CN1473684A - 数控机床半智能寻位加工的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械零件在数控机床上加工的方法。数控机床半智能寻位加工的方法，其特征是通过数控机床主轴孔内的寻位器找寻工件的两个特征表面的坐标位置O₁(X₁，Y₁)和O₂(X₂，Y₂)或方位O₁O₂；通过坐标计算得到工件坐标系和机床坐标系的旋转角Φ，Φ＝arctgΔY/ΔX，其中ΔX＝X₂－X₁，ΔY＝Y₂－Y₁，将Φ角输入到事先按工件坐标系编制的数控程序的专用语句中去，如果数控机床的数控系统功能比较强大，求Φ角的过程可以由数控系统自动完成；通过对刀点实现坐标的平移，启动事先按工件坐标系编制的数控程序，便可按程序要求加工出所要求加工的工件。本发明具有所需设备简单、加工精度高、操作简单的特点。

Description

数控机床半智能寻位加工的方法

技术领域

本发明涉及机械零件在数控机床上加工的方法。

背景技术

长期以来，在世界机械制造业中零件的加工一直广泛采用着“定位-加工”的制造操作模式。“定位-加工”模式的核心是被加工零件首先必须严格按照工件的设计和工艺要求实现在机床上的精确定位，保证工件、机床、刀具三者间的相对位置与预定状态相符合，从而保证加工出合格的产品。因此，被加工零件的正确定位将是该制造模式的关键。

①对于有较大批量或形状特别复杂的工件，必须要靠专用夹具。每道工序都有与之配套的夹具的定位和夹紧元件实现工件在夹具上的正确安装，再通过夹具上的导向元件将夹具正确地安装在机床上，从而保证工件在机床上预定位置的准确性。专用夹具是在加工前为工件专门设计制造出来，并且每道工序需要一套专用夹具。这样，完成一个工件的加工需要数套乃至数十套夹具，实现一种产品的加工往往需要成百上千套夹具。如此大量夹具的设计、制造和装调不仅延长了产品生产周期，并且，耗费大量的物力和财力。

②对于单件或小批量生产，常常采用通用夹具(如：虎钳，卡盘之类)由加工者根据工件的尺寸和技术要求靠工人的技术水平和技艺加工出合格的产品。靠人工精确找正工件在机床上的位置，这不仅降低了自动化程度，难以保证产品质量，而且需耗费大量辅助时间，大大降低机床利用率和产品生产率。然而，当今世界市场产品更新换代的快速步伐，小批量生产和单件新产品的试制的生产份额越来越大，专用夹具和通用夹具都无法对动态变化和难以预测的市场需求作出快速响应。

经济的高速发展驱使产品必须尽快地更新换代以满足社会和人们的需求，产品的寿命周期越来越短，机械产品的市场竞争将越来越激烈。制造业从20世纪50年代以来的大批量和中批量生产占主要生产份额的生产模式快速向小批量、多品种转化，特别是20世纪90年代以后尤为突出。因此，旧的机械加工方法和模式已经不能满足市场的要求，市场呼唤从事机械制造的科技工作者迅速改变传统的加工模式以适应快速多变的市场。

于是出现了“寻位-加工”模式。“寻位”是通过仿人智能的途径主动找寻和确定工件的实际位置与姿态。“寻位-加工”模式的运作过程是，先主动获取工件实际状态信息，然后根据工件实际状态实时生成刀具运动路径和轨迹，最后控制机床主运动和辅助运动从而加工出合格零件。

基本思想是：工件在加工前不需在机床上定位，只需随机地固定即可。加工开始时先由工件扫描系统获取工件轮廓表面信息；然后以模式识别和寻位计算等手段求得工件的真实状态，并以此得到加工坐标系与设计坐标系之间的实际关系；最后根据这些实际信息，自适应地生成刀具轨迹和机床运动控制指令，便可加工出符合要求的零件。这种方法具有很多优点，实现了无夹具制造。

“智能寻位加工”的利是免除了大量夹具制造的费用和较长的制造时间；但是“智能寻位加工”必须具备如下四个条件(而这四个条件必须需要付出昂贵的代价)：

①工件寻位工作站：工件寻位工作站必须配备工件信息获取机(装有2台CCD摄像机，成一定角度对准被寻位工件)和寻位计算机系统(1台PentiumII计算机和若干外围设备)。

②刀具路径实时生成工作站

③位姿自适应加工装备

这种新型加工中心采用并联闭链多自由度进给系统，并由直线电机直接驱动，因此必须使机床主轴(带动刀具)相对于工件作六自由度高速运动，如是对于稍微复杂零件常常需要较多坐标控制功能的机床，使机床的结构相对复杂，机床非常昂贵(百万元以上)。

④现场总线网络系统

智能寻位加工系统需在信息集成环境下运行，因此，网络通讯是其关键一环。作为工业现场控制的网络系统，可靠性和实时性是最主要的要求。为满足工业现场控制对可靠性的特殊要求，总线必须采用了多种错误监测和纠错措施。

发明内容

针对上述不足，本发明的目的在于提供一种所需设备简单、加工精度高、操作简单的数控机床半智能寻位加工的方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：数控机床半智能寻位加工的方法，其特征是通过数控机床主轴孔内的寻位器找寻工件的两个特征表面的坐标位置O₁(X₁，Y₁)和O₂(X₂，Y₂)或方位O₁O₂；通过坐标计算得到工件坐标系和机床坐标系的旋转角Φ，Φ＝arc tgΔY/ΔX，其中ΔX＝X₂-X₁，ΔY＝Y₂-Y₁，将Φ角输入到事先按工件坐标系编制的数控程序的专用语句中去，如果数控机床的数控系统功能比较强大，求Φ角的过程可以由数控系统自动完成；通过对刀点实现坐标的平移，启动事先按工件坐标系编制的数控程序，便可按程序要求加工出所要求加工的工件。

数控机床半智能寻位加工的方法，按如下具体步骤实现：

1)将事先为工件加工而编制的数控程序输入到机床数控系统中；

2)将工件(或通过专用垫板)随意放在数控机床的工作台上并固定，在数控机床主轴孔内装上尺寸相宜的寻位器，点动工作台使寻位器分别准确地对准工件上的两个特征表面(或一个特征表面的两个特征点)O₁和O₂进行寻位，数控系统分别记忆其坐标位置O₁(X₁，Y₁)和O₂(X₂，Y₂)；计算两点的连线O₁O₂与机床坐标X方向的夹角Φ，Φ＝arc tgΔY/ΔX，其中ΔX＝X₂-X₁，ΔY＝Y₂-Y₁，该Φ角就是工件坐标系相对机床坐标系的坐标旋转角；并将Φ角大小输入到数控程序的相应位置中去；(如果数控机床的数控系统功能比较强大，求Φ角的过程可以由数控系统自动完成；)

3)在主轴上装入相应刀具，开启工作循环按扭，数控机床按事先编制好的程序运行；

4)去除夹紧，松开工件，将工件翻转180度，再固定工件，重复以上2)和3)的步骤，完成工件的全部加工。如图5所示。

所述的工件的两个特征表面为平面、圆柱凸台、圆柱孔、外圆锥表面、内圆锥表面的其中一种或任意两种组合。

所述的寻位器由固定端、过渡圆柱和寻位端组成，固定端位于寻位器的上端部，固定端为圆锥形，其锥度与数控机床主轴的莫氏锥度相适应或与数控机床主轴过度套的莫氏锥度相适应；寻位端位于寻位器的下端部，寻位端具有圆锥形结构，固定端与寻位端之间为过渡圆柱表面；固定端锥面、寻位端锥面和外圆表面具有同轴度要求。

若所述的工件上的两个寻位特征表面为两个圆柱凸台5，对应的寻位器为带内锥的寻位器。如图1、图2所示。

若所述的工件上的两个寻位特征表面为两个圆柱孔6，对应的寻位器为带外锥的寻位器。如图3、图4所示。

若所述的工件上的两个寻位定位点为某平面上的两处，对应的寻位器可以为带内锥的寻位器，也可以为带外锥的寻位器，寻位器与工件该平面接触副为寻位器外园表面上的一条母线。

本发明它综合了传统夹具的定位加工和先进的智能寻位加工的优点，既免除了智能寻位加工的昂贵设备费用和复杂的软件技术难关；也避开了定位加工中大量专用夹具设计、制造的高昂费用、较长的夹具生产周期和夹具难于实现柔性化的瓶颈。“半智能寻位加工”只需开发简单的寻位器，便可实现工件的“半智能寻位加工”，在我国当前的技术水平条件下，对一般高精度和普通精度零件的加工是一条可行之路，也是一条经济之路。

本发明的有益效果如下：

1、“半智能寻位-加工”属于“寻位-加工”的范畴，因此，避免了“定位-加工”的弊端，加工过程不需要夹具。同时，“半智能寻位-加工”又避免了“智能寻位-加工”的弊端，不需要“智能寻位-加工”所具备的苛刻的条件，节省了大量资金和高层次操作人员，极其经济。因此，具有可推广性。

“半智能寻位-加工”工艺装备简单，只需根据被加工零件的技术要求，设计合适的寻位器，这些元件的制造和设计费用相对“定位-加工”的夹具和以上所述“智能寻位-加工”必须具备的昂贵设备来说是非常低廉，几乎忽略不及。在具有数控机床的任何企业都是完全可以实现的。

2、本加工方法工序集中，加工精度高，工件精度取决于数控机床的精度，免去了定位误差和夹具的制造误差。

3、操作简单、方便。

附图说明

图1是本发明的寻位器寻位时(检测工件上两园柱台的中心位置)结构示意图

图2是图1的工件的俯视图

图3是本发明的寻位器寻位时(检测工件上两孔的中心位置)结构示意图

图4是图3的沿A-A向视图

图5是本发明的工艺流程图

其中1-主轴、2-寻位器、3-工件、4-垫板、5-凸台、6-孔。

具体实施方式

数控机床半智能寻位加工的方法，通过数控机床主轴孔内的寻位器找寻工件的两个特征表面的坐标位置O₁(X₁，Y₁)和O₂(X₂，Y₂)或方位O₁O₂；通过坐标计算得到工件坐标系和机床坐标系的旋转角Φ，Φ＝arc tgΔY/ΔX，其中ΔX＝X₂-X₁，ΔY＝Y₂-Y₁，将Φ角输入到事先按工件坐标系编制的数控程序的专用语句中去，如果数控机床的数控系统功能比较强大，求Φ角的过程可以由数控系统自动完成；通过对刀点实现坐标的平移，启动事先按工件坐标系编制的数控程序，便可按程序要求加工出所要求加工的工件。

实施例1

数控机床半智能寻位加工的方法，按如下具体步骤进行：

试验样件：齿轮泵盖，如图1和图2所示，

1)将事先为工件加工而编制的数控程序输入到数控机床系统中。

2)先将工件毛坯大平面任意放在机床工作台上，用压板、T型槽螺钉(或磁力吸盘吸紧)将工件固定在工作台上。

3)将带内锥的寻位器套在机床主轴1上，点动工作台，使寻位器2的内锥正确地套在工件3第一个凸台5上，并由数控系统记下其坐标值(X₁，Y₁)。抬高锥套使其从凸台5拔出。如图1、图2所示。

4)再点动工作台，使寻位器内锥套正确地套在第二个凸台5上，同样记下其坐标值(X₂，Y₂)。

5)计算两凸台中心连线O₁O₂与机床坐标X方向的夹角Φ，该Φ角就是工件坐标系相对机床坐标系的坐标旋转角。通常Φ角可以通过编程由数控系统计算。

第一个蜡模试验：

点动工作台对毛坯上的第一个凸台进行寻位。得到第一个凸台中心坐标，

X₁＝-25.416              Y₁＝-48.584

同样，对工件第二个凸台进行寻位，得到第二个凸台中心的坐标，

X₂＝-73.544              Y₂＝-83.364

ΔX＝X₂-X₁＝-48.128

ΔY＝Y₂-Y₁＝-34.76

Φ＝arc tgΔY/ΔX＝35.854(度)

6)将计算出的Φ角输入到数控程序的相应位置

7)将主轴退回起刀点，按动“循环动作”按扭，机床即可按事先编制好的程序运行：

加工上平面→加工下平面→加工第一凸台外圆→加工第二凸台外圆→加工上腰圆侧面→加工下腰圆侧面→加工两个凸台上的中心孔→加工六个螺钉孔→加工两个销钉孔。

8)将压板松开，取下工件，将工件翻转180度放在垫板上并一起固定在机床工作台上，将主轴对好起刀点，开动机床，工件按事先编制好的程序，将工件的大平面加工完毕。

检测已经加工完成的零件，各项技术指标均合格，因为工件的加工精度仅取决于数控机床的精度。

实施例2：与实施例1基本相同，不同之处是因为工件在机床放置是随意的，因此，

此时的Φ角与例1是不同。

第二个蜡模试验：如图1、图2所示，

将第二个齿轮泵蜡模毛坯随意放在机床工作台上，并用T型槽螺钉和压板固定在工作台上，重复以上过程。得到如下数据：

        X₁＝-10.564    Y₁＝-66.252

        X₂＝-70.348    Y₂＝-67.196

        ΔX＝X₂-X₁＝-59.784

        ΔY＝Y₂-Y₁＝-0.94

        Φ＝arc tgΔY/ΔX＝0.9(度)

将Φ角输入程序中去，在主轴上装入相应刀具，开启工作循环按扭，机床执行程序，并完成全部加工。

实施例3：与实施例2基本相同，不同之处仅在于Φ角不同。第二个蜡模试验的第二次试验：

将上面加工完成的蜡模松开，将工件移动位置，重新压紧固定在机床工作台上。重复进行试验。得到如下数据：

         X₁＝-10.560    Y₁＝-71.892

         X₂＝-70.344    Y₂＝-66.252

         ΔX＝X₂-X₁＝-59.784

         ΔY＝Y₂-Y₁＝5.64

         Φ＝arc tgΔY/ΔX＝-5.389(度)＝354.611(度)

将Φ角输入程序中去，在主轴上装入相应刀具，开启工作循环按扭，机床执行程序，由于该工件所要求加工的表面已经加工过，所以，在第二次加工过程中，机床的切削过程基本上是无屑加工。

Claims (7)

1、数控机床半智能寻位加工的方法，其特征是通过数控机床主轴孔内的寻位器找寻工件的两个特征表面的坐标位置O₁(X₁，Y₁)和O₂(X₂，Y₂)或方位O₁O₂；通过坐标计算得到工件坐标系和机床坐标系的旋转角Φ，Φ＝arc tg/ΔY/ΔX，其中ΔX＝X₂-X₁，ΔY＝Y₂-Y₁，将Φ角输入到事先按工件坐标系编制的数控程序的专用语句中去，如果数控机床的数控系统功能比较强大，求Φ角的过程可以由数控系统自动完成；通过对刀点实现坐标的平移，启动事先按工件坐标系编制的数控程序，便可按程序要求加工出所要求加工的工件。

2、根据权利要求1所述的数控机床半智能寻位加工的方法，其特征是按如下具体步骤实现：

1)将事先为工件加工而编制的数控程序输入到数控机床系统中；

2)将工件随意或通过垫板放在数控机床的工作台上并将工件固定，在数控机床主轴孔内装上尺寸相宜的寻位器，点动移动工作台使寻位器分别准确地对准工件上的两个特征表面进行寻位，数控机床记忆两特征表面的坐标位置O₁(X₁，Y₁)和O₂(X₂，Y₂)；计算两坐标位置中心连线O₁O₂与机床坐标X方向的夹角Φ，Φ＝arc tg/ΔY/ΔX，

其中ΔX＝X₂-X₁，ΔY＝Y₂-Y₁，该Φ角就是工件坐标系相对机床坐标系的坐标旋转角；并将Φ角大小输入到数控程序的相应位置中去，如果数控机床的数控系统功能比较强大，求Φ角的过程可以由数控系统自动完成；

3)在主轴上装入相应刀具，开启工作循环按扭，数控机床按事先编制好的程序运行；

4)去除夹紧，松开工件，将工件翻转180度，再固定工件，重复以上2)和3)的步骤，完成工件的全部加工。

3、根据权利要求1或2所述的数控机床半智能寻位加工的方法，其特征是所述的工件的两个特征表面为平面、圆柱凸台、圆柱孔、外圆锥表面、内圆锥表面的其中一种或任意两种组合。

4、根据权利要求1或2所述的数控机床半智能寻位加工的方法，其特征是所述的寻位器由固定端、过渡圆柱和寻位端组成，固定端位于寻位器的上端部，固定端为圆锥形，其锥度与数控机床主轴的莫氏锥度相适应或与数控机床主轴过度套的莫氏锥度相适应；寻位端位于寻位器的下端部，寻位端具有圆锥形结构，固定端与寻位端之间为过渡圆柱；固定端圆锥面、寻位端圆锥面和外园柱表面三者同轴。

5、根据权利要求3所述的数控机床半智能寻位加工的方法，其特征是所述的工件上的两个特征表面为圆柱凸台5，对应的寻位器为带内圆锥的寻位器。

6、根据权利要求3所述的数控机床半智能寻位加工的方法，其特征是所述的工件上的两个特征表面为圆柱孔6，对应的寻位器为带外圆锥的寻位器。

7、根据权利要求3所述的数控机床半智能寻位加工的方法，其特征是所述的工件上的两个特征表面为平面上的两处，对应的寻位器可以为带内锥的寻位器，也可以为带外锥的寻位器，寻位器与工件接触副为寻位器外园表面上的一条母线。

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