CN114879599A - 一种柔性生产线加工坐标系的动态生成方法 - Google Patents

一种柔性生产线加工坐标系的动态生成方法 Download PDF

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陈波
贾保国
王昭
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Abstract

本发明公开了一种柔性生产线加工坐标系的动态生成方法。在生产线内任一台机床上选定一个标准托盘的固定位置为基准点；预先测定其机床原始坐标；在产品加工前调用用户变量自动生成该机床基准坐标系。然后在包含待加工产品、工装、标准托盘的编程环境下建立三者的理论位置关系；创建一个包含产品初始加工坐标系与机床基准坐标系位置关系的系统宏程序，自动生成机床环境下产品初始加工坐标系。最后在产品初始加工坐标系下创建自动测量找正程序；先测量产品的一个基准边，计算其角度偏差并自动补偿，生成过渡加工坐标系；再测量产品的X、Y、Z方向定位面，计算X、Y、Z方向上产品位置与过渡加工坐标系的位置偏差并修正，生成最终加工坐标系。

Description

一种柔性生产线加工坐标系的动态生成方法
技术领域
本发明涉及数控加工技术领域，特别是关于柔性生产线多台数控加工机床上动态生成工件数控加工坐标系的方法。
背景技术
在数字化加工领域，一切加工运动的数字化控制都是以加工坐标系为基准的。对于在数控机床上加工的每一项零件，首先必须建立特定的加工坐标系以及其与机床原始坐标系的映射关系。
随着加工技术逐渐向智能化方向发展，以数字化加工为基础，融合智能控制技术的柔性生产线制造模式越来越多的应用到加工制造领域。由于柔性生产线制造模式下，所有的机床加工及物流过程都是无人化运行状态，因此，传统的人机交互数控机床操作方式不再可行，数控加工前的对刀、找正以及设定加工坐标系等准备工作不能再依靠人来完成。
对于面向“小批量、多品种”产品制造的柔性生产线来说，快速精确地自动生成成百上千类不断变化的产品的加工坐标系一直是柔性生产线研制的难点。目前通常的解决办法，是针对每项产品，尽可能提高其工装夹具的精度，预先调整好产品在加工机床上的固定位置，并分配一个固定的加工坐标系。但这种传统的解决办法存在的不足也是明显的：对于产品装夹的精度大大提高，加大了自动化装夹系统的制造难度；对于装夹系统带来的误差难以消除，带来一定的产品精度损失，并且随着装夹系统的长期使用，进一步增加了误差波动的范围；特别是对于采用自动交换托盘加工的柔性生产线来说，托盘在机床间的分配调度具有不确定性，再次增加了产品在不同机床上加工的误差积累；此外，对于柔性生产线来说，产品类型变化大、数量多是其主要特点，也是其优势所在，而这种固化的坐标系建立方式对于成百上千类不断变化的产品来说，降低了生产线的柔性。
因此，在保证生产线产品柔性化加工的前提下，形成一种快速精确自动生成所有上线产品加工坐标系的方法，对于更广泛地推广柔性生产线先进制造模式，提升零件加工技术的智能化水平具有重要价值。
发明内容
本发明提供了一种在柔性生产线多台数控加工机床上动态生成工件数控加工坐标系的方法。通过本发明，能够使柔性生产线上任意一项产品，在任意一台数控机床内以无人化方式自动生成对应的加工坐标系，并实现自适应精度补偿以消除托盘交换、工装制造、工件装夹带来的误差。本发明由以下内容共同构成：
一种柔性生产线加工坐标系的动态生成方法，该方法由三部分内容构成：
第一步是柔性生产线内机床基准坐标系的自动生成方法。1)在柔性生产线内任意一台数控机床上，选定一个标准托盘上的固定位置作为基准点，该托盘在数控机床工作台上的位置是相对固定的；2)在柔性生产线内调试阶段，针对线内每台数控机床，预先测定该基准点在机床原始坐标系下的机械坐标，并以系统用户变量形式存储于机床控制系统的用户变量文件中；3)在产品进行自动化加工前，通过系统宏程序方式调用包含基准点机械坐标系统用户变量，自动生成该机床的基准坐标系。
第二步是柔性生产线待加工产品的初始加工坐标系的动态生成方法。
1)在包含待加工产品、工装、标准托盘的数控编程环境下，建立三者之间的理论位置关系并与实际加工保持一致；
2)在托盘基准点建立机床基准坐标系，同时在产品的定位点建立编程环境下的产品初始加工坐标系，该初始加工坐标系与机床基准坐标系可以是平移关系，也可以是平移+旋转关系；
3)在数控编程环境下，创建一个包含产品初始加工坐标系与机床基准坐标系坐标位置关系的数控系统宏程序，该宏程序能通过机床基准坐标系与产品初始加工坐标系的坐标位置关系运算，自动生成机床环境下产品初始加工坐标系；其坐标位置运算关系如下：
当初始加工坐标系与机床基准坐标系是平移关系时，坐标位置运算关系为 X3＝X2+δX，Y3＝Y2+δY，Z3＝Z2+δZ，其中，(X3，Y3，Z3)是初始加工坐标系原点坐标，(X2，Y2，Z2)是机床基准坐标系原点坐标，(δX，δY，δZ)是两坐标系原点X、Y、Z方向坐标差值。
当初始加工坐标系与机床基准坐标系是平移+旋转关系时，坐标位置运算关系为X3＝X2+δX-Xe，Y3＝Y2+δY-Ye，Z3＝Z2+δZ，C3＝C2+δC；
其中，C3是初始加工坐标系角偏置，C2是机床基准坐标系角向偏置，δC 是两坐标系旋转角度差值；Xe＝(X2+δX-X0)-(X2+δX-X0)*COS(-δC)+(Y2+ δY-Y0)*SIN(-δC)，Ye＝(Y2+δY-Y0)-(Y2+δY-Y0)*COS(-δC)-(X2+ δX-X0)*SIN(-δC)；X0，Y0分别是旋转工作台中心X和Y机床原始坐标。
4)在柔性生产线环境下，产品进行自动化加工前，通过系统自动运行该宏程序，自动生成产品所在机床上的产品初始加工坐标系。
第三步是待加工产品最终加工坐标系的自适应生成方法。1)在数控编程环境下，以产品初始加工坐标系为基准，创建测头自动测量找正程序；2)先利用测头测量产品的一个基准边上距离较远的两点或产品两个定位孔心的坐标，计算两点连线与初始加工坐标系的角度偏差，通过数控系统坐标旋转功能绕Z轴旋转产品初始加工坐标系，自动补偿产品角度偏差，生成过渡加工坐标系；3) 再利用测头分别测量产品的X、Y、Z三个方向的定位面，分别计算X、Y、Z三个方向上实际产品的位置与过渡加工坐标系的位置偏差，通过数控系统坐标平移功能分别修正过渡加工坐标系，生成最终加工坐标系；4)在柔性生产线环境下，产品进行自动化加工前，通过系统自动运行该自动测量找正程序，自动生成产品所在机床的最终加工坐标系。
本发明的优点在于：能够使柔性生产线上任意一项产品，在任意一台数控机床内以无人化方式自动生成对应的加工坐标系，产品的加工坐标系不必固化在每台机床上；随着产品变化，加工坐标系会自动创建更新，不受产品数量或坐标系数量限制；通过自适应精度补偿消除了托盘交换、工装制造、工件装夹带来的误差；同时，编制动态生成产品加工坐标系的宏程序不必考虑每台数控机床原始坐标系的差异性，简化了宏程序编制。
附图说明
图1是生成机床基准坐标系的俯视图；
图2是生成机床基准坐标系的侧视图；
图3是生成产品初始加工坐标系的俯视图；
图4是生成产品初始加工坐标系的侧视图；
图5是生成产品最终加工坐标系的俯视图；
图6是生成产品最终加工坐标系的侧视图；
图中编号说明：1机床原始坐标系、2机床工作台、3标准托盘、4托盘基准孔、5机床基准坐标系、6托盘辅定位孔、7机床工作台中心、8产品工装、9 加工产品、10产品初始加工坐标系、11产品侧边定位点、12过渡加工坐标系、 13最终加工坐标系、14测头
具体实施方式
以下结合实施例附图对本申请作详细说明。
本实施例以由若干台数控机床组成的托盘交换式柔性生产线加工坐标系的动态生成过程为例，对发明方案进一步说明。其中，柔性生产线中的数控机床为五坐标数控加工中心，但对于三坐标数控机床、四坐标数控机床、六坐标数控机床均适用；数控系统为Sinumerik840D，但对于其它数控系统均适用；产品进出机床方式为托盘自动交换，托盘在工作台上采用零点定位系统或其它类似方式自动定位装夹；产品的基准找正方式基准边找正，但对于两孔找正、孔边找正方式，也可以适用；机床内测量方式为测头测量。
第一步是基准坐标系5的自动生成，如图1、图2所示。1)在柔性生产线内任意一台数控机床上，通过自动交换送入一个标准托盘3；标准托盘通过零点定位系统自动定位装夹到机床工作台2上；选定一个标准托盘上的基准孔4 的中心作为托盘基准点；2)在柔性生产线内调试阶段，针对线内每台数控机床，预先测定该基准点在机床原始坐标系1下的机械坐标(X，Y，Z)，并以系统用户变量(如CSZUOBIAOXI_X，CSZUOBIAOXI_Y，CSZUOBIAOXI_Z)形式存储于每台机床控制系统的用户变量文件中；3)在产品9进行自动化加工前，通过系统宏程序方式调用包含基准点机械坐标系统用户变量，通过控制系统的坐标系创建指令自动生成该机床的基准坐标系5。宏程序示例如下：
N26$P_UIFR[1,X,TR]＝CSZUOBIAOXI_X；设置托盘基准点G54X偏置
N27$P_UIFR[1,Y,TR]＝CSZUOBIAOXI_Y；设置托盘基准点G54Y偏置
N28$P_UIFR[1,Z,TR]＝CSZUOBIAOXI_Z；设置托盘基准点G54Z偏置
如机床工作台为带C轴旋转工作台，增加指令如下：
N29$P_UIFR[1,C,TR]＝CSZUOBIAOXI_C；设置托盘基准点G54C角偏置
第二步是产品初始加工坐标系10的动态生成，如图3、图4所示。1)在包含待加工产品9、工装8、标准托盘3的模型的数控编程环境下，建立三者之间的理论位置关系并与实际加工保持一致；2)在托盘基准点建立机床基准坐标系5，坐标系方向与实际机床一致；同时在产品的定位点建立编程环境下产品初始加工坐标系10，用于产品的数控编程；3)在数控编程环境下，创建一个包含产品初始加工坐标系10与机床基准坐标系5坐标位置关系的数控系统宏程序，该宏程序能通过机床基准坐标系5与产品初始加工坐标系10的坐标位置关系运算，自动生成机床环境下产品初始加工坐标系；4)在柔性生产线环境下，对产品9进行自动化加工前，通过系统自动运行该宏程序，自动生成产品所在机床上的产品初始加工坐标系10；该产品初始加工坐标系随着产品的更换而自动更新。宏程序示例如下：
N20 R282＝-385；读取机床基准坐标系下程编坐标原点X偏置存入R变量
N21 R283＝-285；读取机床基准坐标系下程编坐标原点Y偏置存入R变量
N22 R284＝369.5；读取机床基准坐标系下程编坐标原点Z偏置存入R变量
N30$P_UIFR[1,X,TR]＝$P_UIFR[1,X,TR]+R282；设置初始加工坐标系G54X 偏置
N31$P_UIFR[1,Y,TR]＝$P_UIFR[1,Y,TR]+R283；设置初始加工坐标系G54Y 偏置
N32$P_UIFR[1,Z,TR]＝$P_UIFR[1,Z,TR]+R284；设置初始加工坐标系G54Z 偏置
如机床工作台为带C轴旋转工作台，且产品加工坐标系与基准坐标系存在旋转角度，宏程序示例如下：
N20 R282＝-385；读取机床基准坐标系下程编坐标原点X偏置
N21 R283＝-285；读取机床基准坐标系下程编坐标原点Y偏置
N22 R284＝369.5；读取机床基准坐标系下程编坐标原点Z偏置
N23 R285＝90；读取机床基准坐标系下程编坐标旋转角度
N24 R275＝$TC_CARR15[1]；读取旋转工作台中心X机床原始坐标
N25 R276＝$TC_CARR16[1]；读取旋转工作台中心Y机床原始坐标
N30$P_UIFR[1,X,TR]＝$P_UIFR[1,X,TR]+R282；设置产品初始加工坐标系 G54X偏置
N31$P_UIFR[1,Y,TR]＝$P_UIFR[1,Y,TR]+R283；设置产品初始加工坐标系 G54Y偏置
N32$P_UIFR[1,Z,TR]＝$P_UIFR[1,Z,TR]+R284；设置产品初始加工坐标系 G54Z偏置
N33$P_UIFR[1,C,TR]＝$P_UIFR[1,C,TR]+R285；设置产品初始加工坐标系 G54C角偏置
N34 R277＝$P_UIFR[1,X,TR]-R275；计算X偏置与转台中心差值
N35 R278＝$P_UIFR[1,Y,TR]-R276；计算Y偏置与转台中心差值
N36 R279＝-R285；角度反向
N37 R280＝R277-R277*COS(R279)+R278*SIN(R279)；计算带C角旋转的X 偏置修正量
N38 R281＝R278-R278*COS(R279)-R277*SIN(R279)；计算带C角旋转的Y 偏置修正量
N39$P_UIFR[1,X,TR]＝$P_UIFR[1,X,TR]-R280；旋转修正后的产品初始加工坐标系G54X偏置
N40$P_UIFR[1,Y,TR]＝$P_UIFR[1,Y,TR]-R281；旋转修正后的产品初始加工坐标系G54Y偏置
第三步是最终加工坐标系13的自适应生成，如图5、图6所示。1)在数控编程环境下，以产品初始加工坐标系10为基准，创建测头自动测量找正程序； 2)先利用测头14测量产品的一个基准边上距离较远的两点11的坐标，通过程序计算两点连线与产品初始加工坐标系10的角度偏差，通过数控系统坐标旋转功能绕Z轴旋转产品初始加工坐标系10，自动补偿产品角度偏差，生成过渡加工坐标系12；3)再利用测头14分别测量产品的X、Y、Z三个方向的定位面，分别计算X、Y、Z三个方向上实际产品的位置与过渡加工坐标系12的位置偏差，通过数控系统坐标平移功能分别修正过渡加工坐标系，生成最终加工坐标系 13；4)在柔性生产线环境下，产品进行自动化加工前，通过系统自动运行该自动测量找正程序，自动生成产品所在机床的最终加工坐标系13，用于后序的产品加工。宏程序示例如下：
…………
；POINT:1位置测量
N35 G0 X 215.197Y70.Z355.654；位置接近
N35 G1 X 215.197Y 70.Z 325.654F3000.；位置接近
N36 L9632(1.000,270,215.197,47.,325.654,50.,9999,9999)；第一点位置测量
N37 R80＝POS_Y；第一点Y坐标
N38 R81＝$AA_IW[X]；第一点X坐标
…………
；POINT:2位置测量
N45 G0 X-146.056Y70.Z355.362；位置接近
N45 G1 X-146.056Y70.Z325.362F3000.；位置接近
N46 L9632(1.000,270,-146.056,47.,325.362,50.,9999,9999)；第二点位置测量
N47 R82＝POS_Y；第二点Y坐标
N48 R83＝$AA_IW[X]；第一点X坐标
…………
N49 R85＝R82-R80；Y坐标差值
N50 R84＝R83-R81；X坐标差值
N51 R86＝ATAN2(R85,R84)；计算角度偏差
N52$P_UIFR[1,C,TR]＝$P_UIFR[1,C,TR]+(R86+180.)；补偿产品加工坐标系角度偏差
；X基准位置测量
…………
N35 G0 X-146.056Y70.Z355.654；位置接近
N35 G1 X-146.056Y 70.Z 325.654F3000.；位置接近
N36 L9632(1.000,270,-146.056,47.,325.654,50.,9999,9999)；X基准位置测量
N37 R87＝POS_X；X基准位置
N30$P_UIFR[1,X,TR]＝R87；设置产品加工坐标系G54X偏置
；Y基准位置测量
…………
N35 G0 X 215.197Y70.Z355.654；位置接近
N35 G1 X 215.197Y 70.Z 325.654F3000.；位置接近
N36 L9632(1.000,270,215.197,47.,325.654,50.,9999,9999)；Y基准位置测量
N37 R87＝POS_Y；Y基准位置
N30$P_UIFR[1,Y,TR]＝R87；设置产品加工坐标系G54Y偏置
；Z基准位置测量
…………
N35 G0 X 215.197Y70.Z355.654；位置接近
N35 G1 X 215.197Y 70.Z 305.654F3000.；位置接近
N36 L9632(1.000,270,215.197,47.,305.654,50.,9999,9999)；Z基准位置测量
N37 R87＝POS_Z；Z基准位置
N30$P_UIFR[1,Z,TR]＝R87；设置产品加工坐标系G54Z偏置。

Claims (4)

1.一种柔性生产线加工坐标系的动态生成方法，其特征在于包含:
步骤1：柔性生产线内机床基准坐标系的自动生成方法；
步骤2：柔性生产线待加工产品的初始加工坐标系的动态生成方法；
步骤3：待加工产品最终加工坐标系的自适应生成方法。
2.根据权利要求1所述的一种柔性生产线加工坐标系的动态生成方法，其特征在于所述的步骤1柔性生产线内机床基准坐标系的自动生成方法，具体过程包括：
2-1在柔性生产线内任意一台数控机床上，选定一个标准托盘上的固定位置作为基准点；
2-2针对柔性生产线内每台数控机床，预先测定该托盘基准点在机床原始坐标系下的机械坐标，并以系统用户变量形式存储于机床控制系统的用户变量文件中；
2-3在产品进行自动化加工前，通过系统宏程序方式调用包含基准点机械坐标系统用户变量，自动生成该机床的基准坐标系。
3.根据权利要求1所述的一种柔性生产线加工坐标系的动态生成方法，其特征在于所述的步骤2：柔性生产线待加工产品的初始加工坐标系的动态生成方法具体过程为：
3-1在包含待加工产品、工装、标准托盘的数控编程环境下，建立三者之间的理论位置关系并与实际加工保持一致；
3-2在托盘基准点建立机床基准坐标系，同时在产品的定位点建立编程环境下的产品初始加工坐标系，该初始加工坐标系与机床基准坐标系是平移关系，或平移+旋转关系；
3-3在数控编程环境下创建一个数控系统宏程序，该宏程序能通过机床基准坐标系与产品初始加工坐标系的坐标位置关系运算，自动生成机床环境下产品初始加工坐标系。当初始加工坐标系与机床基准坐标系是平移关系时，坐标位置运算关系：
X3＝X2+δX，Y3＝Y2+δY，Z3＝Z2+δZ，其中，(X3，Y3，Z3)是初始加工坐标系原点坐标，(X2，Y2，Z2)是机床基准坐标系原点坐标，(δX，δY，δZ)是两坐标系原点X、Y、Z方向坐标差值。当初始加工坐标系与机床基准坐标系是平移+旋转关系时，坐标位置运算关系：
X3＝X2+δX-Xe，Y3＝Y2+δY-Ye，Z3＝Z2+δZ，C3＝C 2+δC
其中，C3是初始加工坐标系角偏置，C 2是机床基准坐标系角向偏置，δC是两坐标系旋转角度差值；Xe＝(X2+δX-X0)-(X2+δX-X0)*COS(-δC)+(Y2+δY-Y0)*SIN(-δC)，Ye＝(Y2+δY-Y0)-(Y2+δY-Y0)*COS(-δC)-(X2+δX-X0)*SIN(-δC)；X0，Y0分别是旋转工作台中心X和Y机床原始坐标；
3-4在柔性生产线环境下运行该宏程序，自动生成产品所在机床的产品初始加工坐标系。
4.根据权利要求1所述的一种柔性生产线加工坐标系的动态生成方法，其特征在于所述的步骤3：待加工产品最终加工坐标系的自适应生成方法，具体过程为：
4-1创建一个测头自动测量找正程序；
4-2该找正程序能利用测头测量产品的一个基准边或两孔心连线与初始加工坐标系的角度偏差，自动补偿产品基准边角度偏差，生成过渡加工坐标系；
4-3再测量产品的X、Y、Z三个方向的定位面，分别计算X、Y、Z三个方向上实际产品的位置与过渡加工坐标系的位置偏差并修正，生成最终加工坐标系用于自动化加工。
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