TW201621493A - 高精度平面加工系統及方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種高精度平面加工系統及方法，該系統設定物料的基準面並計算所述基準面的平面度，在物料的待加工區域進行矩形網格切分，透過在切分後的每個矩形網格取起始點與結束點形成加工程式，對確定的矩形網格進行掃描得到多邊形面；將所述多邊形面的中心點的Z座標與基準面的平面度之間的差值回饋給CNC加工設備以修正加工刀具的Z座標；控制加工刀具對物料的待加工區域邊檢測邊加工，再比較加工後物料的待加工區域的平面度是否小於等於加工精度以判斷物料是否加工合格。本發明還提供一種高精度平面加工方法。

Description

高精度平面加工系統及方法

本發明涉及一種平面加工系統及方法，尤其是一種高精度平面加工系統及方法。

高精度平面加工一直是軍事、科技及民用等領域的核心製造技術。然而，電腦數位控制（computer numerical control, CNC）加工設備的精度、加工來料問題、加工刀具的磨損及加工環境等因素很難保證平面加工處理的產品達到高精度（如0.001mm）。

鑒於以上內容，有必要提供一種高精度平面加工系統及方法，可以自動快速地對物料的待加工區域邊檢測邊加工，以達到指定的加工精度。

一種高精度平面加工系統，運行於與CNC加工設備相連接的計算裝置。該系統包括一系列功能模組，利用這些功能模組，該系統控制掃描系統對待加工的物料進行掃描得到不在同一條直線上的第一組掃描點，校正加工刀具，使得所述第一組掃描點所形成的平面的法向量與所述加工刀具的軸線之間的角度小於等於預設值；在所述加工刀具校正完成後，控制所述掃描系統對待加工的物料上至少四個位置進行掃描得到第二組掃描點，將所述第二組掃描點擬合成的平面作為基準面，並計算所述基準面的平面度；對所述待加工的物料的待加工區域進行矩形網格切分，在切分後的每個矩形網格中設置起始點和結束點，根據各個矩形網格的起始點及結束點生成加工路徑；根據所述加工路徑確定當前需要加工的矩形網格，控制所述掃描系統對確定的矩形網格從起始點到結束點進行掃描，每掃描一次得到至少三個點，該至少三個點形成一個多邊形面；計算每個多邊形面的中心點的Z座標與基準面的平面度之間的差值，將所述差值回饋給所述CNC加工設備以修正所述加工刀具的Z座標；控制所述CNC加工設備根據所述加工程式利用修正後的加工刀具對確定的矩形網格沿起始點至結束點進行加工；在所有矩形網格加工完成後，將加工後的物料的待加工區域更新為基準面，並計算更新後的基準面的平面度；及判斷所述更新後的基準面的平面度是否小於等於預先設定的加工精度，以判斷物料是否加工合格。

一種高精度平面加工方法，應用於與CNC加工設備相連接的計算裝置。該方法包括：校正步驟，控制所述掃描系統對所述待加工的物料進行掃描得到不在同一條直線上的第一組掃描點，校正所述加工刀具，使得所述第一組掃描點所形成的平面的法向量與所述加工刀具的軸線之間的角度小於等於預設值；第一處理步驟，在所述加工刀具校正完成後，控制所述掃描系統對待加工的物料上至少四個位置進行掃描得到第二組掃描點，將所述第二組掃描點擬合成的平面作為基準面，並計算所述基準面的平面度；路徑生成步驟，對所述待加工的物料的待加工區域進行矩形網格切分，在切分後的每個矩形網格中設置起始點和結束點，根據各個矩形網格的起始點及結束點生成加工路徑；掃描步驟，根據所述加工路徑確定當前需要加工的矩形網格，控制所述掃描系統對確定的矩形網格從起始點到結束點進行掃描，每掃描一次得到至少三個點，該至少三個點形成一個多邊形面；第二處理步驟，計算每個多邊形面的中心點的Z座標與基準面的平面度之間的差值，將所述差值回饋給所述CNC加工設備以修正所述加工刀具的Z座標；控制步驟，控制所述CNC加工設備根據所述加工程式利用修正後的加工刀具對確定的矩形網格沿起始點至結束點進行加工；第三處理步驟，在所有矩形網格加工完成後，將加工後的物料的待加工區域更新為基準面，並計算更新後的基準面的平面度；及判斷步驟，判斷所述更新後的基準面的平面度是否小於等於預先設定的加工精度，以判斷物料是否加工合格，若所述更新後的基準面的平面度大於預先設定的加工精度，則返回所述掃描步驟。

相較於習知技術，本發明提供的高精度平面加工系統及方法，可以先對待加工區域進行矩形網格切分，形成弓字形的加工路徑，再透過邊檢測邊加工反覆運算多次以達到理想的平面精度。

圖1係本發明高精度平面加工系統較佳實施例的運行環境圖。

圖2係本發明高精度平面加工系統較佳實施例的功能模組圖。

圖3係本發明高精度平面加工方法較佳實施例的流程圖。

圖4係加工路徑的示意圖。

參閱圖1所示，係本發明高精度平面加工系統10較佳實施例的應用環境圖。該高精度平面加工系統10應用於計算裝置1，該計算裝置1連接CNC加工設備2。計算裝置1還包括存儲設備11及處理器12。CNC加工設備2包括夾持治具21、加工程式23、掃描系統24、加工刀具25及光學尺26。

夾持治具21用於夾持待加工的物料22。該夾持治具21是根據待生產的產品的三維圖檔製作的。

加工程式23用於控制CNC加工設備2對物料22進行加工。

掃描系統24可以為鐳射掃描器，用於對物料22進行鐳射掃描，得到掃描點。

加工刀具25用於根據加工程式23來切削物料22。

光學尺26用於在CNC加工設備2加工物料22時讀取加工點的座標。

CNC加工設備2還包括圖1中未示出的其他部件，例如放置物料22的工作臺，存儲加工程式23、掃描系統24及CNC加工設備2運行過程中產生的資料的存儲器等。

所述的高精度平面加工系統10計算待加工的物料22的基準面的平面度，確定待加工的物料22上指定加工區域的加工路徑，透過CNC加工設備2根據所述加工路徑對待加工的物料22邊檢測邊加工，使得加工後的物料22的平面度達到指定的加工精度。

參閱圖2所示，是本發明高精度平面加工系統較佳實施例的功能模組圖。高精度平面加工系統10包括資料讀取模組101、校正模組102、處理模組103、路徑生成模組104、掃描模組105、控制模組106及判斷模組107。模組101-107包括電腦程式化指令，這些電腦程式化指令存儲在存儲設備11。處理器12執行這些電腦程式化指令，提供高精度平面加工系統10的上述功能。模組101-107的具體功能請參閱下文關於圖3的介紹。

參閱圖3所示，是本發明高精度平面加工方法較佳實施例的流程圖。根據不同需求，該流程圖中步驟的順序可以改變，某些步驟可以省略或合併。

步驟S01，將待加工的物料22放置在夾持治具21上，掃描系統24對待加工的物料22進行掃描得到不在同一條直線上的第一組掃描點。資料讀取模組101從掃描系統24讀取所述第一組掃描點，並存儲於存儲設備11。

在本實施例中，該掃描系統24可以為鐳射掃描器，所述鐳射掃描器有至少三個掃描頭，每掃描一次得到至少三個掃描點。所述掃描系統24安裝於CNC加工設備2的主軸上。

步驟S02，校正模組102校正加工刀具25，使得所述第一組掃描點所形成的平面的法向量與加工刀具25的軸線之間的角度小於等於預設值（如5度）。在本實施例中，校正模組102測量掃描點所形成的平面的法向量與加工刀具25的軸線之間的角度，若所述角度大於預設值，則透過調整加工刀具25的軸線，也就是調整工作臺來使所述角度小於等於預設值。

在加工刀具25完成校正後，步驟S03，掃描系統24對待加工的物料22上至少四個位置進行掃描得到第二組掃描點，處理模組103將所述第二組掃描點擬合成的平面作為基準面，並計算所述基準面的平面度。所述至少四個位置所形成的區域包含待加工的物料22的整個待加工區域。

在本實施例中，處理模組103利用最小二乘法反覆運算擬合基準面，並找出所述基準面相對於所述第二組掃描點中所有點的最佳位置：所述第二組掃描點中所有的點到基準面的距離的平方和的平均值最小（擬牛頓解非線性方程式），也就是基準面的平面度，計算公式如下：

步驟S04，路徑生成模組104對物料22的待加工區域進行矩形網格切分，在切分後的每個矩形網格中設置起始點和結束點，根據各個矩形網格的起始點及結束點生成加工路徑及所述加工程式23。如圖4所示，路徑生成模組104在切分後的每個矩形網格中設置起始點和結束點，如第一個矩形網格中的起始點1和結束點2，第二個矩形網格中的起始點3和結束點4，第三個矩形網格中的起始點5和結束點6，依此類推。將各個起始點與結束點依次相連，形成弓字形的加工路徑。

在本實施例中，路徑生成模組104對加工物料22上的待加工區域進行矩形網格切分時，所述矩形網格的寬度41（參見圖4）不大於所述加工精度的3倍。

步驟S05，掃描模組105根據所述加工路徑確定當前需要加工的矩形網格，控制掃描系統24對確定的矩形網格從起始點到結束點進行掃描，每掃描一次得到至少三個點，該至少三個點形成一個多邊形面。

步驟S06，處理模組103計算每個多邊形面的中心點的Z座標與基準面的平面度之間的差值，將所述差值回饋給CNC加工設備2以修正加工刀具25的Z座標。

步驟S07，控制模組106控制CNC加工設備2根據所述加工程式23利用修正後的加工刀具25對確定的矩形網格沿起始點至結束點進行加工。

在本實施例中，在CNC加工設備2根據加工路徑對所述物料22的待加工區域進行加工前，透過掃描系統24中的鐳射掃描器對確定的矩形網格從起始點到結束點進行掃描。首先，透過發射雷射光束投射到確定的矩形網格起始點進行掃描，每次掃描可得到不在一條直線上的至少三個掃描點，再反射光束回來透過CCD裝置接收，並獲取至少三個掃描點構成的多邊形面的中心點的Z座標。再計算所述Z座標與所述基準面的平面度之間的差值，將所述差值回饋給CNC加工設備2以修正加工刀具25的Z座標。控制模組106控制CNC加工設備2利用修正後的加工刀具25對確定的矩形網格從起始點至結束點進行加工。如此邊檢測邊加工可以保證物料22的所有矩形網格有相同的平面度。

步驟S08，判斷模組107判斷物料22的待加工區域中所有矩形網格是否加工完成。若物料22的待加工區域中所有矩形網格加工完成，則流程進入步驟S09；若物料22的待加工區域中還有矩形網格未加工，則流程返回步驟S05。

在本實施例中，透過光學尺26讀取當前加工點座標，將所述當前加工點座標與確定的矩形網格的結束點座標進行比對判斷確定的矩形網格是否加工完成。若所述當前加工點座標與確定的矩形網格的結束點座標一致，則說明確定的矩形網格加工完成，則CNC加工設備2根據所述加工程式23移動加工刀具25至下一矩形網格的起始點繼續加工。當所述當前加工點座標與最後一個矩形網格的結束點一致時，所有矩形網格加工完成，流程進入步驟S09；若所述當前加工點座標與最後一個矩形網格的結束點不一致時，則說明還有矩形網格未加工完，則流程進返回步驟S05。掃描模組105根據所述加工路徑確定下一個需要加工的矩形網格。

在所有矩形網格加工完成後，步驟S09，處理模組103將加工後的物料22的待加工區域更新為基準面，並計算更新後的基準面的平面度。在本實施例中，按照步驟S03的方法計算更新後的基準面的平面度。

步驟S10，判斷模組107判斷所述更新後的基準面的平面度是否小於等於加工精度，以判斷物料22是否加工合格。若所述更新後的基準面的平面度大於所述加工精度，則說明物料22加工不合格，流程返回步驟S05；若所述更新後的基準面的平面度小於等於所述加工精度，則說明物料22加工合格，結束流程。

最後應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。

1‧‧‧計算裝置

10‧‧‧高精度平面加工系統

11‧‧‧存儲設備

12‧‧‧處理器

2‧‧‧CNC加工設備

21‧‧‧夾持治具

22‧‧‧物料

23‧‧‧加工程式

24‧‧‧掃描系統

25‧‧‧加工刀具

26‧‧‧光學尺

41‧‧‧矩形網格的寬度

101‧‧‧資料讀取模組

102‧‧‧校正模組

103‧‧‧處理模組

104‧‧‧路徑生成模組

105‧‧‧掃描模組

106‧‧‧控制模組

107‧‧‧判斷模組

無

10‧‧‧高精度平面加工系統

101‧‧‧資料讀取模組

102‧‧‧校正模組

103‧‧‧處理模組

104‧‧‧路徑生成模組

105‧‧‧掃描模組

106‧‧‧控制模組

107‧‧‧判斷模組

Claims (6)

1. 一種高精度平面加工方法，應用於計算裝置中，所述計算裝置與CNC加工設備相連，所述CNC加工設備包括夾持治具、加工程式、掃描系統和加工刀具，所述夾持治具用於夾持待加工的物料，該方法包括：
   校正步驟，控制所述掃描系統對所述待加工的物料進行掃描得到不在同一條直線上的第一組掃描點，校正所述加工刀具，使得所述第一組掃描點所形成的平面的法向量與所述加工刀具的軸線之間的角度小於等於預設值；
   第一處理步驟，在所述加工刀具校正完成後，控制所述掃描系統對待加工的物料上至少四個位置進行掃描得到第二組掃描點，將所述第二組掃描點擬合成的平面作為基準面，並計算所述基準面的平面度；
   路徑生成步驟，對所述待加工的物料的待加工區域進行矩形網格切分，在切分後的每個矩形網格中設置起始點和結束點，根據各個矩形網格的起始點及結束點生成加工路徑；
   掃描步驟，根據所述加工路徑確定當前需要加工的矩形網格，控制所述掃描系統對確定的矩形網格從起始點到結束點進行掃描，每掃描一次得到至少三個點，該至少三個點形成一個多邊形面；
   第二處理步驟，計算每個多邊形面的中心點的Z座標與基準面的平面度之間的差值，將所述差值回饋給所述CNC加工設備以修正所述加工刀具的Z座標；
   控制步驟，控制所述CNC加工設備根據所述加工程式利用修正後的加工刀具對確定的矩形網格沿起始點至結束點進行加工；
   第三處理步驟，在所有矩形網格加工完成後，將加工後的物料的待加工區域更新為基準面，並計算更新後的基準面的平面度；及
   判斷步驟，判斷所述更新後的基準面的平面度是否小於等於預先設定的加工精度，以判斷物料是否加工合格，若所述更新後的基準面的平面度大於預先設定的加工精度，則返回所述掃描步驟。
2. 如申請專利範圍第1項所述的高精度平面加工方法，所述第一處理步驟中的基準面利用最小二乘法反覆運算擬合而得。
3. 如申請專利範圍第1項所述的高精度平面加工方法，所述第一處理步驟中的至少四個位置所形成的區域包含待加工的物料的整個待加工區域。
4. 一種高精度平面加工系統，運行於計算裝置中，所述計算裝置與CNC加工設備相連，所述CNC加工設備包括夾持治具、加工程式、掃描系統和加工刀具，所述夾持治具用於夾持待加工的物料，該系統包括：
   校正模組，用於控制所述掃描系統對所述待加工的物料進行掃描得到不在同一條直線上的第一組掃描點，校正所述加工刀具，使得所述第一組掃描點所形成的平面的法向量與所述加工刀具的軸線之間的角度小於等於預設值；
   處理模組，用於在所述加工刀具校正完成後，控制所述掃描系統對待加工的物料上至少四個位置進行掃描得到第二組掃描點，將所述第二組掃描點擬合成的平面作為基準面，並計算所述基準面的平面度；
   路徑生成模組，用於對所述待加工的物料的待加工區域進行矩形網格切分，在切分後的每個矩形網格中設置起始點和結束點，根據各個矩形網格的起始點及結束點生成加工路徑；
   掃描模組，用於根據所述加工路徑確定當前需要加工的矩形網格，控制所述掃描系統對確定的矩形網格從起始點到結束點進行掃描，每掃描一次得到至少三個點，該至少三個點形成一個多邊形面；
   所述的處理模組，還用於計算每個多邊形面的中心點的Z座標與基準面的平面度之間的差值，將所述差值回饋給所述CNC加工設備以修正所述加工刀具的Z座標；
   控制模組，用於控制所述CNC加工設備根據所述加工程式利用修正後的加工刀具對確定的矩形網格沿起始點至結束點進行加工；
   所述的處理模組，還用於在所有矩形網格加工完成後，將加工後的物料的待加工區域更新為基準面，並計算更新後的基準面的平面度；及
   判斷模組，用於判斷所述更新後的基準面的平面度是否小於等於預先設定的加工精度，以判斷物料是否加工合格。
5. 如申請專利範圍第4項所述的高精度平面加工系統，所述第一處理步驟中的基準面利用最小二乘法反覆運算擬合而得。
6. 如申請專利範圍第4項所述的高精度平面加工系統，所述第一處理步驟中的至少四個位置所形成的區域包含待加工的物料的整個待加工區域。