轴初定位，如图3(b)所示：先将万向角度头绕机床坐标系OXMYMZM的YM轴旋转角度α，再绕机床坐标系OXMYMZM的ZM轴旋转角度β；
(2)旋转机床坐标系，如图4所示：将机床坐标系OXMYMZM绕其自身ZM轴旋转角度
Figure BDA0003332600040000131
得到坐标系OXM1YM1ZM1，然后进一步绕坐标系OXM1YM1ZM1的YM1轴旋转角度θ，得到定轴机床坐标系OXMPYMPZMP；
(3)打表微调万向角度头刀轴方向：沿着定轴机床坐标系OXMPYMPZMP的ZMP轴移动万向角度头，分别在垂直于XMPOZMP平面的方向和垂直于YMPOZMP平面的方向上打表微调万向角度头的两个旋转角度，使万向角度头的刀轴矢量T与特征矢量n平行；
步骤D、在万向角度头3上装夹图5所示用于找正的划针4，测量其刀长L1，其中刀长L1是划针的刀尖点距离万向角度头装刀平面的刀轴方向距离；刀长L1的测量方法为：沿着定轴机床坐标系OXMPYMPZMP的ZMP轴移动万向角度头，先将刀尖压表至一定数值，并记录此时定轴机床坐标系OXMPYMPZMP的ZMP轴坐标z1，然后将万向角度头的装刀平面压表至同样数值，并记录此时定轴机床坐标系OXMPYMPZMP的ZMP轴坐标z2，则z2和z1的差值即为待测刀长值L1；
步骤E、对刀找正法向特征2，建立其局部加工坐标系的加工零点。其中对刀找正的方法如图5所示：使用划针4的尖端部位，目视对正基准位置P，并与之物理接触，然后在机床数控系统中各轴清零，建立加工零点；
步骤F、将万向角度头3上的划针4卸下，换装夹为加工所用的钻头、铣刀或砂轮等加工刀具，测量其刀长L2，其中刀长L2是加工所用的钻头、铣刀或砂轮等加工刀具的刀心点距离万向角度头装刀平面的刀轴方向距离，其测量方法与步骤D中刀长L1的测量方法相同。
步骤G、根据测量得到的刀长L1和L2，结合计算所得坐标系定向
Figure BDA0003332600040000132
和θ，编制带有深度补偿宏变量的定轴加工数控程序。根据SIEMENS 840D数控系统的特性:
将刀长L1和L2作为宏变量参与数控程序的坐标计算，其参数变量声明指令如下：
R1＝L1
R2＝L2
根据计算得到的坐标系定向
Figure BDA0003332600040000133
和θ，建立局部加工坐标系的坐标系旋转变换指令如下：
AROT Z
Figure BDA0003332600040000141
AROT Yθ
通过调整加工零点在刀轴方向的位置，实现法向特征加工深度的精确补偿控制，沿刀轴方向调整加工零点位置的指令如下：
TRANS X0.0 Y0.0 Z＝R2-R1
本发明给出了万向角度头刀轴定向角和局部加工坐标系坐标系定向角的计算公式，以及进一步精确调整刀轴方向的方法，并给出了基于划针等工具精确对刀方法，及基于划针等工具和加工刀具刀长的长度补偿方法，可精准定位局部加工坐标系的，实现法向圆孔、凸台等特征的高精度、低成本的便捷加工。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，并不用以限制本发明，发明的范围由权利要求的范围限定。

Claims (11)

1.一种三轴机床及万向角度头加工法向特征的工艺方法，其特征在于包括以下步骤：
A、在工件表面精确标记法向特征的基准位置P；
B、根据法向特征的特征矢量n，计算万向角度头的刀轴定向角，并计算局部加工坐标系定向角；
C、根据计算得到的万向角度头的刀轴定向角，以及局部加工坐标系定向角，精确调整万向角度头的刀轴方向，使其刀轴矢量T与特征矢量n平行；
D、在万向角度头上装夹用于找正的划针或同类尖端工具，测量其刀长L1；
E、对刀找正法向特征，建立法向特征局部加工坐标系的加工零点；
F、将万向角度头上的划针或同类尖端工具卸下，换装夹为加工所用的加工刀具，测量其刀长L2；
G、根据测量得到的刀长L1和L2，结合计算所得坐标系定向角，编制带有深度补偿宏变量的数控加工程序。
2.根据权利要求1所述的一种三轴机床及万向角度头加工法向特征的工艺方法，其特征在于：步骤A中所述的基准位置P为拟定的法向特征局部加工坐标系的零点位置，且所述标记的方式为划线或机床打点。
3.根据权利要求1所述的一种三轴机床及万向角度头加工法向特征的工艺方法，其特征在于：步骤B所述特征矢量n为拟定的法向特征局部加工时的刀轴矢量。
4.根据权利要求1所述的一种三轴机床及万向角度头加工法向特征的工艺方法，其特征在于：步骤B所述万向角度头的刀轴定向角包括刀轴绕水平轴的旋转角度α和绕竖直轴的旋转角度β，其计算过程包括两种情况：
(1)当万向角度头的初始安装形式为A-C摆头式，即刀轴的两个初始旋转角度分别是绕X轴旋转的A角和绕Z轴旋转的C角，则刀轴定向角α和β的计算过程为：
(a)记特征矢量n的坐标为[xn，yn，zn]，zn≥0，且|xn|+|yn|+|zn|≠0；
(b)若zn＝0，且yn＝0，则：
Figure FDA0003332600030000021
(c)若zn＝0，且xn＝0，则：
Figure FDA0003332600030000022
(d)若zn＝0，且xnyn≠0，则：
Figure FDA0003332600030000023
(e)若zn≠0，且yn＝0，则：
Figure FDA0003332600030000024
(f)若zn≠0，且yn＝0，则：
Figure FDA0003332600030000025
(g)若zn≠0，且xnyn≠0，则：
Figure FDA0003332600030000026
(2)当万向角度头的初始安装形式为B-C摆头式，即刀轴的两个初始旋转角度分别是绕Y轴旋转的B角和绕Z轴旋转的C角，则刀轴定向角α和β的计算过程为：
(a)记特征矢量n的坐标为[xn，yn，zn]，zn≥0，且|xn|+|yn|+|zn|≠0；
(b)若zn＝0，且xn＝0，则：
Figure FDA0003332600030000031
(c)若zn＝0，且yn＝0，则：
Figure FDA0003332600030000032
(d)若zn＝0，且xnyn≠0，则：
Figure FDA0003332600030000033
(e)若zn≠0，且xn＝0，则：
Figure FDA0003332600030000034
(f)若zn≠0，且yn＝0，则：
Figure FDA0003332600030000035
(g)若zn≠0，且xnyn≠0，则：
Figure FDA0003332600030000036
5.根据权利要求4所述的一种三轴机床及万向角度头加工法向特征的工艺方法，其特征在于：步骤B所述局部加工坐标系定向角，包括初始加工坐标系绕其自身Z轴旋转的偏航角
Figure FDA0003332600030000037
和进一步绕其自身y轴旋转的俯仰角θ，偏航角
Figure FDA0003332600030000038
和俯仰角θ的计算过程为：
(1)记特征矢量n的坐标为[xn，yn，zn]，zn≥0，且|xn|+|yn|+|zn|≠0；
(2)计算偏航角
Figure FDA0003332600030000041
Figure FDA0003332600030000042
(3)计算俯仰角θ：
Figure FDA0003332600030000043
6.根据权利要求5所述的一种三轴机床及万向角度头加工法向特征的工艺方法，其特征在于：步骤C所述的精确调整万向角度头的刀轴方向的具体方法为：
(1)万向角度头刀轴初定位：若万向角度头的初始安装形式为A-C摆头式，则先将万向角度头绕机床坐标系的X轴旋转角度α，再绕机床坐标系的Z轴旋转角度β；若万向角度头的初始安装形式为B-C摆头式，则先将万向角度头绕机床坐标系的y轴旋转角度α，再绕机床坐标系的Z轴旋转角度β；
(2)旋转机床坐标系：将机床坐标系绕其自身Z轴旋转角度
Figure FDA0003332600030000044
然后进一步绕其自身y轴旋转角度θ，得到定轴机床坐标系；
(3)打表微调万向角度头刀轴方向：沿着定轴机床坐标系的Z轴移动万向角度头，分别在垂直于定轴机床坐标系XOZ平面的方向和垂直于定轴机床坐标系YOZ平面的方向上打表微调万向角度头的刀轴定向角，使万向角度头的刀轴矢量T与特征矢量n平行。
7.根据权利要求6所述的一种三轴机床及万向角度头加工法向特征的工艺方法，其特征在于：步骤G所述的数控加工程序，是基于偏航角
Figure FDA0003332600030000045
和俯仰角θ进行局部定轴加工时的坐标系旋转后的定轴加工数控程序；所述的补偿宏变量，是将实际测得的刀长L1和L2作为宏变量参与数控程序的坐标计算，调整加工零点在刀轴方向的位置，实现法向特征加工深度的精确补偿控制。
8.根据权利要求1所述的一种三轴机床及万向角度头加工法向特征的工艺方法，其特征在于：步骤D所述的刀长L1是指划针或同类尖端工具的刀尖点距离万向角度头装刀平面的刀轴方向距离。
9.根据权利要求1所述的一种三轴机床及万向角度头加工法向特征的工艺方法，其特征在于：步骤E所述对刀找正法向特征的过程为：
使用划针或同类尖端工具的刀尖点，对正步骤A中在工件表面标记的基准位置P，并与之物理接触，然后在机床数控系统中各轴清零，将基准位置P作为加工零点。
10.根据权利要求1所述的一种三轴机床及万向角度头加工法向特征的工艺方法，其特征在于：步骤F所述的刀长L2是指加工所用的加工刀具的刀尖点距离万向角度头装刀平面的刀轴方向距离。
11.根据权利要求1所述的一种三轴机床及万向角度头加工法向特征的工艺方法，其特征在于：步骤D和步骤F所述的刀长测量方法为：沿着定轴机床坐标系的Z轴移动万向角度头，先将刀尖压表至一定数值k，并记录此时定轴机床坐标系的Z轴坐标z1，然后将万向角度头的装刀平面压表至同样数值k，并记录此时定轴机床坐标系的Z轴坐标z2，则z2和z1的差值即为待测刀长值。
CN202111284797.9A 2021-11-01 2021-11-01 一种三轴机床及万向角度头加工法向特征的工艺方法 Pending CN114115114A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111284797.9A CN114115114A (zh) 2021-11-01 2021-11-01 一种三轴机床及万向角度头加工法向特征的工艺方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111284797.9A CN114115114A (zh) 2021-11-01 2021-11-01 一种三轴机床及万向角度头加工法向特征的工艺方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114115114A true CN114115114A (zh) 2022-03-01

Family

ID=80379756

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111284797.9A Pending CN114115114A (zh) 2021-11-01 2021-11-01 一种三轴机床及万向角度头加工法向特征的工艺方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114115114A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115415846A (zh) * 2022-08-31 2022-12-02 航天材料及工艺研究所 一种基于三轴机床的异型产品法向圆孔高效精密加工方法
CN117300729A (zh) * 2023-10-12 2023-12-29 山东润龙精密机床有限公司 一种基于三轴机床的异型产品法向圆孔高效精密加工方法
CN117300729B (zh) * 2023-10-12 2024-04-30 山东润龙精密机床有限公司 一种基于三轴机床的异型产品法向圆孔高效精密加工方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5319577A (en) * 1992-12-18 1994-06-07 Georgia Tech Research Corporation Orientation sensing system and method for a spherical body
CN106001818A (zh) * 2016-07-26 2016-10-12 青岛金科模具有限公司 适用于电火花机床的万向角度头
CN106807963A (zh) * 2017-01-13 2017-06-09 航天材料及工艺研究所 一种多层材料舱体外层法向孔加工工艺方法
CN106843152A (zh) * 2017-03-06 2017-06-13 航天材料及工艺研究所 一种基于五轴机床在线测量的法向圆孔数控加工方法
CN109531205A (zh) * 2018-12-28 2019-03-29 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 正交式双转台基座可转动数控夹具系统及其调控方法
CN111307102A (zh) * 2020-04-01 2020-06-19 中科院南京天文仪器有限公司 一种光学加工中获得离轴非球面面型特征的方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5319577A (en) * 1992-12-18 1994-06-07 Georgia Tech Research Corporation Orientation sensing system and method for a spherical body
CN106001818A (zh) * 2016-07-26 2016-10-12 青岛金科模具有限公司 适用于电火花机床的万向角度头
CN106807963A (zh) * 2017-01-13 2017-06-09 航天材料及工艺研究所 一种多层材料舱体外层法向孔加工工艺方法
CN106843152A (zh) * 2017-03-06 2017-06-13 航天材料及工艺研究所 一种基于五轴机床在线测量的法向圆孔数控加工方法
CN109531205A (zh) * 2018-12-28 2019-03-29 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 正交式双转台基座可转动数控夹具系统及其调控方法
CN111307102A (zh) * 2020-04-01 2020-06-19 中科院南京天文仪器有限公司 一种光学加工中获得离轴非球面面型特征的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
申毅莉;: "轴流式水轮机叶片三轴与五轴虚拟制造对比研究", 组合机床与自动化加工技术, no. 01, pages 32 - 37 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115415846A (zh) * 2022-08-31 2022-12-02 航天材料及工艺研究所 一种基于三轴机床的异型产品法向圆孔高效精密加工方法
CN117300729A (zh) * 2023-10-12 2023-12-29 山东润龙精密机床有限公司 一种基于三轴机床的异型产品法向圆孔高效精密加工方法
CN117300729B (zh) * 2023-10-12 2024-04-30 山东润龙精密机床有限公司 一种基于三轴机床的异型产品法向圆孔高效精密加工方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109158617B (zh) 控制点驱动投影生成自由曲面车削刀具路径的方法
CN107253102A (zh) 一种异形薄壁复杂结构工件的超精密磨削加工方法
CN111037328B (zh) 一种壳体零件在卧式加工中心的定位方法及加工方法
CN108829038B (zh) 一种刀尖运动轨迹控制算法
CN113695645B (zh) 一种微径金刚石球头铣刀竖直偏置校正方法
CN110524326A (zh) 可转位刀片磨削定位误差补偿方法
CN108907892B (zh) 一种数控机床零点快速标定方法
CN102151866A (zh) 一种基于三球的加工中心多工位坐标统一方法
US20100280650A1 (en) Machining apparatus and machining method
CN113369997B (zh) 一种数控机床摆角精度校验方法
CN114115114A (zh) 一种三轴机床及万向角度头加工法向特征的工艺方法
CN111077849B (zh) 一种五轴数控机床整体叶轮自适应加工方法
CN109531205B (zh) 正交式双转台基座可转动数控夹具系统及其调控方法
CN102049703A (zh) 一种复杂结构零件车铣加工的空间坐标变换方法
CN201833217U (zh) 一种三维定位器
CN110928234A (zh) 一种万向角度铣头的使用方法
CN111552236A (zh) 一种宏微结合的多精度智能数控系统
CN114603399A (zh) 主轴摆动型机床精度补正方法
CN208068016U (zh) 转动机构及其磨床
CN109759627B (zh) 一种数控四轴卧式铣床实现立式转换的方法
Mei et al. Pose and shape error control in automated machining of fastener holes for composite/metal wing-box assembly
CN107942930B (zh) 基于五轴数控系统进行斜边加工的方法
CN213224299U (zh) 一种四轴自检式车削刀盘
CN115302527A (zh) 一种双机器人自动钻铆设备
Xu et al. Geometric error compensation of spherical surface grinding system

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination