CN115415846A - 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 - Google Patents

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赵建设
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柯清禅
尤洁
常文
邵与君
闫竣程
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Abstract

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，包括：建立三轴机床主轴端面定位点到万向角度头的装刀端面定位点的坐标数据关系方程、刀具长度补偿后三轴机床主轴端面定位点的坐标计算方程；基于计算方程，开发具有长度补偿功能的专用后处理程序，该程序可将万向角度头的固有参数及刀具有效摆长作为参数输入，将无刀长的刀位源文件后置处理成适应不同装刀长度的数控加工程序；将三轴机床主轴端面定位点对刀至工件加工坐标系零点，然后安装万向角度头，调整刀轴矢量与法向圆孔的轴向平行，将刀具有效摆长作为参数输入开发的专用后处理程序，生成基于实际装刀长度的数控加工程序，执行完成加工。实现法向圆孔的高精度、低成本、高便捷性加工。

Description

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
技术领域
本申请涉及数控加工的技术领域，特别是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。
背景技术
孔是各类机械零部件中的常见特征，孔加工也是常见的机械加工类型，包括钻孔、铣孔、镗孔等。当孔的中心轴线与机床的直线轴平行时，施工便捷性较高，而当孔的中心轴线与机床的直线轴存在一定角度时，此类法向孔的加工就比较依赖五轴机床，因为五轴机床具有两个旋转轴，可以实现刀具与工件姿态相对位置的精准调节，从而实现法向孔的精密加工。某型号异型面对称结构战斗部舱产品的起吊孔加工为典型的法向孔加工，早期均采用龙门五轴机床进行加工，如图1(a)所示。
由于五轴设备价格昂贵，因此三轴机床结合万向角度头的定轴加工工艺成为了法向孔低成本、便捷加工的较优选择。但由于万向角度头的角度调节依靠手工进行，当刀轴方向不平行于机床各直线轴时，其精确对刀及精加工数控编程就成为了行业难题。
发明内容
本发明的技术解决问题是：为了解决三轴机床+万向角度头加工法向圆孔时对刀过程可操作性差、精度不高、以及缺乏有效的精加工数控方法的问题。本申请公开了一种基于三轴机床的法向圆孔高效精密加工方法，可生成与实际装刀长度匹配的加工程序，从而实现法向圆孔的高精度、低成本、和高便捷性加工。
本发明的技术解决方案是：
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，包括，
装卡待加工产品并找正，建立工件坐标系，三轴机床主轴端面定位点P对刀至工件坐标系零点，然后在三轴机床主轴端面位置安装万向角度头；
按照法向圆孔在待加工产品上的理论中心位置和方向，获得待加工产品在工件坐标系的法向孔矢量坐标、法向孔的中心点坐标；在万向角度头安装刀具，调整万向角度头使刀具轴线与待加工产品的法向圆孔轴线平行；
通过刀轨编程软件获得在工件坐标系下的法向孔三轴加工刀路轨迹，生成无刀长数据的三轴机床主轴端面定位点P在工件坐标系中的刀轨源文件；
根据所述三轴机床主轴端面定位点P的刀轨源文件、万向角度头的固有参数、刀具有效摆长，通过数据处理模块进行处理，获得基于实际装刀长度的数控加工程序；
将所述数控加工程序传输至机床数控系统并运行，实现法向圆孔的加工。
所述数据处理模块：建立三轴机床主轴端面定位点P到万向角度头装刀平面定位点M的坐标数据关系方程，并结合万向角度头的固有参数、刀具有效摆长，获得刀具的刀心点C的坐标关于P点坐标的关系方程，根据刀具的刀心点 C的坐标关于P点坐标的关系方程转换得到刀具刀心点C的刀轨源文件，进而生成最终的基于实际装刀长度的数控加工程序。
所述万向角度头的固有参数包括：装刀端面定位点M到万向角度头装刀轴线与三轴机床主轴轴线的交点Q的距离L0，以及角度头安装在机床上之后Q 点到三轴机床主轴端面定位点P的距离L1。
所述刀具有效摆长为万向角度头装刀端面定位点M到刀心点C的距离L 与L0之和。
所述点P到定位点M的坐标关系方程为：
Figure BDA0003825328280000021
其中，rP表示主轴端面定位点P在工件坐标系中的径矢，rM表示装刀端面定位点M在工件坐标系中的径矢，
Figure BDA0003825328280000022
为装刀端面定位点M到万向角度头装刀轴线与三轴机床主轴轴线的交点Q的向量，
Figure BDA0003825328280000023
为万向角度头装刀轴线与三轴机床主轴轴线的交点Q到三轴机床主轴端面定位点P的向量。
所述C点坐标关于P点坐标的关系式为：
Figure BDA0003825328280000031
其中，P在工件坐标系中的坐标为[xP,yP,zP]T；点C在工件坐标系中的坐标为[xC,yC,zC]T；万向角度头装刀轴线方向的单位矢量为n，n在工件坐标系中的坐标记为[i,j,k]T。
所述调节万向角度头使刀具轴线与待加工产品的法向圆孔轴线平行的方法为：首先根据待加工产品的待加工法向孔在加工坐标系下的理论轴线方向，根据理论轴线方向确定目标角度，参考万向角度头的刻度盘，将万向角度头调整到目标角度，然后万向角度头装夹校验棒，通过杠杆表测量校验棒在法向孔轴线方向的跳动来精校正万向头的轴线与待加工法向孔的轴线平行。
所述待加工产品上设有精基准，精基准用于产品精找正、对刀、建立加工坐标系。
所述精基准为定位安装孔，定位安装孔设置于待加工产品2个安装端面上，每个安装端面设置的2个安装定位孔的轴向平行，且定位安装孔的轴线方向与机床的坐标轴方向平行。
所述机床数控系统根据基于实际装刀长度的数控加工程序、待加工法向孔矢量坐标、法向孔的中心点坐标，使万向角度头装夹的刀具的刀心点C沿着待加工法向孔矢量坐标的方向进行定轴运动，实现法向圆孔的精密加工。
综上所述，本申请至少包括以下有益技术效果：
提供了一种基于三轴机床+万向角度头的法向圆孔快捷加工方法，可以快速、高精度地找正法向圆孔，并高效生成法向圆孔加工的数控加工程序，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。
提供了一种法向圆孔定轴加工的快捷对刀找正方法，研究了基于三轴机床和万向角度头的定轴加工中刀具长度补偿的基本原理，推导出刀具长度补偿后三轴机床主轴端面定位点的坐标计算方程；然后，基于提供的算法原理，开发出带有装刀长度补偿的后置处理程序，可高效生成基于实测装刀长度的数控加工程序，能够实现法向圆孔的高精度、低成本、和高便捷性加工。
附图说明
图1为本申请实施例中应用的型号背景，图1(a)为某型号异型面对称结构战斗部舱产品的斜孔采用龙门五轴机床进行加工的示意图，图1(b)为某型号异型面对称结构战斗部舱产品斜孔加工改用该专利方法的实施图。
图2为本申请实施例中三轴机床、万向角度头及对应加工系统的示意图。
附图标记说明：1表示三轴机床主轴滑枕，2表示主轴端面，3表示万向角度头，4表示待加工工件，5表示待加工的法向圆孔；点P为主轴端面2的中心点，即主轴端面定位点，点Q为万向角度头3的装刀轴线与三轴机床主轴轴线的交点，点M为万向角度头3的装刀端面定位点，点C为所安装刀具的刀心点。OMXMYMZM为机床坐标系，OWXWYWZW为工件坐标系，在工件坐标系 OWXWYWZW中，矢量n为万向角度头装刀轴线方向的单位矢量，矢量m为法向圆孔5的中心轴向矢量，L为刀心点C到角度头定位点M的刀轴方向的距离， L0为角度头定位点M到点Q的刀轴方向的距离，角度头安装在机床上时，L1为点Q到机床主轴端面定位点P的距离。
图3是本申请实施例中开发的具有长度补偿功能的专用后处理程序界面；其中刀具有效摆长编辑框的待输入参数值为L与L0之和；轴心偏置距离编辑框的待输入参数值为L1。
图4是装刀长度L＝100mm，万向角度头的固有参数L0＝84.25mm， L1＝181.53mm的情况下的程序参数输入界面及生成的数控加工程序示意图。
图5是装刀长度L＝150mm，万向角度头的固有参数L0＝84.25mm， L1＝181.53mm的情况下的程序参数输入界面及生成的数控加工程序示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细的描述：
端面安装定位孔是指：在待加工件端面上用于产品安装定位的基准孔，位置精度高；用于找正待加工孔。
本实施例以某型号异型面对称结构战斗部舱产品斜孔加工为例，该加工方法的实施图见图1(b)所示。本实施例所用设备为动台式龙门三轴机床，机床的数控系统为SIEMENS840D。
本申请实施例公开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，参照图和图2，包括以下步骤：
S1:装卡待加工产品并找正，建立工件坐标系OWXWYWZW，工件坐标系 OWXWYWZW与机床坐标系OMXMYMZM的X、Y、Z方向相同，工件坐标系的零点为产品端面安装定位孔的中心点。待加工产品两端均有安装定位孔，安装定位孔的轴线平行，安装定位孔的轴线方向与机床的坐标轴方向平行，可通过安装定位孔精找正产品。将三轴机床主轴端面定位点P对刀至工件坐标系OWXWYWZW的零点OW，此时三轴机床获得工件坐标系OWXWYWZW与机床坐标系OMXMYMZM的相对位置关系，然后安装万向角度头。
S2:按照法向圆孔在待加工产品上的理论中心位置和方向，获得待加工产品在工件坐标系的法向孔矢量坐标、法向孔的中心点坐标；调整万向角度头使刀具轴线的矢量n与待加工产品的法向圆孔轴线的轴向矢量m平行。
具体调整方法如下：
先根据异型产品待加工法向孔在加工坐标系下的理论轴线方向，根据理论轴线方向确定目标角度，参考万向角度头的刻度盘，将万向角度头调整到目标角度，然后万向角度头装夹校验棒，通过杠杆表测量校验棒在法向孔轴线方向的跳动来精校正万向头的轴线与待加工法向孔的轴线平行。
S3:通过刀轨编程软件获得在工件坐标系下的法向孔三轴加工刀路轨迹，生成无刀长数据的三轴机床主轴端面定位点P在工件坐标系中的刀路源文件 (含所有刀路坐标点数据)。
S4:根据三轴机床主轴端面定位点P点坐标、万向角度头的固有参数、刀具有效摆长，通过数据处理模块进行处理，生成数控加工程序。
其中，数据处理模块：建立三轴机床主轴端面定位点P到万向角度头装刀平面定位点M的坐标数据关系方程，并结合万向角度头的固有参数、刀具有效摆长，获得刀具的刀心点C的坐标关于P点坐标的关系方程，得到最终用于加工的刀位点数据并生成最终的加工程序。
具体的，研究基于三轴机床和万向角度头的定轴加工中刀具长度补偿的基本原理，推导出刀具长度补偿后三轴机床主轴端面定位点P的坐标计算方程。
图2中，设定rP表示主轴端面定位点P在工件坐标系OWXWYWZW中的径矢， rM表示装刀端面定位点M在工件坐标系OWXWYWZW中的径矢，此时，点P到定位点M的坐标数据关系方程可具体表示为：
Figure BDA0003825328280000061
万向角度头装刀轴线方向的单位矢量为n，n在工件坐标系OWXWYWZW中的坐标记为[i,j,k]T，所安装的刀具的刀心点为C，万向角度头装刀端面定位点M 到刀心点C的距离为实际装刀长度L，那么，刀心点C到万向角度头装刀端面定位点M的矢量为：
Figure BDA0003825328280000062
万向角度头装刀端面定位点M到万向角度头装刀轴线与三轴机床主轴轴线的交点Q的距离为L0。万向角度头安装在机床上后，点Q到三轴机床的主轴端面定位点P的距离为L1。距离L0与L1为万向角度头的固有参数，通过测量得到：L0＝84.25mm，L1＝181.53mm。此时，矢量
Figure BDA0003825328280000063
和
Figure BDA0003825328280000064
可表示为：
Figure BDA0003825328280000065
Figure BDA0003825328280000066
其中，kZ表示三轴机床Z轴方向的单位矢量，其在工件坐标系OWXWYWZW中的坐标为[0,0,1]T。
径矢rM可以分解为刀心点C的径矢rC和刀心点C到万向角度头装刀端面定位点M的矢量之和：
Figure BDA0003825328280000071
因此，引入刀具长度之后，
Figure BDA0003825328280000072
联立式(2)、(3)、(4)、(6)，三轴机床主轴端面定位点P的坐标计算方程为：
rP＝rC+L·n+L0·n+L1·kZ (7)
记点P在工件坐标系OWXWYWZW中的坐标为[xP,yP,zP]T，点C在工件坐标系OWXWYWZW中的坐标为[xC,yC,zC]T，联立单位矢量n和kZ的坐标以及式(7)可得：
Figure BDA0003825328280000073
基于上述算法原理，开发图2所示具有长度补偿功能的专用后处理程序，该程序可将万向角度头的固有参数L1及实测的刀具摆长L+L0作为参数输入，将无刀长的刀位源文件(文件名为AAA.cls)后置处理成适应不同装刀长度的数控加工程序；
测量装刀长度L，设定其实测值L＝100mm，而L0＝84.25mm，L1＝181.53mm，将L与L0之和184.25作为参数输入数据处理模块的刀具有效摆长编辑框，然后将L1的值181.53作为参数输入数据处理模块的轴心偏置距离编辑框，基于刀位源文件(文件名：AAA.cls)生成数控加工程序BBB.mpf，如图3所示。
测量装刀长度L，设定其实测值L＝150mm，而L0＝84.25mm，L1＝181.53mm，将L与L0之和234.25作为参数输入专用后处理程序的刀具有效摆长编辑框，然后将L1的值181.53作为参数输入数据处理模块的轴心偏置距离编辑框，基于同一刀位源文件(文件名：AAA.cls)生成数控加工程序CCC.mpf，如图4所示。
S5:将数控加工程序传输至机床数控系统并运行，机床数控系统根据基于实际装刀长度的数控加工程序、待加工法向孔矢量坐标、法向孔的中心点坐标，使万向角度头装夹刀具的刀心点C沿着待加工法向孔矢量坐标的方向进行定轴运动，实现法向圆孔的精密低成本加工。
本申请的实施原理为：通过先调整万向角度头使刀具轴线的矢量与待加工产品的法向圆孔轴线的轴向矢量平行，之后根据三轴机床主轴端面定位点P点坐标、万向角度头的固有参数、刀具有效摆长，通过数据处理模块进行处理获得C点坐标坐标的关系方程，并生成数控加工程序，将数控加工程序传输至机床数控系统并运行，实现法向圆孔的加工。该方法能够实现了对于三轴机床+ 万向角度头的组合下的万向角度头的刀具刀心点坐标的准确获得，对万向角度头所安装的不同长度刀具具有补偿作用，实现了对法向圆孔的高精度加工。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种基于三轴机床的异型产品法向圆孔高效精密加工方法，其特征在于：包括，
装卡待加工产品并找正，建立工件坐标系，三轴机床主轴端面定位点P对刀至工件坐标系零点，然后在三轴机床主轴端面位置安装万向角度头；
按照法向圆孔在待加工产品上的理论中心位置和方向，获得待加工产品在工件坐标系的法向孔矢量坐标、法向孔的中心点坐标；在万向角度头安装刀具，调整万向角度头使刀具轴线与待加工产品的法向圆孔轴线平行；
通过刀轨编程软件获得在工件坐标系下的法向孔三轴加工刀路轨迹，生成无刀长数据的三轴机床主轴端面定位点P在工件坐标系中的刀轨源文件；
根据所述三轴机床主轴端面定位点P的刀轨源文件、万向角度头的固有参数、刀具有效摆长，通过数据处理模块进行处理，获得基于实际装刀长度的数控加工程序；
将所述数控加工程序传输至机床数控系统并运行，实现法向圆孔的加工。
2.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述数据处理模块：建立三轴机床主轴端面定位点P到万向角度头装刀平面定位点M的坐标数据关系方程，并结合万向角度头的固有参数、刀具有效摆长，获得刀具的刀心点C的坐标关于P点坐标的关系方程，根据刀具的刀心点C的坐标关于P点坐标的关系方程转换得到刀具刀心点C的刀轨源文件，进而生成最终的基于实际装刀长度的数控加工程序。
3.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述万向角度头的固有参数包括：装刀端面定位点M到万向角度头装刀轴线与三轴机床主轴轴线的交点Q的距离L0，以及角度头安装在机床上之后Q点到三轴机床主轴端面定位点P的距离L1。
4.根据权利要求3所述的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，其特征在于：所述刀具有效摆长为万向角度头装刀端面定位点M到刀心点C的距离L与L0之和。
5.根据权利要求4所述的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，其特征在于：所述点P到定位点M的坐标关系方程为：
Figure FDA0003825328270000021
其中，rP表示主轴端面定位点P在工件坐标系中的径矢，rM表示装刀端面定位点M在工件坐标系中的径矢，
Figure FDA0003825328270000022
为装刀端面定位点M到万向角度头装刀轴线与三轴机床主轴轴线的交点Q的向量，
Figure FDA0003825328270000023
为万向角度头装刀轴线与三轴机床主轴轴线的交点Q到三轴机床主轴端面定位点P的向量。
6.根据权利要求4所述的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，其特征在于：所述C点坐标关于P点坐标的关系式为：
Figure FDA0003825328270000024
其中，P在工件坐标系中的坐标为[xP,yP,zP]T；点C在工件坐标系中的坐标为[xC,yC,zC]T；万向角度头装刀轴线方向的单位矢量为n，n在工件坐标系中的坐标记为[i,j,k]T。
7.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述调节万向角度头使刀具轴线与待加工产品的法向圆孔轴线平行的方法为：首先根据待加工产品的待加工法向孔在加工坐标系下的理论轴线方向，根据理论轴线方向确定目标角度，参考万向角度头的刻度盘，将万向角度头调整到目标角度，然后万向角度头装夹校验棒，通过杠杆表测量校验棒在法向孔轴线方向的跳动来精校正万向头的轴线与待加工法向孔的轴线平行。
8.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述待加工产品上设有精基准，精基准用于产品精找正、对刀、建立加工坐标系。
9.根据权利要求8所述的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，其特征在于：所述精基准为定位安装孔，定位安装孔设置于待加工产品2个安装端面上，每个安装端面设置的2个安装定位孔的轴向平行，且定位安装孔的轴线方向与机床的坐标轴方向平行。
10.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述机床数控系统根据基于实际装刀长度的数控加工程序、待加工法向孔矢量坐标、法向孔的中心点坐标，使万向角度头装夹的刀具的刀心点C沿着待加工法向孔矢量坐标的方向进行定轴运动，实现法向圆孔的精密加工。
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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

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