專利名稱：數(shù)控機(jī)床半智能尋位加工的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械零件在數(shù)控機(jī)床上加工的方法。
①對(duì)于有較大批量或形狀特別復(fù)雜的工件，必須要靠專用夾具。每道工序都有與之配套的夾具的定位和夾緊元件實(shí)現(xiàn)工件在夾具上的正確安裝，再通過夾具上的導(dǎo)向元件將夾具正確地安裝在機(jī)床上，從而保證工件在機(jī)床上預(yù)定位置的準(zhǔn)確性。專用夾具是在加工前為工件專門設(shè)計(jì)制造出來，并且每道工序需要一套專用夾具。這樣，完成一個(gè)工件的加工需要數(shù)套乃至數(shù)十套夾具，實(shí)現(xiàn)一種產(chǎn)品的加工往往需要成百上千套夾具。如此大量夾具的設(shè)計(jì)、制造和裝調(diào)不僅延長了產(chǎn)品生產(chǎn)周期，并且，耗費(fèi)大量的物力和財(cái)力。
②對(duì)于單件或小批量生產(chǎn)，常常采用通用夾具(如虎鉗，卡盤之類)由加工者根據(jù)工件的尺寸和技術(shù)要求靠工人的技術(shù)水平和技藝加工出合格的產(chǎn)品?？咳斯ぞ_找正工件在機(jī)床上的位置，這不僅降低了自動(dòng)化程度，難以保證產(chǎn)品質(zhì)量，而且需耗費(fèi)大量輔助時(shí)間，大大降低機(jī)床利用率和產(chǎn)品生產(chǎn)率。然而，當(dāng)今世界市場產(chǎn)品更新?lián)Q代的快速步伐，小批量生產(chǎn)和單件新產(chǎn)品的試制的生產(chǎn)份額越來越大，專用夾具和通用夾具都無法對(duì)動(dòng)態(tài)變化和難以預(yù)測的市場需求作出快速響應(yīng)。
經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展驅(qū)使產(chǎn)品必須盡快地更新?lián)Q代以滿足社會(huì)和人們的需求，產(chǎn)品的壽命周期越來越短，機(jī)械產(chǎn)品的市場競爭將越來越激烈。制造業(yè)從20世紀(jì)50年代以來的大批量和中批量生產(chǎn)占主要生產(chǎn)份額的生產(chǎn)模式快速向小批量、多品種轉(zhuǎn)化，特別是20世紀(jì)90年代以后尤為突出。因此，舊的機(jī)械加工方法和模式已經(jīng)不能滿足市場的要求，市場呼喚從事機(jī)械制造的科技工作者迅速改變傳統(tǒng)的加工模式以適應(yīng)快速多變的市場。
于是出現(xiàn)了“尋位-加工”模式。“尋位”是通過仿人智能的途徑主動(dòng)找尋和確定工件的實(shí)際位置與姿態(tài)?！皩の?加工”模式的運(yùn)作過程是，先主動(dòng)獲取工件實(shí)際狀態(tài)信息，然后根據(jù)工件實(shí)際狀態(tài)實(shí)時(shí)生成刀具運(yùn)動(dòng)路徑和軌跡，最后控制機(jī)床主運(yùn)動(dòng)和輔助運(yùn)動(dòng)從而加工出合格零件。
基本思想是工件在加工前不需在機(jī)床上定位，只需隨機(jī)地固定即可。加工開始時(shí)先由工件掃描系統(tǒng)獲取工件輪廓表面信息；然后以模式識(shí)別和尋位計(jì)算等手段求得工件的真實(shí)狀態(tài)，并以此得到加工坐標(biāo)系與設(shè)計(jì)坐標(biāo)系之間的實(shí)際關(guān)系；最后根據(jù)這些實(shí)際信息，自適應(yīng)地生成刀具軌跡和機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制指令，便可加工出符合要求的零件。這種方法具有很多優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了無夾具制造。
“智能尋位加工”的利是免除了大量夾具制造的費(fèi)用和較長的制造時(shí)間；但是“智能尋位加工”必須具備如下四個(gè)條件(而這四個(gè)條件必須需要付出昂貴的代價(jià))①工件尋位工作站工件尋位工作站必須配備工件信息獲取機(jī)(裝有2臺(tái)CCD攝像機(jī)，成一定角度對(duì)準(zhǔn)被尋位工件)和尋位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(1臺(tái)PentiumII計(jì)算機(jī)和若干外圍設(shè)備)。
②刀具路徑實(shí)時(shí)生成工作站③位姿自適應(yīng)加工裝備這種新型加工中心采用并聯(lián)閉鏈多自由度進(jìn)給系統(tǒng)，并由直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，因此必須使機(jī)床主軸(帶動(dòng)刀具)相對(duì)于工件作六自由度高速運(yùn)動(dòng)，如是對(duì)于稍微復(fù)雜零件常常需要較多坐標(biāo)控制功能的機(jī)床，使機(jī)床的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，機(jī)床非常昂貴(百萬元以上)。
④現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)智能尋位加工系統(tǒng)需在信息集成環(huán)境下運(yùn)行，因此，網(wǎng)絡(luò)通訊是其關(guān)鍵一環(huán)。作為工業(yè)現(xiàn)場控制的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可靠性和實(shí)時(shí)性是最主要的要求。為滿足工業(yè)現(xiàn)場控制對(duì)可靠性的特殊要求，總線必須采用了多種錯(cuò)誤監(jiān)測和糾錯(cuò)措施。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是數(shù)控機(jī)床半智能尋位加工的方法，其特征是通過數(shù)控機(jī)床主軸孔內(nèi)的尋位器找尋工件的兩個(gè)特征表面的坐標(biāo)位置O1(X1，Y1)和O2(X2，Y2)或方位O1O2；通過坐標(biāo)計(jì)算得到工件坐標(biāo)系和機(jī)床坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角Φ，Φ＝arc tgΔY/ΔX，其中ΔX＝X2-X1，ΔY＝Y(jié)2-Y1，將Φ角輸入到事先按工件坐標(biāo)系編制的數(shù)控程序的專用語句中去，如果數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)功能比較強(qiáng)大，求Φ角的過程可以由數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)完成；通過對(duì)刀點(diǎn)實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)的平移，啟動(dòng)事先按工件坐標(biāo)系編制的數(shù)控程序，便可按程序要求加工出所要求加工的工件。
數(shù)控機(jī)床半智能尋位加工的方法，按如下具體步驟實(shí)現(xiàn)1)將事先為工件加工而編制的數(shù)控程序輸入到機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中；2)將工件(或通過專用墊板)隨意放在數(shù)控機(jī)床的工作臺(tái)上并固定，在數(shù)控機(jī)床主軸孔內(nèi)裝上尺寸相宜的尋位器，點(diǎn)動(dòng)工作臺(tái)使尋位器分別準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)工件上的兩個(gè)特征表面(或一個(gè)特征表面的兩個(gè)特征點(diǎn))O1和O2進(jìn)行尋位，數(shù)控系統(tǒng)分別記憶其坐標(biāo)位置O1(X1，Y1)和O2(X2，Y2)；計(jì)算兩點(diǎn)的連線O1O2與機(jī)床坐標(biāo)X方向的夾角Φ，Φ＝arc tgΔY/ΔX，其中ΔX＝X2-X1，ΔY＝Y(jié)2-Y1，該Φ角就是工件坐標(biāo)系相對(duì)機(jī)床坐標(biāo)系的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)角；并將Φ角大小輸入到數(shù)控程序的相應(yīng)位置中去；(如果數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)功能比較強(qiáng)大，求Φ角的過程可以由數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)完成；)3)在主軸上裝入相應(yīng)刀具，開啟工作循環(huán)按扭，數(shù)控機(jī)床按事先編制好的程序運(yùn)行；
4)去除夾緊，松開工件，將工件翻轉(zhuǎn)180度，再固定工件，重復(fù)以上2)和3)的步驟，完成工件的全部加工。如圖5所示。
所述的工件的兩個(gè)特征表面為平面、圓柱凸臺(tái)、圓柱孔、外圓錐表面、內(nèi)圓錐表面的其中一種或任意兩種組合。
所述的尋位器由固定端、過渡圓柱和尋位端組成，固定端位于尋位器的上端部，固定端為圓錐形，其錐度與數(shù)控機(jī)床主軸的莫氏錐度相適應(yīng)或與數(shù)控機(jī)床主軸過度套的莫氏錐度相適應(yīng)；尋位端位于尋位器的下端部，尋位端具有圓錐形結(jié)構(gòu)，固定端與尋位端之間為過渡圓柱表面；固定端錐面、尋位端錐面和外圓表面具有同軸度要求。
若所述的工件上的兩個(gè)尋位特征表面為兩個(gè)圓柱凸臺(tái)5，對(duì)應(yīng)的尋位器為帶內(nèi)錐的尋位器。如圖1、圖2所示。
若所述的工件上的兩個(gè)尋位特征表面為兩個(gè)圓柱孔6，對(duì)應(yīng)的尋位器為帶外錐的尋位器。如圖3、圖4所示。
若所述的工件上的兩個(gè)尋位定位點(diǎn)為某平面上的兩處，對(duì)應(yīng)的尋位器可以為帶內(nèi)錐的尋位器，也可以為帶外錐的尋位器，尋位器與工件該平面接觸副為尋位器外園表面上的一條母線。
本發(fā)明它綜合了傳統(tǒng)夾具的定位加工和先進(jìn)的智能尋位加工的優(yōu)點(diǎn)，既免除了智能尋位加工的昂貴設(shè)備費(fèi)用和復(fù)雜的軟件技術(shù)難關(guān)；也避開了定位加工中大量專用夾具設(shè)計(jì)、制造的高昂費(fèi)用、較長的夾具生產(chǎn)周期和夾具難于實(shí)現(xiàn)柔性化的瓶頸?！鞍胫悄軐の患庸ぁ敝恍栝_發(fā)簡單的尋位器，便可實(shí)現(xiàn)工件的“半智能尋位加工”，在我國當(dāng)前的技術(shù)水平條件下，對(duì)一般高精度和普通精度零件的加工是一條可行之路，也是一條經(jīng)濟(jì)之路。
本發(fā)明的有益效果如下1、“半智能尋位-加工”屬于“尋位-加工”的范疇，因此，避免了“定位-加工”的弊端，加工過程不需要夾具。同時(shí)，“半智能尋位-加工”又避免了“智能尋位-加工”的弊端，不需要“智能尋位-加工”所具備的苛刻的條件，節(jié)省了大量資金和高層次操作人員，極其經(jīng)濟(jì)。因此，具有可推廣性。
“半智能尋位-加工”工藝裝備簡單，只需根據(jù)被加工零件的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)合適的尋位器，這些元件的制造和設(shè)計(jì)費(fèi)用相對(duì)“定位-加工”的夾具和以上所述“智能尋位-加工”必須具備的昂貴設(shè)備來說是非常低廉，幾乎忽略不及。在具有數(shù)控機(jī)床的任何企業(yè)都是完全可以實(shí)現(xiàn)的。
2、本加工方法工序集中，加工精度高，工件精度取決于數(shù)控機(jī)床的精度，免去了定位誤差和夾具的制造誤差。
3、操作簡單、方便。


圖1是本發(fā)明的尋位器尋位時(shí)(檢測工件上兩園柱臺(tái)的中心位置)結(jié)構(gòu)示意2是圖1的工件的俯視3是本發(fā)明的尋位器尋位時(shí)(檢測工件上兩孔的中心位置)結(jié)構(gòu)示意4是圖3的沿A-A向視5是本發(fā)明的工藝流程圖其中1-主軸、2-尋位器、3-工件、4-墊板、5-凸臺(tái)、6-孔。
實(shí)施例1數(shù)控機(jī)床半智能尋位加工的方法，按如下具體步驟進(jìn)行試驗(yàn)樣件齒輪泵蓋，如圖1和圖2所示，1)將事先為工件加工而編制的數(shù)控程序輸入到數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)中。
2)先將工件毛坯大平面任意放在機(jī)床工作臺(tái)上，用壓板、T型槽螺釘(或磁力吸盤吸緊)將工件固定在工作臺(tái)上。
3)將帶內(nèi)錐的尋位器套在機(jī)床主軸1上，點(diǎn)動(dòng)工作臺(tái)，使尋位器2的內(nèi)錐正確地套在工件3第一個(gè)凸臺(tái)5上，并由數(shù)控系統(tǒng)記下其坐標(biāo)值(X1，Y1)。抬高錐套使其從凸臺(tái)5拔出。如圖1、圖2所示。
4)再點(diǎn)動(dòng)工作臺(tái)，使尋位器內(nèi)錐套正確地套在第二個(gè)凸臺(tái)5上，同樣記下其坐標(biāo)值(X2，Y2)。
5)計(jì)算兩凸臺(tái)中心連線O1O2與機(jī)床坐標(biāo)X方向的夾角Φ，該Φ角就是工件坐標(biāo)系相對(duì)機(jī)床坐標(biāo)系的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)角。通常Φ角可以通過編程由數(shù)控系統(tǒng)計(jì)算。
第一個(gè)蠟?zāi)Ｔ囼?yàn)點(diǎn)動(dòng)工作臺(tái)對(duì)毛坯上的第一個(gè)凸臺(tái)進(jìn)行尋位。得到第一個(gè)凸臺(tái)中心坐標(biāo)，X1＝-25.416 Y1＝-48.584同樣，對(duì)工件第二個(gè)凸臺(tái)進(jìn)行尋位，得到第二個(gè)凸臺(tái)中心的坐標(biāo)，X2＝-73.544 Y2＝-83.364ΔX＝X2-X1＝-48.128ΔY＝Y(jié)2-Y1＝-34.76Φ＝arc tgΔY/ΔX＝35.854(度)6)將計(jì)算出的Φ角輸入到數(shù)控程序的相應(yīng)位置7)將主軸退回起刀點(diǎn)，按動(dòng)“循環(huán)動(dòng)作”按扭，機(jī)床即可按事先編制好的程序運(yùn)行加工上平面→加工下平面→加工第一凸臺(tái)外圓→加工第二凸臺(tái)外圓→加工上腰圓側(cè)面→加工下腰圓側(cè)面→加工兩個(gè)凸臺(tái)上的中心孔→加工六個(gè)螺釘孔→加工兩個(gè)銷釘孔。
8)將壓板松開，取下工件，將工件翻轉(zhuǎn)180度放在墊板上并一起固定在機(jī)床工作臺(tái)上，將主軸對(duì)好起刀點(diǎn)，開動(dòng)機(jī)床，工件按事先編制好的程序，將工件的大平面加工完畢。
檢測已經(jīng)加工完成的零件，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均合格，因?yàn)楣ぜ募庸ぞ葍H取決于數(shù)控機(jī)床的精度。
實(shí)施例2與實(shí)施例1基本相同，不同之處是因?yàn)楣ぜ跈C(jī)床放置是隨意的，因此，此時(shí)的Φ角與例1是不同。
第二個(gè)蠟?zāi)Ｔ囼?yàn)如圖1、圖2所示，將第二個(gè)齒輪泵蠟?zāi)Ｃ麟S意放在機(jī)床工作臺(tái)上，并用T型槽螺釘和壓板固定在工作臺(tái)上，重復(fù)以上過程。得到如下數(shù)據(jù)X1＝-10.564Y1＝-66.252X2＝-70.348Y2＝-67.196ΔX＝X2-X1＝-59.784ΔY＝Y(jié)2-Y1＝-0.94Φ＝arc tgΔY/ΔX＝0.9(度)將Φ角輸入程序中去，在主軸上裝入相應(yīng)刀具，開啟工作循環(huán)按扭，機(jī)床執(zhí)行程序，并完成全部加工。
實(shí)施例3與實(shí)施例2基本相同，不同之處僅在于Φ角不同。第二個(gè)蠟?zāi)Ｔ囼?yàn)的第二次試驗(yàn)將上面加工完成的蠟?zāi)Ｋ砷_，將工件移動(dòng)位置，重新壓緊固定在機(jī)床工作臺(tái)上。重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)。得到如下數(shù)據(jù)X1＝-10.560Y1＝-71.892X2＝-70.344Y2＝-66.252ΔX＝X2-X1＝-59.784ΔY＝Y(jié)2-Y1＝5.64Φ＝arc tgΔY/ΔX＝-5.389(度)＝354.611(度)將Φ角輸入程序中去，在主軸上裝入相應(yīng)刀具，開啟工作循環(huán)按扭，機(jī)床執(zhí)行程序，由于該工件所要求加工的表面已經(jīng)加工過，所以，在第二次加工過程中，機(jī)床的切削過程基本上是無屑加工。
權(quán)利要求
1.數(shù)控機(jī)床半智能尋位加工的方法，其特征是通過數(shù)控機(jī)床主軸孔內(nèi)的尋位器找尋工件的兩個(gè)特征表面的坐標(biāo)位置O1(X1，Y1)和O2(X2，Y2)或方位O1O2；通過坐標(biāo)計(jì)算得到工件坐標(biāo)系和機(jī)床坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角Φ，Φ＝arc tg/ΔY/ΔX，其中ΔX＝X2-X1，ΔY＝Y(jié)2-Y1，將Φ角輸入到事先按工件坐標(biāo)系編制的數(shù)控程序的專用語句中去，如果數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)功能比較強(qiáng)大，求Φ角的過程可以由數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)完成；通過對(duì)刀點(diǎn)實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)的平移，啟動(dòng)事先按工件坐標(biāo)系編制的數(shù)控程序，便可按程序要求加工出所要求加工的工件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控機(jī)床半智能尋位加工的方法，其特征是按如下具體步驟實(shí)現(xiàn)1)將事先為工件加工而編制的數(shù)控程序輸入到數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)中；2)將工件隨意或通過墊板放在數(shù)控機(jī)床的工作臺(tái)上并將工件固定，在數(shù)控機(jī)床主軸孔內(nèi)裝上尺寸相宜的尋位器，點(diǎn)動(dòng)移動(dòng)工作臺(tái)使尋位器分別準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)工件上的兩個(gè)特征表面進(jìn)行尋位，數(shù)控機(jī)床記憶兩特征表面的坐標(biāo)位置O1(X1，Y1)和O2(X2，Y2)；計(jì)算兩坐標(biāo)位置中心連線O1O2與機(jī)床坐標(biāo)X方向的夾角Φ，Φ＝arc tg/ΔY/ΔX，其中ΔX＝X2-X1，ΔY＝Y(jié)2-Y1，該Φ角就是工件坐標(biāo)系相對(duì)機(jī)床坐標(biāo)系的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)角；并將Φ角大小輸入到數(shù)控程序的相應(yīng)位置中去，如果數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)功能比較強(qiáng)大，求Φ角的過程可以由數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)完成；3)在主軸上裝入相應(yīng)刀具，開啟工作循環(huán)按扭，數(shù)控機(jī)床按事先編制好的程序運(yùn)行；4)去除夾緊，松開工件，將工件翻轉(zhuǎn)180度，再固定工件，重復(fù)以上2)和3)的步驟，完成工件的全部加工。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的數(shù)控機(jī)床半智能尋位加工的方法，其特征是所述的工件的兩個(gè)特征表面為平面、圓柱凸臺(tái)、圓柱孔、外圓錐表面、內(nèi)圓錐表面的其中一種或任意兩種組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的數(shù)控機(jī)床半智能尋位加工的方法，其特征是所述的尋位器由固定端、過渡圓柱和尋位端組成，固定端位于尋位器的上端部，固定端為圓錐形，其錐度與數(shù)控機(jī)床主軸的莫氏錐度相適應(yīng)或與數(shù)控機(jī)床主軸過度套的莫氏錐度相適應(yīng)；尋位端位于尋位器的下端部，尋位端具有圓錐形結(jié)構(gòu)，固定端與尋位端之間為過渡圓柱；固定端圓錐面、尋位端圓錐面和外園柱表面三者同軸。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的數(shù)控機(jī)床半智能尋位加工的方法，其特征是所述的工件上的兩個(gè)特征表面為圓柱凸臺(tái)5，對(duì)應(yīng)的尋位器為帶內(nèi)圓錐的尋位器。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的數(shù)控機(jī)床半智能尋位加工的方法，其特征是所述的工件上的兩個(gè)特征表面為圓柱孔6，對(duì)應(yīng)的尋位器為帶外圓錐的尋位器。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的數(shù)控機(jī)床半智能尋位加工的方法，其特征是所述的工件上的兩個(gè)特征表面為平面上的兩處，對(duì)應(yīng)的尋位器可以為帶內(nèi)錐的尋位器，也可以為帶外錐的尋位器，尋位器與工件接觸副為尋位器外園表面上的一條母線。
全文摘要
本發(fā)明涉及機(jī)械零件在數(shù)控機(jī)床上加工的方法。數(shù)控機(jī)床半智能尋位加工的方法，其特征是通過數(shù)控機(jī)床主軸孔內(nèi)的尋位器找尋工件的兩個(gè)特征表面的坐標(biāo)位置O
文檔編號(hào)B23Q16/00GK1473684SQ0312523
公開日2004年2月11日 申請(qǐng)日期2003年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月6日
發(fā)明者張仙珍 申請(qǐng)人:武漢科技學(xué)院