專利名稱：數(shù)控機床半智能尋位加工的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機械零件在數(shù)控機床上加工的方法。
①對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現(xiàn)工件在夾具上的正確安裝，再通過夾具上的導向元件將夾具正確地安裝在機床上，從而保證工件在機床上預(yù)定位置的準確性。專用夾具是在加工前為工件專門設(shè)計制造出來，并且每道工序需要一套專用夾具。這樣，完成一個工件的加工需要數(shù)套乃至數(shù)十套夾具，實現(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、制造和裝調(diào)不僅延長了產(chǎn)品生產(chǎn)周期，并且，耗費大量的物力和財力。
②對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_找正工件在機床上的位置，這不僅降低了自動化程度，難以保證產(chǎn)品質(zhì)量，而且需耗費大量輔助時間，大大降低機床利用率和產(chǎn)品生產(chǎn)率。然而，當今世界市場產(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動態(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代以滿足社會和人們的需求，產(chǎn)品的壽命周期越來越短，機械產(chǎn)品的市場競爭將越來越激烈。制造業(yè)從20世紀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90年代以后尤為突出。因此，舊的機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?！皩の弧笔峭ㄟ^仿人智能的途徑主動找尋和確定工件的實際位置與姿態(tài)?！皩の?加工”模式的運作過程是，先主動獲取工件實際狀態(tài)信息，然后根據(jù)工件實際狀態(tài)實時生成刀具運動路徑和軌跡，最后控制機床主運動和輔助運動從而加工出合格零件。
基本思想是工件在加工前不需在機床上定位，只需隨機地固定即可。加工開始時先由工件掃描系統(tǒng)獲取工件輪廓表面信息；然后以模式識別和尋位計算等手段求得工件的真實狀態(tài)，并以此得到加工坐標系與設(shè)計坐標系之間的實際關(guān)系；最后根據(jù)這些實際信息，自適應(yīng)地生成刀具軌跡和機床運動控制指令，便可加工出符合要求的零件。這種方法具有很多優(yōu)點，實現(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用和較長的制造時間；但是“智能尋位加工”必須具備如下四個條件(而這四個條件必須需要付出昂貴的代價)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(裝有2臺CCD攝像機，成一定角度對準被尋位工件)和尋位計算機系統(tǒng)(1臺PentiumII計算機和若干外圍設(shè)備)。
②刀具路徑實時生成工作站③位姿自適應(yīng)加工裝備這種新型加工中心采用并聯(lián)閉鏈多自由度進給系統(tǒng)，并由直線電機直接驅(qū)動，因此必須使機床主軸(帶動刀具)相對于工件作六自由度高速運動，如是對于稍微復(fù)雜零件常常需要較多坐標控制功能的機床，使機床的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，機床非常昂貴(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)，可靠性和實時性是最主要的要求。為滿足工業(yè)現(xiàn)場控制對可靠性的特殊要求，總線必須采用了多種錯誤監(jiān)測和糾錯措施。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是數(shù)控機床半智能尋位加工的方法，其特征是通過數(shù)控機床主軸孔內(nèi)的尋位器找尋工件的兩個特征表面的坐標位置O1(X1，Y1)和O2(X2，Y2)或方位O1O2；通過坐標計算得到工件坐標系和機床坐標系的旋轉(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系編制的數(shù)控程序的專用語句中去，如果數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)功能比較強大，求Φ角的過程可以由數(shù)控系統(tǒng)自動完成；通過對刀點實現(xiàn)坐標的平移，啟動事先按工件坐標系編制的數(shù)控程序，便可按程序要求加工出所要求加工的工件。
數(shù)控機床半智能尋位加工的方法，按如下具體步驟實現(xiàn)1)將事先為工件加工而編制的數(shù)控程序輸入到機床數(shù)控系統(tǒng)中；2)將工件(或通過專用墊板)隨意放在數(shù)控機床的工作臺上并固定，在數(shù)控機床主軸孔內(nèi)裝上尺寸相宜的尋位器，點動工作臺使尋位器分別準確地對準工件上的兩個特征表面(或一個特征表面的兩個特征點)O1和O2進行尋位，數(shù)控系統(tǒng)分別記憶其坐標位置O1(X1，Y1)和O2(X2，Y2)；計算兩點的連線O1O2與機床坐標X方向的夾角Φ，Φ＝arc tgΔY/ΔX，其中ΔX＝X2-X1，ΔY＝Y(jié)2-Y1，該Φ角就是工件坐標系相對機床坐標系的坐標旋轉(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)控機床的數(shù)控系統(tǒng)功能比較強大，求Φ角的過程可以由數(shù)控系統(tǒng)自動完成；)3)在主軸上裝入相應(yīng)刀具，開啟工作循環(huán)按扭，數(shù)控機床按事先編制好的程序運行；
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。
所述的工件的兩個特征表面為平面、圓柱凸臺、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)控機床主軸的莫氏錐度相適應(yīng)或與數(shù)控機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尋位特征表面為兩個圓柱凸臺5，對應(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尋位特征表面為兩個圓柱孔6，對應(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尋位定位點為某平面上的兩處，對應(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的智能尋位加工的優(yōu)點，既免除了智能尋位加工的昂貴設(shè)備費用和復(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、制造的高昂費用、較長的夾具生產(chǎn)周期和夾具難于實現(xiàn)柔性化的瓶頸。“半智能尋位加工”只需開發(fā)簡單的尋位器，便可實現(xiàn)工件的“半智能尋位加工”，在我國當前的技術(shù)水平條件下，對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，“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。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)計合適的尋位器，這些元件的制造和設(shè)計費用相對“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)控機床的任何企業(yè)都是完全可以實現(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(檢測工件上兩園柱臺的中心位置)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(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、6-孔。
實施例1數(shù)控機床半智能尋位加工的方法，按如下具體步驟進行試驗樣件齒輪泵蓋，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)控機床系統(tǒng)中。
2)先將工件毛坯大平面任意放在機床工作臺上，用壓板、T型槽螺釘(或磁力吸盤吸緊)將工件固定在工作臺上。
3)將帶內(nèi)錐的尋位器套在機床主軸1上，點動工作臺，使尋位器2的內(nèi)錐正確地套在工件3第一個凸臺5上，并由數(shù)控系統(tǒng)記下其坐標值(X1，Y1)。抬高錐套使其從凸臺5拔出。如圖1、圖2所示。
4)再點動工作臺，使尋位器內(nèi)錐套正確地套在第二個凸臺5上，同樣記下其坐標值(X2，Y2)。
5)計算兩凸臺中心連線O1O2與機床坐標X方向的夾角Φ，該Φ角就是工件坐標系相對機床坐標系的坐標旋轉(zhuǎn)角。通常Φ角可以通過編程由數(shù)控系統(tǒng)計算。
第一個蠟?zāi)Ｔ囼烖c動工作臺對毛坯上的第一個凸臺進行尋位。得到第一個凸臺中心坐標，X1＝-25.416 Y1＝-48.584同樣，對工件第二個凸臺進行尋位，得到第二個凸臺中心的坐標，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，按動“循環(huán)動作”按扭，機床即可按事先編制好的程序運行加工上平面→加工下平面→加工第一凸臺外圓→加工第二凸臺外圓→加工上腰圓側(cè)面→加工下腰圓側(cè)面→加工兩個凸臺上的中心孔→加工六個螺釘孔→加工兩個銷釘孔。
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床工作臺上，將主軸對好起刀點，開動機床，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，各項技術(shù)指標均合格，因為工件的加工精度僅取決于數(shù)控機床的精度。
實施例2與實施例1基本相同，不同之處是因為工件在機床放置是隨意的，因此，此時的Φ角與例1是不同。
第二個蠟?zāi)Ｔ囼炄鐖D1、圖2所示，將第二個齒輪泵蠟?zāi)Ｃ麟S意放在機床工作臺上，并用T型槽螺釘和壓板固定在工作臺上，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，機床執(zhí)行程序，并完成全部加工。
實施例3與實施例2基本相同，不同之處僅在于Φ角不同。第二個蠟?zāi)Ｔ囼灥牡诙卧囼瀸⑸厦婕庸ね瓿傻南災(zāi)Ｋ砷_，將工件移動位置，重新壓緊固定在機床工作臺上。重復(fù)進行試驗。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，機床的切削過程基本上是無屑加工。
權(quán)利要求
1.數(shù)控機床半智能尋位加工的方法，其特征是通過數(shù)控機床主軸孔內(nèi)的尋位器找尋工件的兩個特征表面的坐標位置O1(X1，Y1)和O2(X2，Y2)或方位O1O2；通過坐標計算得到工件坐標系和機床坐標系的旋轉(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系編制的數(shù)控程序的專用語句中去，如果數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)功能比較強大，求Φ角的過程可以由數(shù)控系統(tǒng)自動完成；通過對刀點實現(xiàn)坐標的平移，啟動事先按工件坐標系編制的數(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)控機床半智能尋位加工的方法，其特征是按如下具體步驟實現(xiàn)1)將事先為工件加工而編制的數(shù)控程序輸入到數(shù)控機床系統(tǒng)中；2)將工件隨意或通過墊板放在數(shù)控機床的工作臺上并將工件固定，在數(shù)控機床主軸孔內(nèi)裝上尺寸相宜的尋位器，點動移動工作臺使尋位器分別準確地對準工件上的兩個特征表面進行尋位，數(shù)控機床記憶兩特征表面的坐標位置O1(X1，Y1)和O2(X2，Y2)；計算兩坐標位置中心連線O1O2與機床坐標X方向的夾角Φ，Φ＝arc tg/ΔY/ΔX，其中ΔX＝X2-X1，ΔY＝Y(jié)2-Y1，該Φ角就是工件坐標系相對機床坐標系的坐標旋轉(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)控機床的數(shù)控系統(tǒng)功能比較強大，求Φ角的過程可以由數(shù)控系統(tǒng)自動完成；3)在主軸上裝入相應(yīng)刀具，開啟工作循環(huán)按扭，數(shù)控機床按事先編制好的程序運行；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)控機床半智能尋位加工的方法，其特征是所述的工件的兩個特征表面為平面、圓柱凸臺、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)控機床主軸的莫氏錐度相適應(yīng)或與數(shù)控機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)控機床半智能尋位加工的方法，其特征是所述的工件上的兩個特征表面為圓柱凸臺5，對應(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)控機床半智能尋位加工的方法，其特征是所述的工件上的兩個特征表面為圓柱孔6，對應(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)控機床半智能尋位加工的方法，其特征是所述的工件上的兩個特征表面為平面上的兩處，對應(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)明涉及機械零件在數(shù)控機床上加工的方法。數(shù)控機床半智能尋位加工的方法，其特征是通過數(shù)控機床主軸孔內(nèi)的尋位器找尋工件的兩個特征表面的坐標位置O
文檔編號B23Q16/00GK1473684SQ0312523
公開日2004年2月11日 申請日期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 申請人:武漢科技學院