CN1394714A - 基于主动寻位和位置记忆安装系统的加工方法 - Google Patents

Abstract

一种基于主动寻位和位置记忆安装系统的加工方法，其主要特点是，采用标准的寻位箱安放面向任意形状的待加工的毛坯；采用填料状态复原记忆位置的方法，使工件在任意变化的工序转换中，相对寻位箱系统的初始安装位置不发生变化；基于工件初始安装基准和坐标转换方法，计算工序坐标参数并编制数控加工程序。将待加工工件毛坯装入寻位箱，以寻位元件和夹紧元件正确定位；注入填料，确定工件在寻位箱中的初始位置；寻位箱通过其规则的基准平面在机床上快速安装后即可进行工序加工；如有后续工序则通过补充填料恢复寻位箱内部的初始状态，继续后续工序的加工，否则去除填料取出工件。

Description

基于主动寻位和位置记忆安装系统的加工方法

技术领域

本发明涉及工件加工，特别是一种基于主动寻位和位置记忆安装系统的加工方法。

背景技术

统计数据表明：在单件小批生产中，产品生产准备周期占其总生产周期的50％以上，制造成本中的夹具费用高达15％以上，而数控加工设备的利用率却低于50％。生产准备周期长、夹具成本高和设备利用率低等问题的直接后果是：

(1)限制了制造企业对市场需求的快速响应性；

(2)违背了实施精益生产的基本要求；

(3)束缚了设计人员对新产品研发的想象力和创造性。

1972年，Coes.L在其公开的美国专利(专利号：3,660,949)中发明了面向不规则工件的夹紧装置，通过具有磁性颗粒的流体，方便地对不同尺寸和不规则形状的工件进行夹紧，从而可以采用高效切削方法去除毛坯上的多余材料，该项发明主要用于去除浇口、毛刺、飞边和冒口等铸造车间的后处理工序。1977年，美国专利(专利号：4,033,569)公开了Dunn发明的“防止夹紧变形的机床夹具”。该发明采用多个夹钳组成的液压夹紧机构解决不规则工件的夹紧可靠性问题，以提高切削效率。解决类似问题的不同方法还包括美国专利“精确夹紧有形工件的夹具”(US3,818,646)、“磁流变流体工件夹持装置与方法”(US6,267,364)等。2001年11月，中国专利(99127180.7)公开了周凯等人发明的“智能寻位加工方法”，该发明采用视觉测量系统，快速获取的工件整体宏观信息；通过摄动最小距离匹配算法，得到工件的精确三维位姿；采用智能控制器将输入的CAD模型库及系统规划的工件几何信息、工艺信息及工件位姿信息生成实时加工控制轨迹，并由伺服驱动模块驱动加工单元对工件进行位姿自适应加工。

上述相关专利涉及的技术已部分用于机械制造的生产实践，但仍存在以下问题：

(1)仅用于解决不规则工件的夹紧而不包括定位；

(2)解决定位的智能寻位方法需要巨大的投资；虚拟轴智能寻位加工设备的精度和可靠性有待进一步实践；直接在加工设备上寻找工件安装位姿将大大降低机床利用率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提出一种基于主动寻位和位置记忆安装系统的加工方法，以减少和避免工艺技术及其加工装备对产品创新设计和新产品研发的各种限制；减少和避免单件小批生产或复杂多工序零件生产中对专用夹具、安装调试技术水平和时间等的需求和依赖；减少小刚度工件的安装变形和保证安装可靠性，以提高生产效率、保证产品质量、缩短新产品研发周期和产品交货期。

本发明的技术解决方案如下：

1、一种基于主动寻位和位置记忆安装系统的加工方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

(1)分析加工工件的结构形状、尺寸、精度和材料等要求，确定填料配方、最佳厚度域值及填料工艺；

(2)基于填料要求及其工艺特征，设计毛坯并确定其相关特征的加工余量；

(3)基于计算机辅助工艺过程编制(CAPP)系统，编制该工件的工艺规程，包括工艺过程、工序内容、NC特征、刀具类型与尺寸、填料注入要求；

(4)基于寻位箱计算机辅助设计(CAD)系统，自动生成相应的寻位箱设计并合理布置六个寻位元件和六个夹紧元件；

(5)按寻位箱设计要求，组装寻位箱及其相关元件；

(6)采集该寻位箱的外形尺寸及其位置信息；

(7)采集寻位箱中寻位点的坐标信息，建立工件在寻位箱中的初始安装基准和状态记忆计算模型；

(8)基于工件的初始安装基准和坐标转换方法，计算工序坐标参数并编制数控加工程序；

(9)通过寻位元件和夹紧元件将工件安装在寻位箱中的初始安装位置；

(10)在寻位箱中注入填充材料，使工件、填料和寻位箱形成一个整体，以使工件在寻位箱中的初始安装位置不发生变化；

(11)将装有工件的寻位箱安装到工艺规程要求的机床上去；

(12)根据工序加工要求，拆除寻位箱的有关基础板块，使刀具能顺利地进入所需加工的特征表面；

(13)根据上述数控加工程序，逐一地加工工件的相关特征；

(14)相关特征加工完毕，恢复寻位箱已拆除的基础板块，补充填充材料；

(15)在机床上翻转寻位箱，按新的加工位置进行安装；

(16)重复步骤(12)、(13)、(14)、(15)，直至完成工件的全部加工程序，去除填料，取出加工完毕的工件。

所说寻位箱是由六块基础板块构成的六面体，每块基础板块都设有阵列螺孔，基础板块按标准系列进行设计与制造，该寻位箱通过阵列螺孔设置六个寻位元件和与之相对应的六个夹紧元件将待加工工件安装在寻位箱中的适当位置。

所说寻位箱CAD系统根据工件毛坯的最小包围盒尺寸、各方位的特征加工采用的刀具尺寸、填料性能及其厚度域值，确定寻位箱的内腔规格，根据工件及其加工要求，确定其相对三个坐标平面的误差敏感程度，自动生成寻位箱的装配结构及其相关尺寸。

所说寻位元件的配置原则是，按照待加工件在三个坐标平面上的投影面积大小依次设置3、2、1点，即最大投影面方位上设置3个寻位元件，次大投影方位上设置2个寻位元件，最小的设置一个寻位元件，而相应的六个夹紧元件与上述寻位元件配对设置。

所说坐标转换方法计算时，必须根据计算机辅助设置(CAD)系统提供的工件设计信息，计算机辅助工艺过程编制(CAPP)系统提供的工序信息和工件初始安装基准信息，形成工件安装位置的计算模型，计算刀具切削加工的坐标信息。

所说寻位箱翻转被看作是机床绝对坐标系下的图形变动，即位置及尺寸改变的图形在坐标系中的坐标值发生变化，通过引进各种几何变换算子，获得工件在寻位箱翻转后的NC加工轨迹。

与传统CAPP系统相比，采用主动寻位和位置记忆安装系统的加工方法，其CAPP系统要遵守的基本工艺设计准则还包括：

(1)多加工余量的特征及其方位面特征先行，以提高切削效率；

(2)使寻位箱安装次数最少，以减少寻位箱拆装复位误差和拆装等辅助时间；

(3)对有关特征进行分解加工，以便通过补充填料加强安装可靠性。

通用的工件安装寻位系统采用规则外形的寻位箱形成可灵活置换的安装基准，以便适应各种工序安装要求，并快速地在相应的机床上进行安装；组成工件安装寻位系统的元件按标准和系列进行设计与制造，如组成寻位箱的基础板，如图2，F1……F6是组成寻位箱的6块基础板，各种基础板上具有阵列螺孔1、定位孔2和联接孔3和螺孔，其中，阵列螺孔1用于灵活而合理地配置安装工件的钉支撑，定位孔2用于基础板的定位，联接孔3和螺孔则是用于基础板F1……F6之间的联接；实际应用时，根据工件的设计要求、安装基准、工艺过程和工序内容，按照工件最小包围盒尺寸和最佳的填料厚度域值配置相应的工件安装寻位系统，包括合理地配置六对用于工件定位的寻位元件与夹紧元件；工件只需要通过一次安装，就可完成其全部机械加工工序内容，即通过填料的状态变化及其记忆模型，翻转工件安装寻位系统或拆除刀具进入方向上的基础板，实现任意工序的安装转换或使刀具进入任意加工特征表面，图2中省略了浇口、用于寻位箱定位的定向键槽等。

主动寻位方法不仅将任意形状工件的定位夹紧问题简化为具有相似安装基准的寻位箱定位夹紧问题，而且通过主动获取工件安装寻位系统的实际工作姿态及其坐标信息，为工序加工和工序转换中的基准转换提供了统一的坐标转换基础信息，由此避免了传统安装理论中夹具元件制造误差和夹具装配误差对工件加工精度的影响。实现主动寻位方法的主动寻位检测系统提供了用于确定工件安装寻位系统方位的统一基准，当规则的寻位箱系统定位后，主动寻位检测系统将主动采集工序加工或工序转换过程中的相关坐标信息，以形成切削刀具寻位的参考基准。相关坐标信息其中包括：工件的实际安装姿态及其坐标信息，即工件在安装寻位系统中的初始安装位置；寻位箱的实际组装姿态相关尺寸及其位置信息等。主动寻位检测系统主要包括坐标检测与数据采集两部分，其中坐标检测功能可以通过简易的三坐标位移数控装置实现，有条件的可以直接采用通用的三坐标测量机。

状态记忆成型系统借助安装寻位箱的内腔和外部形状，并通过填料的状态变化，使工件与安装寻位系统形成整体而保持和记忆它们的相对位置关系。通常采用的填料包括石膏、低熔点合金或磁流变材料等，可以根据工件材料选择不同的填料及其配比。

通过安装系统上的预紧螺钉，阻止工件在合金填料注入时发生漂移；如果采用低熔点合金作为填料，可以通过预热寻位箱系统，保持填料浇注时的流动性和填料间的致密性，提高工件与填料、填料与寻位箱、填料与填料之间的结合力；通过补充填料，恢复与寻位箱内腔形状一致的工件、填料实体，使工件在工序转换时始终保持其在安装寻位系统中的初始安装位置；如果采用低熔点合金作为填料，可以通过有效控制工件安装寻位系统的预热温度、时间、填料的熔融温度，布置填料浇口等措施(发明专利02111590.7的权利要求)，避免补充填料时，已有的固体填料发生沉陷而影响系统的记忆精度。

根据CAD系统提供的零件设计信息、CAPP系统提供的工序信息、通过主动获取工件统一的基准坐标信息，形成工件安装姿态的计算模型并作为工序坐标转换的基础信息；在工序转换中，以工件安装寻位系统的规则外形作为工件在机床上重新安装的基准；通过对安装寻位系统的几何变换，获取工件在安装寻位系统重新安装状态下的实际加工位置信息。在工序转换过程中，寻位箱的翻转变换可以看作为几何图形在坐标系中做旋转、镜像、平移等几何变换。故T_3D可以用表达式(1)描述： $T_{3D}=\left[\begin{array}{cccc}\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}& -\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\β}& 0\\ \cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}-\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& -\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& 0\\ \sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}-\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& 0\\ T_x& T_y& T_z& 1\end{array}\right]-----\left(1\right)$

其中α、β、γ分别表示工件加工坐标系围绕设计坐标系X、Y、Z轴的旋转角度；

T_x、T_y、T_z分别表示工件加工坐标系原点相对于设计坐标系原点的平移量，从式(1)可以看出T_3D由α、β、γ、T_x、T_y、T_z六个参数唯一确定。

假设：翻转前寻位元件上某点对应的齐次坐标为：P＝[xyz1]

      翻转后相应的齐次坐标为P^*＝[x^*y^*z^*1]

则有关系式：[x^*y^*z^*1]＝[xyz1]*T_3D    (2)

由式(2)可知，x^*、y^*和z^*是α、β、γ、T_x、T_y、T_z六个参数的函数，由此确定寻位箱翻转之后工件的实际位置。为了使刀具进入任意方位面上的特征表面进行切削加工时，需要翻转或改变寻位箱的安装方位或位置，从而使工件在机床坐标系中的姿态和位置发生改变。因此，需要通过坐标变换的方法计算NC程序中的刀位坐标。

通常，NC加工中采用点的三维坐标，在进行三维坐标变换时，采用四维齐次坐标点[XYZ1]表示三维空间点[XYZ]，变换后为[X^*Y^*Z^*1]。

与背景技术相比，本发明所述的基于主动寻位和位置记忆安装系统的加工方法的突出效果在于：

(1)本发明解决了任意形状工件在通用安装系统中的定位与夹紧问题，而不需要专门设计与制造夹具(包括专用的夹具元件等)，可以有效地缩短新产品研发周期，提高工艺技术准备效率和降低制造成本，是一种支持产品创新的有效工艺技术与工具。

(2)本发明提出的基于主动寻位和位置记忆安装系统的加工方法使工件定位误差仅与安装系统相关尺寸及位置的测量误差有关，而与本发明所述的工件安装寻位系统的原始误差无关，即排除了采用传统安装方式与夹具时的夹具元件制造误差、夹具装配误差、基准不重合误差、不同工序夹具的累积误差等，有利于保证和提高加工精度，实现精良生产。

(3)实施本发明所涉及的工程应用系统主要由工件安装寻位系统、主动寻位检测系统、状态记忆成形系统和信息综合处理系统组成(图1)，表1概括了工程应用系统的主要功能。该工程应用系统的基本构造经济适用，易于工程实施和实现工业化。

附图说明

图1为工件主动寻位及其位置记忆方法的工程应用流程。

图2为安装工件的寻位箱的基本结构图。

图3为双翼插杆座的部分设计要求及其工作图。

图4为双翼插杆座毛坯安装示意图。

图5为用于双翼插杆座的寻位箱结构配置图。

图6为与工件主动寻位和位置记忆相关的寻位箱系统关键坐标信息获取示意图。

图7为安装双翼插杆座的寻位箱系统示意图。

图8为加工双翼插杆座的第一道工序示意图。

图9为恢复寻位箱已拆除的基础板块F1，补充填料，保持和记忆工件在寻位箱中的安装位置。

图10为加工双翼插杆座的第二道工序示意图。

图11为经过第二道工序加工后的双翼插杆座示意图。

表1为工件主动寻位及位置记忆系统的组成及其子系统的主要功能。

表2为系列寻位箱的部分结构及其主要参数。

表3为双翼插杆座的设计尺寸及其技术要求。

具体实施方式

现以双翼插杆座工件的加工为例并结合附图对本发明基于主动寻位和位置记忆安装系统的加工方法作详细说明。

(1)加工对象分析：(参见图3)由双翼插杆座工作图及其设计要求可知，该工件刚性较差且非α、β对称，其主要加工特征为上下端面、孔、双翼的上下及其周边轮廓面。该工件材料为45钢，其相关设计尺寸见表2，所有加工面的粗糙度(Ra)要求为1.6μm。

(2)毛坯设计：根据设计要求和工艺特点，选择型材作为双翼插杆座的毛坯，其规格为(108±1)*(28±1)*(19±1)。

(3)工件最小包围盒尺寸计算：由毛坯规格可知，计算双翼插杆座的最小包围盒尺寸为109*29*20。

(4)工艺过程及其工序内容设计：根据工件形状、技术要求和工艺特点，确定分两道工序或寻位箱两次安装，完成双翼插杆座的全部加工。即寻位箱第一次安装后，加工特征P1、P3及其与P5下左部的交接面、P8及其与P5下右部的交接面、P2外轮廓面及其与P5下左部的交接面、P10；寻位箱第二次安装后，加工特征P6、P9及其与P5上右部的交接面、P4及其与P5上左部的交接面、P7外轮廓面及其与P5右上部的交接面。

(5)毛坯安装方案设计：根据毛坯形状及其尺寸，双翼插杆座毛坯安装(定位与夹紧)如图4所示。

(6)寻位箱系统配置：据上述(3)，工件最小包围盒尺寸为109*29*20，工件轮廓加工时采用的刀具直径为14～16mm，则要求寻位箱内腔尺寸为140*60*20；据上述(4)，在工序转换中，寻位箱绕XOY坐标平面翻转，故Z方向为误差敏感方向。据此，寻位箱结构配置如图5所示，寻位箱各基础板的结构及其规格分别为：基础板F1、F2选择1#结构且规格为56*140*18；基础板F3、F4选择2#结构且规格为56*96*18；基础板F5、F6选择3#结构且规格为140*60*18。寻位元件的组装要求为各寻位元件支撑头高于寻位箱内腔平面1mm，并要求位于同一方位面上的各寻位元件高低差≤0.01mm(毛坯余量的1/10)；

(7)寻位箱系统组装与测试：在寻位箱基础板F2上安装三个寻位元件F21、F22和F23，形成面支承；在基础F5上安装寻位元件F51和F52，形成线支承；在基础F3上安装寻位元件F31，形成点支承；在与基础板F2、F5和F3对应的基础板F1、F6和F4上安装相应的夹紧元件F11、F12、F13、F61、F62和F41，按照寻位箱组装要求组装各基础板(除基础板F1外)，并进行调整与测试，获取工件主动寻位及其位置记忆相关的关键坐标信息，如19.003、19.010和60.005(见图6)，其中19.003和19.010是位于同一方位面上的两个寻位元件，其安装高度的一致性误差为0.007，符合要求。

(8)建立状态记忆模型及其工序转换模型，计算相关的刀位坐标并编制NC程序。

(9)工件安装：在寻位箱中安装工件毛坯(Part)，6个寻位元件将引导工件毛坯正确定位，合上基础板F1，由夹紧元件夹紧工件，完成工件的安装。安装双翼插杆座毛坯后的寻位箱系统见图7。

(10)工件加工：按工艺要求，在寻位箱中注入填料至一定的高度，如果采用低熔点合金作为填料，则需等填料冷却后拆去板块F1及其夹紧元件F11、F12和F13，加工特征P1、P3及其与P5下左部的交接面、P8及其与P5下右部的交接面、P2外轮廓面及其与P5下左部的交接面、P10(见图8)；合上基础板F1及其预紧元件F11、F12和F13，补充填料，冷却(见图9)；绕XOY坐标平面翻转寻位箱180°，拆去基础板F2及其寻位元件F21、F22和F23(见图10)，从寻位箱底部中心穿出一螺杆插入孔P10中，在寻位箱基础板F5和F6上加一压板螺母机构辅助夹紧工件(图10中用一夹紧符号表示)，加工特征P6、P9及其与P5上右部的交接面、P4及其与P5上左部的交接面、P7外轮廓面及其与P5右上部的交接面(见图11)；熔融填料取出完工后的双翼插杆座。

Claims (6)

1、一种基于主动寻位和位置记忆安装系统的加工方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

(1)分析加工工件的结构形状、尺寸、精度和材料等要求，确定填料配方、最佳厚度域值及填料工艺；

(2)基于填料要求及其工艺特征，设计毛坯并确定其相关特征的加工余量；

(3)基于计算机辅助工艺过程编制(CAPP)系统，编制该工件的工艺规程，包括工艺过程、工序内容、NC特征、刀具类型与尺寸、填料注入要求；

(4)基于寻位箱计算机辅助设计(CAD)系统，自动生成相应的寻位箱设计并合理布置六个寻位元件和六个夹紧元件；

(5)按寻位箱设计要求，组装寻位箱及其相关元件；

(6)采集该寻位箱的外形尺寸及其位置信息；

(7)采集寻位箱中寻位点的坐标信息，建立工件在寻位箱中的初始安装基准和状态记忆计算模型；

(8)基于工件的初始安装基准和坐标转换方法，计算工序坐标参数并编制数控加工程序；

(9)通过寻位元件和夹紧元件将工件安装在寻位箱中的初始安装位置；

(10)在寻位箱中注入填充材料，使工件、填料和寻位箱形成一个整体，以使工件在寻位箱中的初始安装位置不发生变化；

(11)将装有工件的寻位箱安装到工艺规程要求的机床上去；

(12)根据工序加工要求，拆除寻位箱的有关基础板块，使刀具能顺利地进入所需加工的特征表面；

(13)根据上述数控加工程序，逐一地加工工件的相关特征；

(14)相关特征加工完毕，恢复寻位箱已拆除的基础板块，补充填充材料；

(15)在机床上翻转寻位箱，按新的加工位置进行安装；

(16)重复步骤(12)、(13)、(14)、(15)，直至完成工件的全部加工程序，去除填料，取出加工完毕的工件。

2、根据权利要求1所述的基于主动寻位和位置记忆安装系统的加工方法，其特征在于所说寻位箱是由六块基础板块构成的六面体，每块基础板块都设有阵列螺孔，基础板块按标准系列进行设计与制造，该寻位箱通过阵列螺孔设置六个寻位元件和与之相对应的六个夹紧元件将待加工工件安装在寻位箱中的适当位置。

3、根据权利要求1所述的基于主动寻位和位置记忆安装系统的加工方法，其特征在于所说寻位箱CAD系统根据工件毛坯的最小包围盒尺寸、各方位的特征加工采用的刀具尺寸、填料性能及其厚度域值，确定寻位箱的内腔规格，根据工件及其加工要求，确定其相对三个坐标平面的误差敏感程度，自动生成寻位箱的装配结构及其相关尺寸。

4、根据权利要求1所述的基于主动寻位和位置记忆安装系统的加工方法，其特征在于所说寻位元件的配置原则是，按照待加工件在三个坐标平面上的投影面积大小依次设置3、2、1点，即最大投影面方位上设置3个寻位元件，次大投影方位上设置2个寻位元件，最小的设置一个寻位元件，而相应的六个夹紧元件与上述寻位元件配对设置。

5、根据权利要求1所述的基于主动寻位和位置记忆安装系统的加工方法，其特征在于所说坐标转换方法计算时，必须根据计算机辅助设置(CAD)系统提供的工件设计信息，计算机辅助工艺过程编制(CAPP)系统提供的工序信息和工件初始安装基准信息，形成工件安装位置的计算模型，计算刀具切削加工的坐标信息。

6、根据权利要求1所述的基于主动寻位和位置记忆安装系统的加工方法，其特征在于所说寻位箱翻转被看作是机床绝对坐标系下的图形变动，即位置及尺寸改变的图形在坐标系中的坐标值发生变化，通过引进各种几何变换算子，获得工件在寻位箱翻转后的NC加工轨迹。

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