CN1256989A - 智能寻位加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械加工制造领域。包括虚拟轴的大八面体框架式结构,该八面体上部固定有主动式视觉信息获取系统,底部固定有平动工作台,该工作台的侧面固定有在线刀具库,六根驱动伸缩轴的一端分别与位于顶部的3个铰链相连,另一端与加工动平台相连,还包括与储存有顺应工件实际位置的自动生成控制程序的计算机单元。本发明可在简单约束的条件下,实现大范围的顺应工件现实的精密加工。

Description

智能寻位加工设备

本发明属于机械加工制造技术领域。特别涉及采用智能寻位加工方法的加工设备的结构设计。

在传统的加工方法中，由于采用传统的“定位——加工”生产模式，因而带来了传统生产模式不可避免的弊病：

1、无法消除工序基准与定位基准不重合误差，不能精确实现以对称轴、回转轴等虚轴为基准的定位，而只能以特征的内、外表面上的点近似定位，同时也无法消除由夹紧操作引起的定位偏差，对加工质量造成一定的影响；

2、需要复杂的夹具体，提高了生产制造成本；

3、由于需要制造精密夹具，延长了生产准备时间，降低了企业的市场反应能力；

4、由于在定位面的选择上提出了过多的约束，在有加工干涉的情况下显得无力解决，一次装夹加工型面较少，无法保证了加工的一致性，同时由于存在基准不重合误差，无形中降低了加工质量。

这些问题随着市场向企业提出更快、更好地完成其产品生产的要求而突出地暴露出来，尤其在单件小批量生产、新产品开发的过程中，需要快速地作出市场反应，却显得力不从心。靠几个技术工人夜以继日地工作，手工加工的情况与当今技术突飞猛进的时代已极不和谐。

智能寻位加工方法的出现为扭转这种不和谐的局面提供了理论基础与方法。该技术从根本上打破了传统的基于夹具定位夹紧的“定位-夹紧-加工”模式的束缚，利用主动寻位方法获取被加工工件的三维空间位姿，并以该信息为引导，基于CAD模型库，自动生成数控加工程序，通过能实现顺应现实加工的设备完成对工件的无精确定位束缚的加工，简而言之，即“简单夹紧-主动寻位-顺应现实加工”，完全避免了上述弊病，针对产品需要对市场作出快速反应(例如新品研制或单件小批量生产)的情况，缩短企业生产准备时间，以加快产品推出速度，降低辅助生产成本，降低加工难度，提高企业市场反应能力。

但是，从底层的角度考虑，该技术方法的实现却缺乏相关设备的支持。就目前而言，加工设备比较具有代表性的是近几年出现的新型机床——虚拟轴加工机床，虽然从根本上改变了刀具和工件的相对运动模式，增加了刀具作业运动的柔性，使设备具有了更大的工艺灵活性和控制机动性，但是依然存在加工空间受限、需要精密夹具定位、预先编程等限制工艺灵活性和加工机动性的弊病。同时，由于该设备的加工范围是随垂直方向而变化的，只是在一个固定的位置上有一个最大的加工范围，而随着该位置的垂直变化(正向或反向)，其加工范围都将随之减小。而且由于没有刀具库，该设备无法实现在线连续加工操作，构不成一个真正意义上的加工中心。发挥虚拟轴加工机床机构与思路的部分优势，研制一种既能实现工件主动寻位，又能实现顺应现实加工(工件歪放歪加工)的集成式设备则相对提上日程。

本发明目的是克服现有设备的不足之处，通过类虚拟轴结构改造，并将主动寻位单元与之集成，设计一种新型智能寻位加工设备，实现对工件在简单约束(对其只进行简单夹紧，无须专用精密夹具定位，并且不要求工件严格地处于预定加工位置上)的条件下，做到大范围的顺应工件现实的精密加工。

本发明提出一种智能寻位加工设备，包括虚拟轴加工机床的大八面体框架式结构，它由12根杆通过位于底部的3个铰链和位于顶部的3个铰链连接形成空间八面体结构，其特征在于，该八面体结构上部固定有主动式视觉信息获取系统，底部固定有X-Y平动工作台，该工作台的侧面固定有存放为连续加工提供刀具和接触式测头的在线刀具库，六根呈空间排列的驱动伸缩轴的一端分别与位于顶部的3个铰链相连，另一端与加工动平台相连，还包括与主动式视觉信息获取系统和接触式测头相连的储存有顺应工件实际位置的自动生成控制程序的计算机单元。

该主动式视觉信息获取系统可包括固定于机床顶部等边三角形支架杆中点处的一个结构光投射器和两个CCD摄像头。

本发明还包括采用上述的智能寻位加工设备的智能寻位加工方法，其特征在于包括以下步骤：

1)首先进行无接触式视觉方法进行宏观测量：由结构光投射器打光，两CCD摄像头摄取图象；而后对获取到的结构光图象先进行工件寻位特征点的采样，通过经典的立体视觉方法进行工件表面点的三维坐标计算，并与工件的CAD模型进行匹配，计算出工件的实际宏观空间位姿；

2)其次进行接触式测头测量方法精确测量：控制加工动平台进行换刀操作，换取接触式测头，规划接触式测头的测量点和测量路径，完成精密的接触式测量，通过与工件的CAD模型进行匹配，计算出工件的实际微观空间位姿；

3)再进行实时加工控制：首先根据第2步中得到的寻位信息对经预处理的工件几何信息进行坐标变换，得到其在加工坐标系下的描述，处理生成工件表面的加工顺序链表和切削参数，并进而生成六伸缩轴的伸缩长短控制序列：

4)最后顺应现实加工：在经过第3步生成驱动控制程序以后，选取合适的加工刀具，通过六伸缩轴驱动系统的驱动作用，实现加工动平台的顺应工件实际位姿的准确切削运动，完成工件的顺应现实加工操作。

相比传统的加工设备，本发明具有极大的优势：1、大大缩短产品(单件小批及新产品)生产周期

由于该设备简化了对夹具的要求，不需要专用的精密夹具，取而代之以通用夹具(甚至是简单固定机构)，则在单件小批量及新产品开发等需要制备精密夹具的场合下，大大缩短了整个生产周期，为企业强占市场先机提供了加工设备层次的保障，增强了企业的市场竞争能力。2、实现智能顺应现实加工

即可以通过主动测量计算的方法，智能地顺应工件当前的实际空间状态，自动实时地生成工件的加工代码，实现对工件的快速、准确、柔顺的加工，也就是可以做到对工件的“歪放歪加工”。3、降低了整个产品生产成本

由于夹具体的设计、生产成本随着对工件质量要求的提高、生产数量的减少而非线性的相对提高，同时由于夹具的成本在整个生产成本中的比重较大，对夹具成本的可靠控制即可实现宏观生产成本控制。而该设备一方面通过简化夹具体要求，只需要简单的固定即可顺利实现加工，因而大大降低产品的生产成本。4、提高了加工质量

由于智能寻位方法消除了工序基准与定位基准不重合误差，大大减少传统定位的误差；同时，由于实现了“先夹紧、后寻位”的装夹顺序，使得在传统装夹中由夹紧操作引起的定位偏差得到消除，降低了对安装调整的要求，并可以在多次装夹的情况下使加工精度达到设计精度。另一方面，由于没有机械定位元件，通过智能寻位方法实现“定位”功能，可以有效地提高工件的“定位”精度，因而间接地提高了。在加工终端基本一致的情况下，工件在传统加工时的加工误差，除加工过程误差之外，都可以得到去除或不同程度的降低。而且一次装夹加工型面增多，保证了加工的一致性。5、扩大了可加工工件范围和型面

由于在大八面体框架结构、六杆驱动结构的的基础上，增加了X-Y平动工作台，有效地扩展了工件的加工范围。而且传统的加工方法在定位面的选择上提出了过多的约束，在有加工干涉的情况下显得无力解决，而主动寻位则不存在定位元件实体，也就不存在定位与加工之间干涉的问题，使得一次装夹加工型面增多，使得加工效率得以提高。

实现了在线测量加工一体化

刀具库的引入使得类虚拟轴机床结构可以进行连续加工，实现真正意义上的加工中心的功能，并承载接触式测头，为接触式测量提供保证。视觉测量系统则完成宏观位姿信息获取。这也意味着该设备具有在线多功能操作的能力，可为不同工作目的提供底层设备保证。

附图简要说明：

图1为本发明实施例的机床机构本体结构示意图。

图2为本实施例的机床框架结构的顶视示意图。

图3为本实施例的X-Y平动工作台结构示意图简图。

图4为本实施例的刀具库结构示意图。

图5为本实施例的视觉测量系统原理示意图。

图6为本实施例的系统工作流程图。

下面结合各附图，详细介绍本发明的一种实施例的组成及其结构。

图1为本实施例的机床机构本体结构示意图。其基本构架为清华大学研制的VAMT1Y型虚拟轴加工机床(Virtual Axis Machine Tools，VAMT)的大八面体框架式结构，去掉了原机构的底部小八面体框架式工作台支撑及工作台，取而代之以传统的X-Y平动工作台1，通过平动工作台的平移运动，弥补了单纯依靠伸缩轴驱动造成的加工空间过小的弊病，并通过增加在线刀具库4和主动式信息获取设备，触觉测量系统，(红宝石测头放置于刀具库4中)。通过呈空间排列的6根驱动伸缩轴5按照一定的控制程序驱动加工动平台9对工件进行空间加工。

本实施例的大八面体框架由12根杆3通过位于底部的3个铰链2和位于顶部的3个铰链6连接形成空间八面体结构。该八面体结构上部固定有主动式视觉信息获取系统，该系统包括固定于机床顶部等边三角形支架杆中点处的一个结构光投射器8和两个CCD摄像头7。底部固定有X-Y平动工作台1，通过其平移运动，带动工件大范围移动。工作台1的侧面固定有在线刀具库4，为连续加工提供刀具和接触式测头存放提供场所。六根呈空间排列的驱动伸缩轴5的一端分别与位于顶部的3个铰链6相连，另一端与加工动平台9相连。

图2为本实施例的机床框架结构的顶视示意图(图中省略了机床操作结构)。

图中，顶部等边三角形由三个杆31组成，底部三角形由三个杆32组成。两个三角形节点由六个杆33联结起来，构成一个大的正八面体。当在任何一个节点施加作用力时，八面体框架的每一根杆都只受拉压，不受弯矩，因此它具有很高的刚性，同时构架结构简单、可用空间大。

图3为本实施例的X-Y平动工作台结构示意图简图。

本实施例采用传统的两轴驱动工作平台，通过光栅尺传感器位置反馈、伺服电机驱动，实现精密运动位置闭环控制。在X向工作台11上布置有X向光栅尺位置传感器10(位置反馈)、丝杠13(精密导向)、齿轮副15(传动)、伺服电机14(驱动)、及Y向工作台16，通过固定于Y向工作台上的直线导套12带动Y向工作台在固定于X向工作台上的导轨进行直线滑动。Y向工作台上结构与X向工作台基本一致，通过固定于工件平台18上的直线导套17带动工件平台在固定于Y向工作台上的导轨进行直线滑动。这样即可以通过工作台的平动有效扩展可加工范围，明显提高了机床性能。

图4为本实施例的刀具库结构示意图。其中，a为正视图，b为俯视图，c为侧视图。

本实施例的刀具库为一梯形长方体，其上顶面由开有多个刀具槽20，其侧面开有多个螺钉孔21，通过螺钉孔21将刀具库固定于X-Y平动工作台的侧面，可随之进行精密运动定位。结构22为刀具库支撑肋板。刀具槽20放置加工中所需刀具及接触式测头。当加工过程需要换刀(可以是刀具，也可以是接触式测头，安装方式相同)时，一方面主要靠六伸缩轴驱动，精密移动到所需位置，另一方面当刀具库实际位置超出六伸缩轴结构的驱动空间以后，控制平动工作台平动到合适的换刀位置，然后由六伸缩轴结构实现换刀动作。

图5为本实施例的视觉测量系统原理示意图。

本实施例由结构光投射器8(布置于顶部等边三角形一个杆的中点)将栅格型光投射到固定在工件平台18上的工件19表面，形成数条覆盖工件表面的平行光带，通过两对称布置的CCD摄像头7(布置于顶部等边三角形另两个杆的中点)摄取结构光图象，并送入信息处理系统中进行相关信息处理。

图6为本实施例的系统工作控制流程图。

其基本过程：

1.无接触式视觉方法进行宏观测量：先由六伸缩轴将加工动平台抬起到最高位置，避免视觉测量干涉；然后摄取图象，进行二维处理，粗略确定工件的位置和姿态；之后由结构光投射器打光，两CCD摄像头摄取图象；而后对获取到的结构光图象先进行工件寻位特征点的采样，通过经典的立体视觉方法进行工件表面点的三维坐标计算，在系统规划控制下，与工件的CAD模型进行匹配，计算出工件的实际宏观空间位姿；

2.接触式测头测量方法精确测量：在经过第1步进行工件实际位姿测取之后，在系统规划控制下，控制加工动平台进行换刀操作，换取接触式测头(用传统的刀具安装方式安装，放置于刀具库)，可以有目的地规划接触式测头的测量点和测量路径，快速有效地完成精密的接触式测量，通过与工件的CAD模型进行匹配，计算出工件的实际微观空间位姿；

3.实时加工控制：在系统规化控制下，结合CAD模型库，根据第2步中得到的寻位信息对经预处理的工件几何信息进行坐标变换，得到其在加工坐标系下的描述，处理生成工件表面的加工顺序链表和切削参数，进而生成六伸缩轴的伸缩长短控制序列；

4.顺应现实加工：在系统规化控制下，结合CAD模型库，在经过第3.步生成驱动控制策略以后，选取合适的加工刀具，通过六伸缩轴驱动系统的驱动作用，实现加工动平台的顺应工件实际位姿的准确切削运动，完成工件的顺应现实加工操作。

该系统的工作方式为：首先用通用紧固夹持元件(如螺栓、压板等)将工件固定于工作台上(无须精确定位)，然后由工件寻位系统以递阶方式快速获取工件轮廓信息并实时求解出工件的实际状态(位置与姿态)。进一步由智能控制器根据输入的工件几何工艺信息和工件寻位模块反馈的工件实际状态信息实时生成加工控制轨迹。最后由伺服驱动模块驱动加工单元的有关部件运动，对毛坯或半成品进行位姿自适应加工得到合格的工件成品。

Claims (2)

1.一种智能寻位加工设备，包括虚拟轴加工机床的大八面体框架式结构，它由12根杆通过位于底部的3个铰链和位于顶部的3个铰链连接形成空间八面体结构，其特征在于，该八面体结构上部固定有主动式视觉信息获取系统，底部固定有X-Y平动工作台，该工作台的侧面固定有存放为连续加工提供刀具和接触式测头的在线刀具库，六根呈空间排列的驱动伸缩轴的一端分别与位于顶部的3个铰链相连，另一端与加工动平台相连，还包括与主动式视觉信息获取系统和接触式测头相连的储存有顺应工件实际位置的自动生成控制程序的计算机单元。

2.如权利要求1所述的智能寻位加工设备，其特征在于，该主动式视觉信息获取系统包括固定于机床顶部等边三角形支架杆中点处的一个结构光投射器和两个CCD摄像头。

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