專利名稱：超大超重型工件機(jī)加工的探頭測量尋位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械加工制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種超大超重型工件機(jī)加工的探頭測量尋位方法。
大型超重零件的加工不同于普通零件的加工，傳統(tǒng)的零件加工步驟是，先根據(jù)零件的設(shè)計(jì)模型對其進(jìn)行工藝分析，確定工藝方法和加工路線，設(shè)計(jì)工裝夾具，進(jìn)行數(shù)控編程；接著將工裝夾具安裝在機(jī)床上，之后再將工件安裝在夾具中進(jìn)行夾緊，然后進(jìn)行加工。大型超重工件難以采用傳統(tǒng)的定位方法定位，因?yàn)檫@類工件一旦就位，由于自身的重量和尺寸，難以精確進(jìn)行位置調(diào)整，所以采用粗略安裝就位、測量定位信息、數(shù)控編程，然后進(jìn)行加工的工藝流程，所以測量定位信息就成為保證加工出合格產(chǎn)品的重要環(huán)節(jié)。另一方面，由于工件的尺寸和重量，使工件不可避免產(chǎn)生變形，工件毛坯的形狀也可能和設(shè)計(jì)模型之間存在誤差，但又必須使工件在加工狀態(tài)時(shí)的受力情況同工件在實(shí)際應(yīng)用中相同，這樣又給工件定位信息的測量和切削加工帶來不便。
磁懸浮列車軌道梁的機(jī)械加工是一個(gè)典型的大型超重有變形工件的加工，軌道梁是在水泥預(yù)制件中預(yù)埋金屬部件，由于大尺寸和水泥預(yù)制件的變形，造成采用常規(guī)測量定位方法不能使用。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種超大超重型工件機(jī)加工的探頭測量尋位方法，工件毛坯有一定的加工余量，工件在進(jìn)入加工工位之前，CAD模型已經(jīng)建立，其特點(diǎn)是，該方法包括以下步驟(1)預(yù)先在工件毛坯相應(yīng)位置處標(biāo)出預(yù)定義點(diǎn)O11、O12、O21、O22、O31、O32，將工件按照實(shí)際受力情況進(jìn)行安裝定位；(2)利用機(jī)床上的測量裝置來測量上述各預(yù)定義點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的兩維坐標(biāo)，并和工件CAD模型理論上的待檢測點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行比較分析；(3)進(jìn)行誤差均化優(yōu)化處理，得出機(jī)床坐標(biāo)系和工件CAD坐標(biāo)系之間的關(guān)系；(4)在CAD/CAM系統(tǒng)中，根據(jù)所得到的定位信息確定工件在CAD/CAM系統(tǒng)中的位置，經(jīng)過后置處理生成機(jī)床加工的數(shù)控程序，送入機(jī)床進(jìn)行加工。
所述測量裝置系采用普通Renishaw探頭，裝入機(jī)床主軸中。
本發(fā)明是針對磁懸浮列車軌道梁的加工而提出，但其基本原理對所有工件的加工都有實(shí)用性，其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面1、簡化了工件加緊定位的要求通過測量工件上的待測點(diǎn)的坐標(biāo)，就可得到工件在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，從而簡化工件的裝夾和找正定位、縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間、優(yōu)化數(shù)控程序的編制；工件經(jīng)過簡單的定位和裝夾，不需要精確定位，特別是大型工件，調(diào)整位置非常困難，采用這種方法極大地縮短了定位調(diào)整的難度和時(shí)間。
2、簡化測量工作降低測量裝置的成本本發(fā)明采用Renishaw探頭，通過測量工件上坐標(biāo)點(diǎn)，得到工件在機(jī)床坐標(biāo)下的坐標(biāo)；測量裝置安裝在機(jī)床主軸上，由機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)控制它的移動，測量的數(shù)據(jù)通過數(shù)控系統(tǒng)讀出或通過文件傳遞。
3、測量的精度不直接影響加工精度本發(fā)明的方法，適應(yīng)于一次裝夾，完成所有加工工序，由于毛坯存在加工余量，所以工件變形和測量精度在允許的范圍內(nèi)，都能完成加工出合格的工件。
4、確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變形，這些待測點(diǎn)的坐標(biāo)也隨之發(fā)生變化，采用本發(fā)明算法，將優(yōu)化測量模型和CAD模型的匹配程度，從而保證最終的加工位置精度，減少切削量。
圖2為連接件。
圖3為本發(fā)明的六個(gè)測量點(diǎn)的布置。
圖4為本發(fā)明的每個(gè)連接件上點(diǎn)的測量。
圖5為工件坐標(biāo)系1和2的設(shè)定。
圖6為以中間兩點(diǎn)為基準(zhǔn)擬合兩端的四點(diǎn)。
圖7為求兩端實(shí)測向量對應(yīng)的理想向量。
圖8為本發(fā)明的生產(chǎn)線俯視圖。
本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容進(jìn)一步描述如下1測量方法1.1測量點(diǎn)的規(guī)定六個(gè)測量點(diǎn)分別布置在軌道梁兩側(cè)各三個(gè)連接件的表面上(圖3)，其中O11、O12、和O31、O32在首尾段第一個(gè)和最后一個(gè)連接件，O21、O22在第(n\2+1)段的第一個(gè)連接件上。1.2測量方法在兩臺機(jī)床的主軸上安裝Renishaw探頭，每臺機(jī)床使用其測量自己一側(cè)的三個(gè)點(diǎn)。Renishaw探頭是接觸式測量儀器，所測得的每個(gè)點(diǎn)都具有完整的坐標(biāo)。具體測量方法和步驟如下●測量從軌道梁一端開始，測量兩端及中間三個(gè)連接件。兩臺機(jī)床用Renishaw探頭進(jìn)行測量，各自測量本側(cè)共3個(gè)連接件，測量連接件如圖3中用箭頭標(biāo)注的連接面，每個(gè)連接件需測4個(gè)點(diǎn)。●首先在所測連接件的表面用醒目的劃線標(biāo)注出1點(diǎn)的位置(圖4)，移動Renishaw探頭到1點(diǎn)的上方約50mm，啟動測量循環(huán)MTEST.MPF，測量循環(huán)自動測量1，2，3，4點(diǎn)，4點(diǎn)測量完成后，程序自動M00停止，手動移動Renishaw探頭到下一個(gè)連接件進(jìn)行同樣的測量，直到3個(gè)連接件測量完成?！駥TEST.MPF程序UNLOAD，通知控制室進(jìn)行測量數(shù)據(jù)采集，采集完成后，刪除RTEST.MPF。
由上面的敘述可以知道，測量工作由兩臺機(jī)床共同完成。測量完畢后要將所有測量點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至機(jī)床1坐標(biāo)系下，然后才能進(jìn)行定位算法的推導(dǎo)。2建立工件坐標(biāo)系與設(shè)計(jì)坐標(biāo)系之間的關(guān)系2.1工件坐標(biāo)系的設(shè)定圖5為設(shè)定的工件坐標(biāo)系1與工件坐標(biāo)系2，設(shè)定2個(gè)坐標(biāo)系的目的是為后面的誤差均化計(jì)算做準(zhǔn)備。為便于閱讀將圖3的符號進(jìn)行簡化，即O11→O1、O12→O2、O21→O5、O22→O6、O31→O3、O32→O4。O7、O8、O9分別是 和 的中點(diǎn)。
工件坐標(biāo)系1以O(shè)7為原點(diǎn)， 為x軸， 為z軸，即 zw→=(O2O1→)u,]]>yw→=(zw→×xw→)u.]]>工件坐標(biāo)系2以O(shè)8為原點(diǎn)， 為x軸， 為z軸，即xh→=(O7O8→)u,]]>zh→=(O4O3→)u,]]>yh→=(zh→×xh→)u.]]>2.2擬合由于在制梁時(shí)連接件的布置以梁中間2個(gè)連接件為基準(zhǔn)，所以擬合時(shí)仍以這兩個(gè)連接件為基準(zhǔn)，以此確定兩端的4點(diǎn)，即根據(jù)實(shí)測得到的 求理論的 為待求的對應(yīng)為 和 的擬合單位向量，要求 同時(shí)逼近 和 也就是說 在由OM7、OM9和OM8構(gòu)成的平面上的投影要同時(shí)在ΔOM7OM8OM9內(nèi)或外，并且 與 的夾角α7與 與 的夾角α8相同。可以證明當(dāng)α7取得最小值時(shí)的 即為 和 的最佳擬合向量。2.3確定軌道梁在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置即根據(jù)實(shí)測的 求與其對應(yīng)的理想向量的 參見圖7。當(dāng) 與 和 共面時(shí)， 與 最接近。即((OM7OM8→)u(OM2OM1→)u)·A1→=0,]]>即可求出 求 的方法同求 2.4誤差均化以 建立工件坐標(biāo)系1，推導(dǎo) 設(shè)工件坐標(biāo)系1的三個(gè)軸向向量 在機(jī)床坐標(biāo)系中的表示為 則xwm→=(OM7OM8→)u,]]>zwm→=A1→,ywm→=(zwm→×xwm→)u.]]>設(shè)第i點(diǎn)在工件坐標(biāo)系1中表示為OWi(xWi，yWi，zWi)，在機(jī)床坐標(biāo)系中表示為OMi(xWi，yMi，zMi)，則有以下變換關(guān)系xMiyMizMi1=xwmxywmxzwmxxM7xwmyywmyzwmyyM7xwmzywmzzwmzzM70001xWiyWizWi1,]]>令A(yù)wm=xwmxywmxzwmxxM7xwmyywmyzwmyyM7xwmzywmzzwmzzM70001,]]>可從工件坐標(biāo)系1中的OW3、OW4點(diǎn)推出其在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，記為O′M3、O′M4。A′2→=(O′M4O′M3→)u={x′M3-x′M4,y′M3-y′M4,z′M3-z′M4}u,]]>用向量和的方式進(jìn)行均化，有 以 作為擬合向量推導(dǎo) 重新確定工件坐標(biāo)系2與機(jī)床坐標(biāo)系之間的關(guān)系。3確定總變換矩陣確定從大地坐標(biāo)系到機(jī)床坐標(biāo)系的總轉(zhuǎn)換矩陣Aem，Aem＝AhmAhl-lAerlAeer，i點(diǎn)在大地坐標(biāo)系中的表示為OEi(xEi，yEi，zEi)，在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為OMi(xWi，yMi，zMi)，則有變換關(guān)系為xMiyMizMi1=AemxEiyEizEi1=AhmAhl-1AerlAeerxEiyEizEi1]]>下面結(jié)合上述的詳細(xì)步驟再舉一實(shí)施例加以說明本發(fā)明應(yīng)用于上海磁懸浮列車導(dǎo)軌梁的加工中，加工系統(tǒng)的布局如圖8所示，兩臺機(jī)床為五坐標(biāo)機(jī)床，工件位于兩臺機(jī)床中間，機(jī)床X方向行程為30米左右，采用光柵尺全閉環(huán)控制，機(jī)床立柱可繞Y軸旋轉(zhuǎn)，主軸繞X軸旋轉(zhuǎn)。兩臺機(jī)床坐標(biāo)系之間的關(guān)系已知，任一機(jī)床中點(diǎn)的坐標(biāo)都可方便地經(jīng)過平移轉(zhuǎn)換到另一機(jī)床中。
通過使用Renishaw探頭進(jìn)行測量。Renishaw探頭為接觸式測量設(shè)備，對工件上六點(diǎn)的測量，采用本發(fā)明的計(jì)算方法得到的工件定位信息(見表1、表2和表3)，然后編制相應(yīng)的加工程序，由數(shù)控機(jī)床完成對零件的加工。
表1

表2

表3

在此說明書中，本發(fā)明已參照其特定的實(shí)施例作了描述。但是，很顯然仍可以作出各種修改和變換而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因此，說明書和附圖
應(yīng)被認(rèn)為是說明性的而非限制性的。
權(quán)利要求
1.一種超大超重型工件機(jī)加工的探頭測量尋位方法，工件毛坯有一定的加工余量，工件在進(jìn)入加工工位之前，CAD模型已經(jīng)建立，其特征在于，該方法包括以下步驟(1)預(yù)先在工件毛坯相應(yīng)位置處標(biāo)出預(yù)定義點(diǎn)O11、O12、O21、O22、O31、O32，將工件按照實(shí)際受力情況進(jìn)行安裝定位；(2)利用機(jī)床上的測量裝置來測量上述各預(yù)定義點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的兩維坐標(biāo)，并和工件CAD模型理論上的待檢測點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行比較分析；(3)進(jìn)行誤差均化優(yōu)化處理，得出機(jī)床坐標(biāo)系和工件CAD坐標(biāo)系之間的關(guān)系；(4)在CAD/CAM系統(tǒng)中，根據(jù)所得到的定位信息確定工件在CAD/CAM系統(tǒng)中的位置，經(jīng)過后置處理生成機(jī)床加工的數(shù)控程序，送入機(jī)床進(jìn)行加工。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超大超重型工件機(jī)加工的探頭測量尋位方法，其特征在于，所述測量裝置系采用普通Renishaw探頭，裝入機(jī)床主軸中。
全文摘要
本發(fā)明屬于機(jī)械加工制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種超大超重型工件機(jī)加工的探頭測量尋位方法。該方法主要是將工件搬運(yùn)到現(xiàn)場后，經(jīng)過初步的裝夾，通過安裝在機(jī)床主軸上的Renishaw探頭，移動數(shù)控機(jī)床進(jìn)行測量，測量工件上六個(gè)待測點(diǎn)的坐標(biāo)，并和工件CAD模型理論上的待檢測點(diǎn)理論上的三維坐標(biāo)進(jìn)行比較分析，進(jìn)行誤差均化優(yōu)化處理，得出工件在機(jī)床坐標(biāo)系的坐標(biāo)，調(diào)整工件在CAD/CAM系統(tǒng)中工件的位置，生成工件的實(shí)際數(shù)控加工程序。本發(fā)明用于工程實(shí)際，可大大降低測量環(huán)節(jié)的復(fù)雜性和測量裝置的成本，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。
文檔編號B23Q7/00GK1475328SQ0312959
公開日2004年2月18日 申請日期2003年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月27日
發(fā)明者吳祥明, 劉武君, 張為民, 樊留群, 朱志浩, 蘭軍, 嚴(yán)昊明 申請人:上海磁懸浮交通發(fā)展有限公司