CN114799294B - 一种复杂面形球体多工序加工用装置及其重复定位方法 - Google Patents

Abstract

一种复杂面形球体多工序加工用装置及其重复定位方法，涉及一种复杂面形球体加工装置及检测方法。采用自带编程并具备刀尖跟随功能的五轴联动机床，采用C‑Y‑Z‑X‑B布局，包括X轴模组、Y轴模组和Z轴模组三个直线轴以及B轴模组和C轴模组两个回转轴，三个直线轴能够在三维坐标系内调节铣刀与工件之间的相对位置，B轴模组边缘安装铣刀和光学检测装置，C轴模组安装专用夹具对所述工件进行装夹固定，两个回转轴能够调节铣刀与工件之间的相对角度。可以实现复杂面形球体多工序加工中的高精度重复定位，从而有效解决重复定位精度难以保证的问题。

Description

一种复杂面形球体多工序加工用装置及其重复定位方法

技术领域

本发明涉及一种复杂面形球体加工装置及检测方法，尤其是一种复杂面形球体多工序加工用装置及其重复定位方法，属于球形复杂曲面的精密加工技术领域。

背景技术

精密与超精密加工技术被广泛应用于航空航天、电子通讯及生物医学领域。随着各领域的需求逐步提升，被加工零件面形精度以及粗糙度的需求逐步增长，同时所需要的面形也逐渐趋于复杂。

当加工简单的平面、球面、自由曲面以及具有微结构的表面时，通常不需要对工件进行多次夹持，往往只需要单工序便可以完成全部的加工工艺。然而，单一工序并不能满足一些领域的需求，如流体力学、核物理等。因此，需要采用多工序加工的方法，对被加工工件的夹持部分去除，从而形成完整的面形。在多工序装夹中，被加工工件的位置及位姿均发生了变化，这就需要对装夹后的工件进行重复定位，然而，如何保证多工序加工的重复定位精度是目前亟需克服的难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复杂面形球体多工序加工用装置及其重复定位方法，它可以实现复杂面形球体多工序加工中的高精度重复定位，从而有效解决重复定位精度难以保证的问题。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

一种复杂面形球体多工序加工用装置，采用自带编程并具备刀尖跟随功能的五轴联动机床，所述五轴联动机床采用C-Y-Z-X-B布局，包括X轴模组、Y 轴模组和Z轴模组三个直线轴以及B轴模组和C轴模组两个回转轴，其中所述 X轴模组和所述Z轴模组垂直排布安装在机床的底座上表面，所述Y轴模组竖向排布与Z轴模组滑动连接，三个直线轴能够在三维坐标系内调节铣刀与工件之间的相对位置，所述B轴模组与X轴模组滑动连接并能够围绕Y轴方向旋转， B轴模组边缘安装所述铣刀和所述光学检测装置，所述C轴模组与Y轴模组滑动连接并能够围绕Z轴方向旋转，C轴模组安装专用夹具对所述工件进行装夹固定，两个回转轴能够调节铣刀与工件之间的相对角度。

一种复杂面形球体多工序加工用装置的重复定位方法，包括以下步骤：

步骤一、根据需求对复杂面形球体的特征参数进行设定；

步骤二、通过特征参数设计复杂球体曲面并生成对应的数控代码；

步骤三、对复杂球体曲面进行首次加工，首次加工的球面需要超过半球体；

步骤四、在首次加工的基础上进行标定区域加工，标定区域内包含沿周向均匀排布的特征点，特征点为弧底凹坑和边缘圆倒角，标定区域位置与首次加工位置不冲突，并需要为二次加工留有加工余量；

步骤五、标定区域加工完成后，将工件拆下后使用专用夹具进行反向掉头安装并对工件进行调心，之后切除多余毛坯部分；

步骤六、利用软件设计在位检测的扫描轨迹，之后利用光学检测装置对标定区域进行扫描；

步骤七、对扫描轨迹及数据采集结果进行合成，生成标定区域在工件坐标系中的实际面形；

步骤八、设定分离条件及次数并利用多次最小二乘法进行数据分离，分别得到球面点及特征点；

步骤九、将得到的球面点及特征点分别拟合球心，将球面点球心作为二次加工零点；

步骤十、将特征点球心利用最小二乘法拟合为一个平面并求解其法向量，该平面的法向量即为偏移向量；

步骤十一、根据平面的法向重新生成二次加工轨迹并进行加工。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：传统的多工序加工重复定位方法大多选用接触式测头采集特征点，然后检测出工件在工件坐标系中的位置及位姿，并不适用于具有复杂面形的球体，存在着一定的局限性，而本发明的装置及方法可以实现复杂球型曲面多工序加工中的高精度重复定位，有效地解决多工序加工中的接刀痕以及位姿偏差过大的问题，从而避免被加工件的用途受到影响。

附图说明

图1是本发明的重复定位方法的流程图；

图2是本发明实施例中加工的类高尔夫球球面的面形设计图；

图3是本发明的复杂面形球体多工序加工用装置的轴测图；

图4是本发明实施例中类高尔夫球球面区域及重复定位特征区域的加工轨迹规划图；

图5是本发明实施例中标定区域扫描合成后的表面形貌图；

图6是本发明实施例中采用多次最小二乘法分离标定区域的流程图；

图7是本发明实施例中多次最小二乘法拟合重复定位位姿示意图；

图8是本发明实施例中位姿偏移前后工件坐标系转换示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，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。

参照图3所示，一种复杂面形球体多工序加工用装置，为自带编程并具备刀尖跟随功能的五轴联动机床，采用C-Y-Z-X-B布局，包括X轴模组2、Y轴模组5和Z轴模组4三个直线轴以及B轴模组3和C轴模组6两个回转轴，其中X轴模组2和Z轴模组4垂直排布安装在底座1上表面，Y轴模组5竖向排布与Z轴模组4滑动连接，三个直线轴能够在三维坐标系内调节铣刀7与工件 9之间的相对位置，B轴模组3与X轴模组2滑动连接并能够围绕Y轴方向旋转，B轴模组3边缘安装铣刀7和光学检测装置8，通过X轴模组2和B轴模组3组成机床的刀具分支，C轴模组6与Y轴模组5滑动连接并能够围绕Z轴方向旋转，C轴模组6安装专用夹具对工件9进行装夹固定，C轴模组6可以非匀速旋转，同时也可以作为高速回转主轴，通过Z轴模组4、Y轴模组5和 C轴模组6组成机床的工件分支，两个回转轴能够调节铣刀7与工件9之间的相对角度，利用该装置对复杂面形球体进行在位检测，复杂面形球体针对的是以球面为主体并在球面上附带凹槽、凹坑、凸起、花纹等特征的，需要多工序加工的面形，将所采集的数据进行处理，实现多工序加工的重复定位。

参照图1所示，一种复杂面形球体多工序加工用装置的重复定位方法，包括以下步骤：

步骤一、根据需求对复杂面形球体的特征参数进行设定；

步骤二、通过特征参数设计复杂球体曲面并生成对应的数控代码；

步骤三、对复杂球体曲面进行首次加工，由于需要对工件9进行重复装夹，首次加工的球面需要超过半球体；

步骤四、在首次加工的基础上进行标定区域加工，标定区域内包含沿周向均匀排布的特征点，特征点为弧底凹坑和边缘圆倒角，标定区域位置与首次加工位置不冲突，并需要为二次加工留有加工余量；

步骤五、标定区域加工完成后，将工件9拆下后使用专用夹具进行反向掉头安装并对工件9进行调心，要求工件9与C轴模组6的回转中心的偏移尽可能小，满足精度要求，之后切除多余毛坯部分；

步骤六、利用软件设计在位检测的扫描轨迹，之后利用光学检测装置8 对标定区域进行扫描；

步骤七、对扫描轨迹及数据采集结果进行合成，生成标定区域在工件坐标系中的实际面形，实际面形点的计算公式为：

其中，(x_a，y_a，z_a)为扫描理论点坐标，理论点坐标与球心点的单位向量为光学检测装置(8)采集数据为d，光学检测装置(8)的零点为d₀，最终生成的实际面形的点坐标为(x_s，y_s，z_s)；

步骤八、设定分离条件及次数并利用多次最小二乘法进行数据分离，分别得到球面点及特征点，具体的，多次最小二乘法的数据处理对象为步骤七所得到的实际面形点，将多次球体最小二乘拟合的次数设定为为t次，t为大于等于1的整数，根据设计的标定区域特征参数，假设理论上所设计的球面点数量为u，弧底凹坑点数量为v，分别将u和v乘以一个0.5-1的比例系数得到U 和V，将U和V结果作为球面点及弧底凹坑点的目标提取数量，进行多次最小二乘法数据处理时，将所有的实际面形点进行球体最小二乘拟合得到球心点坐标(o_x,o_y,o_z)，每个实际面形点的坐标为(x_i,y_i,z_i)，分别计算出每个实际面形点与球心点的距离d_i：

将计算出的d_i值从小到大进行排序，提取出d_i值中前V/t个小的实际面形点作为弧底凹坑点提取，将提取后剩余的实际面形点再次进行球体最小二乘拟合，并重新按照公式计算d_i值并提取出d_i值中前V/t个小的实际面形点作为弧底凹坑点提取，循环进行t次，第t次时将提取后剩余的实际面形点再次求解 d_i值并从大到小进行排序，将d_i值中前U个大的实际面形点作为球面点提取，最终从步骤七所得到的实际面形点中分离出U个球面点和V个弧底凹坑点；

步骤九、将得到的球面点及特征点分别拟合球心，将球面点球心作为二次加工零点；

步骤十、将特征点球心利用最小二乘法拟合为一个平面并求解其法向量，该平面的法向量即为偏移向量；

步骤十一、根据平面的法向重新生成二次加工轨迹并进行加工。

实施例

为验证本发明方法的可行性及可靠性，本实施例选取复杂面形球体中具有代表性的类高尔夫球球面的面形作为加工对象，结合图2所示，类高尔夫球球面的主体为球面，并且球面上有规则排列的弧底凹坑和边缘圆倒角这类特征，弧底凹坑和边缘圆倒角的大小、深度、数量、形状、分布类型都是类高尔夫球球面的重要几何参数。本实施例中设定被加工的球体直径为10.5mm，弧底凹坑和边缘圆倒角沿着球面纬线方向每10°分布一层，对每层沿着经线方向进行个数设置，每个弧底凹坑的深度为0.1mm、直径为3mm，边缘圆倒角的半径为0.5mm。

本实施例采用的五轴联动机床主要特征是具备刀尖跟随功能，即当回转轴回转时可以通过直线轴的补偿从而使工件9与铣刀7的相对位置不发生改变，光学检测装置8选用STIL公司的CL1-MG140型光谱共焦传感器(又称光谱共焦探针)及其专用控制器CCS-Prima，能够实现150μm范围内的有效测量量程，测量精度20nm，并且可测量的最大倾斜角度可达±42.5°。

在重复定位前需要根据轨迹设计方法进行类高尔夫球球面的加工，并对参数进行设定，由于需要对加工工件进行重复装夹，所以首次加工的类高尔夫球球面需要过半，本实施例选择首次加工纬度0°～115°的部分，对应的类高尔夫球球面区域加工轨迹结合图4所示，在类高尔夫球球面加工的基础上，对纬度115°～140°的部分进行标定区域加工，对应的重复定位特征区域加工轨迹结合图4所示。

在标定区域中，纬度135°处添加半径为1mm、深度为0.08mm的弧底凹坑，共计36个沿经线方向等角间距分布。

首次加工完成后将加工工件卸下并切除根部多余毛坯部分，利用专用夹具进行反向安装。

利用编程编写扫描轨迹对标定区域进行扫描，将光谱共焦传感器扫描出的一维曲线与扫描轨迹进行合成，从而得到扫描后的表面形貌结合图5所示。

在计算出表面形貌点后，分离出标定区域的弧底凹坑点、圆球球面点、边缘圆倒角点。

本实施例采用多次最小二乘法进行分离，原理是先将所采集点进行球形最小二乘拟合，剔除一部分最靠近所拟合球心的采集点，然后将剔除剩余的点进行重新最小二乘拟合，本实施例最小二乘拟合次数设定为3次。

在计算前需要根据算法判断出弧底凹坑点、圆球球面点、边缘圆倒角点的理论个数，为了保证所取的点在指定区域内，在分离时需要将不同类型点的理论个数乘以一个小于1的比例系数进行提取，本实例采用0.8作为比例系数进行提取。

本方法能够有效精确地分离出弧底凹坑点、圆球球面点，同时避免了跳动误差的干扰，多次最小二乘法分离标定区域弧底凹坑点、圆球球面点的流程结合图6所示，得到的多次最小二乘法分离结果结合图7所示。

在分别获取弧底凹坑点、圆球球面点、边缘圆倒角点这三类点后，对圆球球面点进行球体最小二乘拟合，将所拟合的球心点作为工件坐标系的原点，然后将弧底凹坑点分别进行球体最小二乘拟合，将拟合出的弧底凹坑中心点再次采用平面最小二乘拟合法拟合成一个平面，将所拟合平面的法向量作为重复定位的位姿向量，通过该标定向量可以计算出重复装夹的位姿误差，包括倾斜误差及回转误差，记录下在位检测所计算出的倾斜偏移和回转偏移，作为二次加工的重要参数。

将计算出的标定向量作为弧底凹坑和边缘圆倒角排布的方向，根据新的方向重新定义各个弧底凹坑和边缘圆倒角在球面的位置，位姿偏移前后工件坐标系转换结合图8所示。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.一种复杂面形球体多工序加工用装置的重复定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、根据需求对复杂面形球体的特征参数进行设定；

步骤二、通过特征参数设计复杂球体曲面并生成对应的数控代码；

步骤三、对复杂球体曲面进行首次加工，首次加工的球面需要超过半球体；

步骤四、在首次加工的基础上进行标定区域加工，标定区域内包含沿周向均匀排布的特征点，特征点为弧底凹坑和边缘圆倒角，标定区域位置与首次加工位置不冲突，并需要为二次加工留有加工余量；

步骤五、标定区域加工完成后，将工件（9）拆下后使用专用夹具进行反向掉头安装并对工件（9）进行调心，之后切除多余毛坯部分；

步骤六、利用软件设计在位检测的扫描轨迹，之后利用光学检测装置（8）对标定区域进行扫描；

步骤七、对扫描轨迹及数据采集结果进行合成，生成标定区域在工件坐标系中的实际面形点，所述实际面形点的计算公式为：

其中，为扫描理论点坐标，理论点坐标与球心点的单位向量为/>，光学检测装置（8）采集数据为d，光学检测装置（8）的零点为d ₀，最终生成的实际面形的点坐标为/>；

步骤八、设定分离条件及次数并利用多次最小二乘法进行数据分离，分别得到球面点及特征点，多次最小二乘法的数据处理对象为步骤七所得到的实际面形点，将多次球体最小二乘拟合的次数设定为t次，t为大于等于1的整数，根据设计的标定区域特征参数，假设理论上所设计的球面点数量为u，弧底凹坑点数量为v，分别将u和v乘以一个0.5-1的比例系数得到U和V，将U和V结果作为球面点及弧底凹坑点的目标提取数量，进行多次最小二乘法数据处理时，将所有的实际面形点进行球体最小二乘拟合得到球心点坐标，每个实际面形点的坐标为/>，分别计算出每个实际面形点与球心点的距离d _i ：

将计算出的d _i 值从小到大进行排序，提取出d _i 值中前V/t个小的实际面形点作为弧底凹坑点提取，将提取后剩余的实际面形点再次进行球体最小二乘拟合，并重新按照公式计算d _i 值并提取出d _i 值中前V/t个小的实际面形点作为弧底凹坑点提取，循环进行t次，第t次时将提取后剩余的实际面形点再次求解d _i 值并从大到小进行排序，将d _i 值中前U个大的实际面形点作为球面点提取，最终从步骤七所得到的实际面形点中分离出U个球面点和V个弧底凹坑点；

步骤九、将得到的球面点及特征点分别拟合球心，将球面点球心作为二次加工零点；

步骤十、将特征点球心利用最小二乘法拟合为一个平面并求解其法向量，该平面的法向量即为偏移向量；

步骤十一、根据平面的法向重新生成二次加工轨迹并进行加工。