软件寻位加工技术研究

软件寻位加工技术研究

传统的机械工艺技术通常遵循“定位加工”的操作模式，在这种模式下，如何根据设计要求正确定位加工零件的位置是确保零件加工合格的主要问题。其次，我们必须正确地检查操作员。在使用夹具时，由于夹具的设计、制造和调整需要很长的时间，并且成本高，因此不仅延长了制造时间，还增加了产品成本。如果找不到操作员，不仅提高了精度，还需要花很多额外的时间来降低机器的使用效率，这不仅可以达到高的精度，还需要消耗大量的辅助时间来显著降低机枪的利用率。为解决上述问题,本文提出一种基于软件寻位的数控加工技术,力图摆脱传统的过度依赖硬件和操作者经验的“定位—加工”模式的束缚,以新的概念来实现柔性制造,以期为先进制造技术的发展探索出一条新的途径.1基于工件实际状态信息的电子寻位加工在传统机械加工中,定位的含义有两条:一是在工艺设计阶段事先规定工件在加工过程中应处的状态(工件在机床上的位置与姿态);二是在加工过程中通过必要的工艺手段(如上述的设计精密夹具和人工找正)来确保工件的实际状态与预先规定的状态相符合.显然,这是一种以硬件为主的被动定位方法.与此相对应,软件寻位加工的基本概念则是,在加工前不事先规定工件在加工中应处的精确位置与姿态,因而在加工时也就不需要用精密夹具等来保证工件的实际状态与既定状态相符合,只需用简单的紧固夹持元件和装置(如螺栓、压板、台钳等)将工件适当地、非精确地固定在机床工作台上即可进行加工.软件定位加工时刀具的运动轨迹是基于工件实际状态信息实时产生的,而不是像传统的“定位—加工”模式那样事先确定的.也就是说,软件寻位加工是基于“寻位—加工”这样一种制造操作模式进行的.这里的“寻位”,即主动找寻工件的位置和确定其姿态.这一操作包括两方面的内容,一是采用传感器快速获取工件表面信息,二是根据获取的工件表面信息,精确求解出工件的实际状态.这里的“加工”也不是普通意义上的数字程序控制(NC)加工,而是一无预定程序的、以工件寻位信息为基础实时生成刀具运动轨迹所实现的位姿自适应加工.需指出的是:在对工件进行寻位加工时,虽然工件的固定可以是非精确的,但为了有利于寻位和加工的进行,需按照寻位加工工艺规程(与定位加工工艺不同)来实施工件固定.从软件寻位加工的上述特征可以看到,在采用软件寻位加工技术的制造系统中,由于不是靠精密夹具这类“硬件”装置被动地、硬性地约束工件在机床上的状态,而是允许工件合适地、非精确地固定于机床上,转而从信息与控制的角度,通过信息采集和分析、自动寻位计算等办法,主动、灵活地获取工件的实际状态信息,并以此为基础对加工过程进行控制,加工出合格的零件,这就克服了基于“定位—加工”模式的传统制造技术所存在的生产周期长、灵活性与快速响应性差等弊端.2大范围寻位的递阶寻位方案为实现软件寻位加工,必须解决的首要问题是:对于未经过精确定位处理便固定于工作台上的工件,如何快速准确获得其实际状态.对于铣、钻、镗类加工,工件寻位的关键是找出加工坐标系(与工件固联的坐标系)与设计坐标系(工艺设计所确定的坐标系)之间的真实关系.加工坐标系与设计坐标系之间的关系可用齐次变换矩阵T表示.为求得T,一个直观的考虑是在工件上取m(m≥6)个测量点Pi,同时在其CAD模型上找到m个对应点Qi,然后构造一目标函数最后根据最小二乘原理确定变换矩阵T.然而,上述直观的求解过程是很难实现的,主要困难有以下两方面.其一,这一求解过程有一基本要求,就是必须找到测量点Pi在工件CAD模型中的对应点Qi.这一要求在小范围寻位的情况下尚可满足,因为在这种情况下,工件的加工坐标系与设计坐标系间的偏移较小,Qi就在Pi附近,根据Pi的取值,即可确定Qi属于CAD模型的哪一个表面,这也就给出了Pi与CAD模型表面的对应性关系.设与Pi对应的CAD模型表面为Si,则可用Si上与Pi距离最近的点Q′i代替Qi来进行上述求解过程,通过一定次数的迭代,即可逼近真正的Qi,从而求得T.但是,在大范围寻位的情况下,由于加工坐标系与设计坐标系间的偏移较大,缺乏Pi与CAD模型表面的对应性信息,这时只凭Pi的取值很难推断Qi到底属于CAD模型的哪一个表面,即无法确定与Pi相对应的CAD表面Si,因而也就无法通过找Si上与Pi最近距离的点Q′i,并以迭代算法来逼近Qi求出T.其二,要想知道大范围寻位情况下实测点与CAD模型表面的对应性,仅仅依靠上述m个测量点的信息是远远不够的,而必须采集到有关工件表面轮廓的大量信息.由于测量速度的要求,常规的接触式测量装置很难胜任这一任务,而其他高精度快速测量仪器又因价格昂贵而无法普及应用,因此必须采取别的途径.为解决上述大范围寻位时遇到的困难,可采取宏观与微观相结合的递阶寻位方案.这一方案的基本思想是,将变换矩阵T分解为宏观粗变换阵TR和微观精变换阵TF两部分,即然后分别求取TR和TF,最后得到T.在该递阶方案中,第一级求TR为大范围宏观粗寻位,精度要求并不很高,快速是所追求的主要目标.为此,首先采用经济型无接触式传感器快速获取随机固定于机床加工区域内的工件的宏观轮廓信息,然后以模式识别等方法确定大范围粗变换矩阵TR.因篇幅所限,具体求解过程将另拟专文介绍.对于第二级的精寻位,可用已求得的TR所包含的信息作引导来进行,具体过程如下.首先用T-1R对工件CAD模型进行坐标变换,使其向实际工件靠拢.这样,工件实际表面与CAD模型表面的对应关系将变得比较明确,于是可按CAD模型表面的位置确定工件上对应表面的大致位置,并生成测量规划和测量控制程序.最后,按控制程序控制机床运动,用精密测头完成第二级的微观精确测量任务.由于微观精确测量的测量点数只有m个(6个或稍多一点),因此这一任务可以在较短的时间内完成.在得到m个被测点的精确测量值后,根据这些实测点与CAD模型表面的对应性,按找最近距离点的方法,即可确定Qi的初值,再根据式(1)所给目标函数,即可求得精变换矩阵TF的初值.进一步用求得的TF对工件坐标系与设计坐标系间的关系进行修正,然后重复以上过程,可得到更精确的Qi,并求得更精确的TF.这样,经过一定次数的迭代即可求得满足精度要求的TF,从而完成小范围精寻位任务.最后,由式(2)综合粗、精两方面的信息,即可得到从加工坐标系到设计坐标系的大范围精确寻位信息.3自适应加工实现过程通过上述寻位过程获取工件实际状态信息后,如何利用这一信息对加工过程进行实时控制,实现适应工件现实的位姿自适应加工,是软件寻位加工中所要解决的另一关键问题.下面以铣削加工为例,针对3种具体情况给出其实现过程.3.1位置之间的型在采用三坐标数控铣床进行软件寻位加工时,可采用基于寻位信息的实时轨迹生成方法对加工过程进行控制.其基本思想是,用寻位过程求得的T-1矩阵将被加工零件的几何信息变换到加工坐标系下,然后据此实时生成刀具运动轨迹,控制机床运动来完成零件的加工.下面,以加工自由曲面为例来讨论这一方法.设零件加工表面可用双参数三次B样条曲面表示,则有式中:S(u,v)为B样条曲面上任一点的位置矢量;u、v为参变量;U=[u3u2u1],V=[v3v2v1];M为常系数矩阵;G为几何系数矩阵.G的元素为B样条曲面的控制点,因此G包含了B样条曲面的全部几何信息.于是,为将曲面几何信息从设计坐标系变换到加工坐标系,可令式中:gij、g′ij分别为变换前、后B样条曲面控制点的齐次坐标.用式(4)得到的控制点重新构成加工坐标系下B样条曲面的几何系数矩阵G,由此得到变换后的工件加工表面表达式在完成了工件几何信息的变换后,进一步的任务是实时生成符合工件实际状态的刀具运动轨迹和机床控制指令.为此,首先在式(5)表示的工件表面上确定切削路径并将其映射到u-v域,得切削路径的u-v域表达式然后,根据采样周期、进给速度和加工精度要求,将F(x,y,z)=0进行离散化,并通过映射关系得到参变量的离散取值ui、vi(i=1,2,…).将ui、vi代入式(5),即可求得离散化的切削点运动轨迹.最后,在切削轨迹的各离散点上沿法线方向偏移刀具半径,进一步求得刀具(球心)运动轨迹.据此,即可生成机床控制指令,实现对加工过程的控制.3.2坐标机床控制策略对复杂曲面的发展五坐标数控机床是最有利于实现软件寻位加工的设备.这是因为,五坐标机床可提供两自由度旋转功能,使得在许多情况下可以采用普通铣刀代替球头铣刀进行加工,因而可大幅度提高加工效率.此外,采用五坐标机床后,刀具可沿任意方向进给,非常有利于加工斜孔和斜面,因此有效提高了软件寻位加工的适应范围.当被加工表面为曲面时,基于五坐标机床的软件寻位加工控制与三坐标机床相类似,只不过此时可以利用刀具的姿态控制功能,使刀具轴线与被加工表面法线方向保持最佳关系,从而提高加工质量和效率,并避免加工过程中的干涉.使用五坐标机床除有利于加工复杂曲面外,所带来的更大好处是可以方便地实现复杂孔系零件的软件寻位加工.下面以常见的双转台五坐标数控机床为例,介绍这类零件的软件寻位加工控制过程.首先,用通用紧固夹持元件或装置将工件固定于数控转台上(无须精确定位);然后,启动传感装置获取工件表面信息,求解工件实际状态,得到变换矩阵T;进一步,根据变换矩阵T提供的工件实际状态信息,对工件安装时产生的姿态偏差进行校正,即通过控制转台运动使工件被加工表面与机床主轴垂直,或使被加工孔的轴线与机床主轴平行;最后,按三坐标加工方法控制机床运行,即可加工出该表面及其上的孔(或孔系).重复上述过程,对工件其他表面和其上的孔也按同样方法加工,即可加工出整个零件.3.3工件实际状态的求取新型六坐标虚拟轴机床的基本结构如图1所示.该机床采用由6根驱动杆加动静平台等组成的并联闭链结构,可在工件固定的情况下,对机床主轴进行六自由度控制.利用该机床的这一特点,可以方便地实现软件寻位加工控制,其实现过程如下.首先,通过传感装置获取工件表面信息,并根据前面介绍的方法求解工件实际状态,即求出变换矩阵T.然后,用T-1对机床主轴单元的位姿原点进行变换,使其与工件的实际位姿相适应.由于主轴单元固定于动平台上,其位姿由6根驱动杆的长度所决定,因此对主轴的位姿变换可通过对6根驱动杆动端点(与动平台的连接点)的坐标变换来实现.为此,令式中:Di=[DxiDyiDzi1]T为机床主轴在原点时,6根驱动杆动端点的齐次坐标;D′i=[D′xiD′yiD′zi1]T为变换后6个动端点的齐次坐标.由此,可求出所希望的驱动杆长度式中:Jxi、Jyi、Jzi分别为6根驱动杆静端点的坐标值.进一步控制驱动杆运动,使其长度等于Li,主轴即可到达新的位姿原点.此后,按文给出的虚拟轴机床控制方法控制机床运行,即可完成工件的软件寻位加工.4零件加工实验为了验证本文所提出的软件寻位加工技术的效果,我们自行研制了基于软件寻位的铣削加工实验系统.该系统由工件加工主体、拟人化信息感知系统、智能化分析决策和信息处理系统、全数字化控制与驱动系统等组成.其中,加工主体以三坐标数控铣床为基础构成,加工特殊零件时可加装数控转台,各直线和旋转运动坐标均由全闭环数字式交流伺服系统驱动.信息感知系统包括视觉系统和触觉系统2个子系统,其作用是以宏微观相结合、无接触与有接触并举的方式获取被加工工件的有关信息.信息处理系统由1台PentiumⅢ计算机及软件系统等组成,用于处理视觉和触觉信息并求解工件实际状态(工件在工作台上的位置与姿态).控制驱动系统由工控PC计算机平台、控制软件、现场总线网络系统、接口及驱动装置等组成,用于完成整个系统的控制任务.在该系统上进行了多种零件的实际加工实验.图2所