CN1475328A - 超大超重型工件机加工的探头测量寻位方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械加工制造技术领域，尤其是指一种超大超重型工件机加工的探头测量寻位方法。该方法主要是将工件搬运到现场后，经过初步的装夹，通过安装在机床主轴上的Renishaw探头，移动数控机床进行测量，测量工件上六个待测点的坐标，并和工件CAD模型理论上的待检测点理论上的三维坐标进行比较分析，进行误差均化优化处理，得出工件在机床坐标系的坐标，调整工件在CAD/CAM系统中工件的位置，生成工件的实际数控加工程序。本发明用于工程实际，可大大降低测量环节的复杂性和测量装置的成本，缩短生产准备时间，提高生产效率，降低生产成本。

Description

超大超重型工件机加工的探头测量寻位方法

技术领域

本发明属于机械加工制造技术领域，尤其是指一种超大超重型工件机加工的探头测量寻位方法。

背景技术

超大超重型工件的制造要经历许多环节，特别是对它的数控加工，需要较长的生产准备时间，包括工件的编程、运输、测量、安装、定位和刀具准备等，这样造成整个轨道梁的生产制造周期较长。

大型超重零件的加工不同于普通零件的加工，传统的零件加工步骤是，先根据零件的设计模型对其进行工艺分析，确定工艺方法和加工路线，设计工装夹具，进行数控编程；接着将工装夹具安装在机床上，之后再将工件安装在夹具中进行夹紧，然后进行加工。大型超重工件难以采用传统的定位方法定位，因为这类工件一旦就位，由于自身的重量和尺寸，难以精确进行位置调整，所以采用粗略安装就位、测量定位信息、数控编程，然后进行加工的工艺流程，所以测量定位信息就成为保证加工出合格产品的重要环节。另一方面，由于工件的尺寸和重量，使工件不可避免产生变形，工件毛坯的形状也可能和设计模型之间存在误差，但又必须使工件在加工状态时的受力情况同工件在实际应用中相同，这样又给工件定位信息的测量和切削加工带来不便。

磁悬浮列车轨道梁的机械加工是一个典型的大型超重有变形工件的加工，轨道梁是在水泥预制件中预埋金属部件，由于大尺寸和水泥预制件的变形，造成采用常规测量定位方法不能使用。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种可缩短生产准备时间，降低辅助生产成本，提高工作效率的超大超重型工件机加工的探头测量寻位方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种超大超重型工件机加工的探头测量寻位方法，工件毛坯有一定的加工余量，工件在进入加工工位之前，CAD模型已经建立，其特点是，该方法包括以下步骤：

(1)预先在工件毛坯相应位置处标出预定义点O₁₁、O₁₂、O₂₁、O₂₂、O₃₁、O₃₂，将工件按照实际受力情况进行安装定位；

(2)利用机床上的测量装置来测量上述各预定义点在机床坐标系中的两维坐标，并和工件CAD模型理论上的待检测点的三维坐标进行比较分析；

(3)进行误差均化优化处理，得出机床坐标系和工件CAD坐标系之间的关系；

(4)在CAD/CAM系统中，根据所得到的定位信息确定工件在CAD/CAM系统中的位置，经过后置处理生成机床加工的数控程序，送入机床进行加工。

所述测量装置系采用普通Renishaw探头，装入机床主轴中。

本发明是针对磁悬浮列车轨道梁的加工而提出，但其基本原理对所有工件的加工都有实用性，其优点主要表现在以下几个方面：

1、简化了工件加紧定位的要求：通过测量工件上的待测点的坐标，就可得到工件在机床坐标系中的坐标，从而简化工件的装夹和找正定位、缩短生产准备时间、优化数控程序的编制；工件经过简单的定位和装夹，不需要精确定位，特别是大型工件，调整位置非常困难，采用这种方法极大地缩短了定位调整的难度和时间。

2、简化测量工作降低测量装置的成本：本发明采用Renishaw探头，通过测量工件上坐标点，得到工件在机床坐标下的坐标；测量装置安装在机床主轴上，由机床数控系统控制它的移动，测量的数据通过数控系统读出或通过文件传递。

3、测量的精度不直接影响加工精度：本发明的方法，适应于一次装夹，完成所有加工工序，由于毛坯存在加工余量，所以工件变形和测量精度在允许的范围内，都能完成加工出合格的工件。

4、确保加工精度和降低切削量：由于工件的尺寸和重量，工件不可避免的存在变形，这些待测点的坐标也随之发生变化，采用本发明算法，将优化测量模型和CAD模型的匹配程度，从而保证最终的加工位置精度，减少切削量。

附图说明

下面借助于附图更详细地说明本发明，其中：

图1为轨道梁模型。

图2为连接件。

图3为本发明的六个测量点的布置。

图4为本发明的每个连接件上点的测量。

图5为工件坐标系1和2的设定。

图6为以中间两点为基准拟合两端的四点。

图7为求两端实测向量对应的理想向量。

图8为本发明的生产线俯视图。

具体实施方式

请参阅图1至图7所示，其前提是：工件毛坯有一定的加工余量，工件在进入加工工位之前，CAD模型已经建立。其中，本发明超大超重型工件机加工的探头测量寻位方法中的误差均化优化处理是工程中的常用方法。本发明中，测量装置系采用装入机床主轴中的Renishaw探头。

本发明的详细内容进一步描述如下：1测量方法1.1测量点的规定

六个测量点分别布置在轨道梁两侧各三个连接件的表面上(图3)，其中O11、O12、和O31、O32在首尾段第一个和最后一个连接件，O21、O22在第(n\2+1)段的第一个连接件上。1.2测量方法

在两台机床的主轴上安装Renishaw探头，每台机床使用其测量自己一侧的三个点。Renishaw探头是接触式测量仪器，所测得的每个点都具有完整的坐标。具体测量方法和步骤如下：●测量从轨道梁一端开始，测量两端及中间三个连接件。两台机床用Renishaw探头进行测量，各自测量本侧共3个连接件，测量连接件如图3中用箭头标注的连接面，每个连接件需测4个点。●首先在所测连接件的表面用醒目的划线标注出1点的位置(图4)，移动Renishaw探头到1点的上方约50mm，启动测量循环MTEST.MPF，测量循环自动测量1，2，3，4点，4点测量完成后，程序自动M00停止，手动移动Renishaw探头到下一个连接件进行同样的测量，直到3个连接件测量完成。●将RTEST.MPF程序UNLOAD，通知控制室进行测量数据采集，采集完成后，删除RTEST.MPF。

由上面的叙述可以知道，测量工作由两台机床共同完成。测量完毕后要将所有测量点的坐标转换至机床1坐标系下，然后才能进行定位算法的推导。2建立工件坐标系与设计坐标系之间的关系2.1工件坐标系的设定

图5为设定的工件坐标系1与工件坐标系2，设定2个坐标系的目的是为后面的误差均化计算做准备。为便于阅读将图3的符号进行简化，即O₁₁→O₁、O₁₂→O₂、O₂₁→O₅、O₂₂→O₆、O₃₁→O₃、O₃₂→O₄。O₇、O₈、O₉分别是

和 的中点。

工件坐标系1：以O₇为原点，

为x轴，

为z轴，即：

$\stackrel{\→}{z_w}={\left(\stackrel{\→}{O_2{O}_1}\right)}_u,$ $\stackrel{\→}{y_w}={(\stackrel{\→}{z_w}\×\stackrel{\→}{x_w})}_u.$

工件坐标系2：以O₈为原点， 为x轴，

为z轴，即： $\stackrel{\→}{x_h}={\left(\stackrel{\→}{O_7{O}_8}\right)}_u,$ $\stackrel{\→}{z_h}={\left(\stackrel{\→}{O_4{O}_3}\right)}_u,$ $\stackrel{\→}{y_h}={(\stackrel{\→}{z_h}\×\stackrel{\→}{x_h})}_u.$ 2.2拟合

由于在制梁时连接件的布置以梁中间2个连接件为基准，所以拟合时仍以这两个连接件为基准，以此确定两端的4点，即根据实测得到的 求理论的

为待求的对应为

和

的拟合单位向量，要求

同时逼近

和

也就是说

在由OM7、OM9和OM8构成的平面上的投影要同时在ΔO_M7O_M8O_M9内或外，并且 与 的夹角α₇与 与 的夹角α₈相同。可以证明当α₇取得最小值时的 即为

和 的最佳拟合向量。2.3确定轨道梁在机床坐标系中的位置

即根据实测的

求与其对应的理想向量的

参见图7。当

与 和

共面时， 与 最接近。即 $\left({\left(\stackrel{\→}{O_{M7}{O}_{M8}}\right)}_u{\left(\stackrel{\→}{O_{M2}{O}_{M1}}\right)}_u\right)\·\stackrel{\→}{A_1}=0,$ 即可求出 求

的方法同求

2.4误差均化

以

建立工件坐标系1，推导

设工件坐标系1的三个轴向向量

在机床坐标系中的表示为

则： $\stackrel{\→}{x_{\mathrm{wm}}}={\left(\stackrel{\→}{O_{M7}{O}_{M8}}\right)}_u,$ $\stackrel{\→}{z_{\mathrm{wm}}}=\stackrel{\→}{A_1},\stackrel{\→}{y_{\mathrm{wm}}}={(\stackrel{\→}{z_{\mathrm{wm}}}\×\stackrel{\→}{x_{\mathrm{wm}}})}_u.$

设第i点在工件坐标系1中表示为O_Wi(x_Wi，y_Wi，z_Wi)，在机床坐标系中表示为O_Mi(x_Wi，y_Mi，z_Mi)，则有以下变换关系： $\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{Mi}}\\ y_{\mathrm{Mi}}\\ z_{\mathrm{Mi}}\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{x}_{\mathrm{wmx}}& y_{\mathrm{wmx}}& z_{\mathrm{wmx}}& x_{M7}\\ x_{\mathrm{wmy}}& y_{\mathrm{wmy}}& z_{\mathrm{wmy}}& y_{M7}\\ x_{\mathrm{wmz}}& y_{\mathrm{wmz}}& z_{\mathrm{wmz}}& z_{M7}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{Wi}}\\ y_{\mathrm{Wi}}\\ z_{\mathrm{Wi}}\\ 1\end{array}\right],$ 令 $A_{\mathrm{wm}}=\left[\begin{array}{cccc}{x}_{\mathrm{wmx}}& y_{\mathrm{wmx}}& z_{\mathrm{wmx}}& x_{M7}\\ x_{\mathrm{wmy}}& y_{\mathrm{wmy}}& z_{\mathrm{wmy}}& y_{M7}\\ x_{\mathrm{wmz}}& y_{\mathrm{wmz}}& z_{\mathrm{wmz}}& z_{M7}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],$ 可从工件坐标系1中的O_W3、O_W4点推出其在机床坐标系中的坐标，记为O′_M3、O′_M4。 $\stackrel{\→}{{A^{\′}}_2}={\left(\stackrel{\→}{{O^{\′}}_{M4}{O^{\′}}_{M3}}\right)}_u=\{{x^{\′}}_{M3}-{x^{\′}}_{M4},{y^{\′}}_{M3}-{y^{\′}}_{M4},{z^{\′}}_{M3}-{z^{\′}}_{M4}{\}}_u,$ 用向量和的方式进行均化，有

以

作为拟合向量推导 重新确定工件坐标系2与机床坐标系之间的关系。3确定总变换矩阵

确定从大地坐标系到机床坐标系的总转换矩阵A_em，A_em＝A_hmA_hl ^-lA_erlA_eer，i点在大地坐标系中的表示为O_Ei(x_Ei，y_Ei，z_Ei)，在机床坐标系中的坐标为O_Mi(x_Wi，y_Mi，z_Mi)，则有变换关系为 $\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{Mi}}\\ y_{\mathrm{Mi}}\\ z_{\mathrm{Mi}}\\ 1\end{array}\right]=A_{\mathrm{em}}\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{Ei}}\\ y_{\mathrm{Ei}}\\ z_{\mathrm{Ei}}\\ 1\end{array}\right]=A_{\mathrm{hm}}{A_{\mathrm{hl}}}^{-1}{A}_{\mathrm{erl}}{A}_{\mathrm{eer}}\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{Ei}}\\ y_{\mathrm{Ei}}\\ z_{\mathrm{Ei}}\\ 1\end{array}\right]$

下面结合上述的详细步骤再举一实施例加以说明：本发明应用于上海磁悬浮列车导轨梁的加工中，加工系统的布局如图8所示，两台机床为五坐标机床，工件位于两台机床中间，机床X方向行程为30米左右，采用光栅尺全闭环控制，机床立柱可绕Y轴旋转，主轴绕X轴旋转。两台机床坐标系之间的关系已知，任一机床中点的坐标都可方便地经过平移转换到另一机床中。

通过使用Renishaw探头进行测量。Renishaw探头为接触式测量设备，对工件上六点的测量，采用本发明的计算方法得到的工件定位信息(见表1、表2和表3)，然后编制相应的加工程序，由数控机床完成对零件的加工。

                          表1

测量点设计坐标(单位：米)
				点号	X	Y	Z
O11	-3482.39	9119.141	16.95058
				O12	-3484.58	9118.934	16.80692
O31	-3480.19899	9095.219782	16.927085
				O32	-3482.39315	9095.024148	16.830089
O21	-3481.28605	9107.328336	16.93969
				O22	-3483.47865	9107.128196	16.819495

                           表2

测量点实测值(单位：毫米，机床坐标系)
				点号	X_	Y	Z
O11	7776.854851	-697.389373	-769.617203
				O12	26455.44848	-851.374406	-551.136061
O31	26476.31484	-710.469384	-779.798313
				O32	7768.948726	-829.263759	-541.512306
O21	17069.01639	-704.982395	-761.111398
				O22	17170.37182	-841.472526	-560.846414

                      表3

计算得出O32在左侧机床坐标系中的坐标
					X	Y	Z
O32	26468.81	-815.054	-2986.41

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (2)

1.一种超大超重型工件机加工的探头测量寻位方法，工件毛坯有一定的加工余量，工件在进入加工工位之前，CAD模型已经建立，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)预先在工件毛坯相应位置处标出预定义点O₁₁、O₁₂、O₂₁、O₂₂、O₃₁、O₃₂，将工件按照实际受力情况进行安装定位；

(2)利用机床上的测量装置来测量上述各预定义点在机床坐标系中的两维坐标，并和工件CAD模型理论上的待检测点的三维坐标进行比较分析；

(3)进行误差均化优化处理，得出机床坐标系和工件CAD坐标系之间的关系；

(4)在CAD/CAM系统中，根据所得到的定位信息确定工件在CAD/CAM系统中的位置，经过后置处理生成机床加工的数控程序，送入机床进行加工。

2.根据权利要求1所述的超大超重型工件机加工的探头测量寻位方法，其特征在于，所述测量装置系采用普通Renishaw探头，装入机床主轴中。

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