軟件尋位加工技術(shù)研究

軟件尋位加工技術(shù)研究

傳統(tǒng)的機(jī)械工藝技術(shù)通常遵循“定位加工”的操作模式，在這種模式下，如何根據(jù)設(shè)計(jì)要求正確定位加工零件的位置是確保零件加工合格的主要問題。其次，我們必須正確地檢查操作員。在使用夾具時(shí)，由于夾具的設(shè)計(jì)、制造和調(diào)整需要很長(zhǎng)的時(shí)間，并且成本高，因此不僅延長(zhǎng)了制造時(shí)間，還增加了產(chǎn)品成本。如果找不到操作員，不僅提高了精度，還需要花很多額外的時(shí)間來降低機(jī)器的使用效率，這不僅可以達(dá)到高的精度，還需要消耗大量的輔助時(shí)間來顯著降低機(jī)槍的利用率。為解決上述問題,本文提出一種基于軟件尋位的數(shù)控加工技術(shù),力圖擺脫傳統(tǒng)的過度依賴硬件和操作者經(jīng)驗(yàn)的“定位—加工”模式的束縛,以新的概念來實(shí)現(xiàn)柔性制造,以期為先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展探索出一條新的途徑.1基于工件實(shí)際狀態(tài)信息的電子尋位加工在傳統(tǒng)機(jī)械加工中,定位的含義有兩條:一是在工藝設(shè)計(jì)階段事先規(guī)定工件在加工過程中應(yīng)處的狀態(tài)(工件在機(jī)床上的位置與姿態(tài));二是在加工過程中通過必要的工藝手段(如上述的設(shè)計(jì)精密夾具和人工找正)來確保工件的實(shí)際狀態(tài)與預(yù)先規(guī)定的狀態(tài)相符合.顯然,這是一種以硬件為主的被動(dòng)定位方法.與此相對(duì)應(yīng),軟件尋位加工的基本概念則是,在加工前不事先規(guī)定工件在加工中應(yīng)處的精確位置與姿態(tài),因而在加工時(shí)也就不需要用精密夾具等來保證工件的實(shí)際狀態(tài)與既定狀態(tài)相符合,只需用簡(jiǎn)單的緊固夾持元件和裝置(如螺栓、壓板、臺(tái)鉗等)將工件適當(dāng)?shù)亍⒎蔷_地固定在機(jī)床工作臺(tái)上即可進(jìn)行加工.軟件定位加工時(shí)刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡是基于工件實(shí)際狀態(tài)信息實(shí)時(shí)產(chǎn)生的,而不是像傳統(tǒng)的“定位—加工”模式那樣事先確定的.也就是說,軟件尋位加工是基于“尋位—加工”這樣一種制造操作模式進(jìn)行的.這里的“尋位”,即主動(dòng)找尋工件的位置和確定其姿態(tài).這一操作包括兩方面的內(nèi)容,一是采用傳感器快速獲取工件表面信息,二是根據(jù)獲取的工件表面信息,精確求解出工件的實(shí)際狀態(tài).這里的“加工”也不是普通意義上的數(shù)字程序控制(NC)加工,而是一無預(yù)定程序的、以工件尋位信息為基礎(chǔ)實(shí)時(shí)生成刀具運(yùn)動(dòng)軌跡所實(shí)現(xiàn)的位姿自適應(yīng)加工.需指出的是:在對(duì)工件進(jìn)行尋位加工時(shí),雖然工件的固定可以是非精確的,但為了有利于尋位和加工的進(jìn)行,需按照尋位加工工藝規(guī)程(與定位加工工藝不同)來實(shí)施工件固定.從軟件尋位加工的上述特征可以看到,在采用軟件尋位加工技術(shù)的制造系統(tǒng)中,由于不是靠精密夾具這類“硬件”裝置被動(dòng)地、硬性地約束工件在機(jī)床上的狀態(tài),而是允許工件合適地、非精確地固定于機(jī)床上,轉(zhuǎn)而從信息與控制的角度,通過信息采集和分析、自動(dòng)尋位計(jì)算等辦法,主動(dòng)、靈活地獲取工件的實(shí)際狀態(tài)信息,并以此為基礎(chǔ)對(duì)加工過程進(jìn)行控制,加工出合格的零件,這就克服了基于“定位—加工”模式的傳統(tǒng)制造技術(shù)所存在的生產(chǎn)周期長(zhǎng)、靈活性與快速響應(yīng)性差等弊端.2大范圍尋位的遞階尋位方案為實(shí)現(xiàn)軟件尋位加工,必須解決的首要問題是:對(duì)于未經(jīng)過精確定位處理便固定于工作臺(tái)上的工件,如何快速準(zhǔn)確獲得其實(shí)際狀態(tài).對(duì)于銑、鉆、鏜類加工,工件尋位的關(guān)鍵是找出加工坐標(biāo)系(與工件固聯(lián)的坐標(biāo)系)與設(shè)計(jì)坐標(biāo)系(工藝設(shè)計(jì)所確定的坐標(biāo)系)之間的真實(shí)關(guān)系.加工坐標(biāo)系與設(shè)計(jì)坐標(biāo)系之間的關(guān)系可用齊次變換矩陣T表示.為求得T,一個(gè)直觀的考慮是在工件上取m(m≥6)個(gè)測(cè)量點(diǎn)Pi,同時(shí)在其CAD模型上找到m個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)Qi,然后構(gòu)造一目標(biāo)函數(shù)最后根據(jù)最小二乘原理確定變換矩陣T.然而,上述直觀的求解過程是很難實(shí)現(xiàn)的,主要困難有以下兩方面.其一,這一求解過程有一基本要求,就是必須找到測(cè)量點(diǎn)Pi在工件CAD模型中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)Qi.這一要求在小范圍尋位的情況下尚可滿足,因?yàn)樵谶@種情況下,工件的加工坐標(biāo)系與設(shè)計(jì)坐標(biāo)系間的偏移較小,Qi就在Pi附近,根據(jù)Pi的取值,即可確定Qi屬于CAD模型的哪一個(gè)表面,這也就給出了Pi與CAD模型表面的對(duì)應(yīng)性關(guān)系.設(shè)與Pi對(duì)應(yīng)的CAD模型表面為Si,則可用Si上與Pi距離最近的點(diǎn)Q′i代替Qi來進(jìn)行上述求解過程,通過一定次數(shù)的迭代,即可逼近真正的Qi,從而求得T.但是,在大范圍尋位的情況下,由于加工坐標(biāo)系與設(shè)計(jì)坐標(biāo)系間的偏移較大,缺乏Pi與CAD模型表面的對(duì)應(yīng)性信息,這時(shí)只憑Pi的取值很難推斷Qi到底屬于CAD模型的哪一個(gè)表面,即無法確定與Pi相對(duì)應(yīng)的CAD表面Si,因而也就無法通過找Si上與Pi最近距離的點(diǎn)Q′i,并以迭代算法來逼近Qi求出T.其二,要想知道大范圍尋位情況下實(shí)測(cè)點(diǎn)與CAD模型表面的對(duì)應(yīng)性,僅僅依靠上述m個(gè)測(cè)量點(diǎn)的信息是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,而必須采集到有關(guān)工件表面輪廓的大量信息.由于測(cè)量速度的要求,常規(guī)的接觸式測(cè)量裝置很難勝任這一任務(wù),而其他高精度快速測(cè)量?jī)x器又因價(jià)格昂貴而無法普及應(yīng)用,因此必須采取別的途徑.為解決上述大范圍尋位時(shí)遇到的困難,可采取宏觀與微觀相結(jié)合的遞階尋位方案.這一方案的基本思想是,將變換矩陣T分解為宏觀粗變換陣TR和微觀精變換陣TF兩部分,即然后分別求取TR和TF,最后得到T.在該遞階方案中,第一級(jí)求TR為大范圍宏觀粗尋位,精度要求并不很高,快速是所追求的主要目標(biāo).為此,首先采用經(jīng)濟(jì)型無接觸式傳感器快速獲取隨機(jī)固定于機(jī)床加工區(qū)域內(nèi)的工件的宏觀輪廓信息,然后以模式識(shí)別等方法確定大范圍粗變換矩陣TR.因篇幅所限,具體求解過程將另擬專文介紹.對(duì)于第二級(jí)的精尋位,可用已求得的TR所包含的信息作引導(dǎo)來進(jìn)行,具體過程如下.首先用T-1R對(duì)工件CAD模型進(jìn)行坐標(biāo)變換,使其向?qū)嶋H工件靠攏.這樣,工件實(shí)際表面與CAD模型表面的對(duì)應(yīng)關(guān)系將變得比較明確,于是可按CAD模型表面的位置確定工件上對(duì)應(yīng)表面的大致位置,并生成測(cè)量規(guī)劃和測(cè)量控制程序.最后,按控制程序控制機(jī)床運(yùn)動(dòng),用精密測(cè)頭完成第二級(jí)的微觀精確測(cè)量任務(wù).由于微觀精確測(cè)量的測(cè)量點(diǎn)數(shù)只有m個(gè)(6個(gè)或稍多一點(diǎn)),因此這一任務(wù)可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成.在得到m個(gè)被測(cè)點(diǎn)的精確測(cè)量值后,根據(jù)這些實(shí)測(cè)點(diǎn)與CAD模型表面的對(duì)應(yīng)性,按找最近距離點(diǎn)的方法,即可確定Qi的初值,再根據(jù)式(1)所給目標(biāo)函數(shù),即可求得精變換矩陣TF的初值.進(jìn)一步用求得的TF對(duì)工件坐標(biāo)系與設(shè)計(jì)坐標(biāo)系間的關(guān)系進(jìn)行修正,然后重復(fù)以上過程,可得到更精確的Qi,并求得更精確的TF.這樣,經(jīng)過一定次數(shù)的迭代即可求得滿足精度要求的TF,從而完成小范圍精尋位任務(wù).最后,由式(2)綜合粗、精兩方面的信息,即可得到從加工坐標(biāo)系到設(shè)計(jì)坐標(biāo)系的大范圍精確尋位信息.3自適應(yīng)加工實(shí)現(xiàn)過程通過上述尋位過程獲取工件實(shí)際狀態(tài)信息后,如何利用這一信息對(duì)加工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,實(shí)現(xiàn)適應(yīng)工件現(xiàn)實(shí)的位姿自適應(yīng)加工,是軟件尋位加工中所要解決的另一關(guān)鍵問題.下面以銑削加工為例,針對(duì)3種具體情況給出其實(shí)現(xiàn)過程.3.1位置之間的型在采用三坐標(biāo)數(shù)控銑床進(jìn)行軟件尋位加工時(shí),可采用基于尋位信息的實(shí)時(shí)軌跡生成方法對(duì)加工過程進(jìn)行控制.其基本思想是,用尋位過程求得的T-1矩陣將被加工零件的幾何信息變換到加工坐標(biāo)系下,然后據(jù)此實(shí)時(shí)生成刀具運(yùn)動(dòng)軌跡,控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)來完成零件的加工.下面,以加工自由曲面為例來討論這一方法.設(shè)零件加工表面可用雙參數(shù)三次B樣條曲面表示,則有式中:S(u,v)為B樣條曲面上任一點(diǎn)的位置矢量;u、v為參變量;U=[u3u2u1],V=[v3v2v1];M為常系數(shù)矩陣;G為幾何系數(shù)矩陣.G的元素為B樣條曲面的控制點(diǎn),因此G包含了B樣條曲面的全部幾何信息.于是,為將曲面幾何信息從設(shè)計(jì)坐標(biāo)系變換到加工坐標(biāo)系,可令式中:gij、g′ij分別為變換前、后B樣條曲面控制點(diǎn)的齊次坐標(biāo).用式(4)得到的控制點(diǎn)重新構(gòu)成加工坐標(biāo)系下B樣條曲面的幾何系數(shù)矩陣G,由此得到變換后的工件加工表面表達(dá)式在完成了工件幾何信息的變換后,進(jìn)一步的任務(wù)是實(shí)時(shí)生成符合工件實(shí)際狀態(tài)的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡和機(jī)床控制指令.為此,首先在式(5)表示的工件表面上確定切削路徑并將其映射到u-v域,得切削路徑的u-v域表達(dá)式然后,根據(jù)采樣周期、進(jìn)給速度和加工精度要求,將F(x,y,z)=0進(jìn)行離散化,并通過映射關(guān)系得到參變量的離散取值ui、vi(i=1,2,…).將ui、vi代入式(5),即可求得離散化的切削點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡.最后,在切削軌跡的各離散點(diǎn)上沿法線方向偏移刀具半徑,進(jìn)一步求得刀具(球心)運(yùn)動(dòng)軌跡.據(jù)此,即可生成機(jī)床控制指令,實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過程的控制.3.2坐標(biāo)機(jī)床控制策略對(duì)復(fù)雜曲面的發(fā)展五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床是最有利于實(shí)現(xiàn)軟件尋位加工的設(shè)備.這是因?yàn)?五坐標(biāo)機(jī)床可提供兩自由度旋轉(zhuǎn)功能,使得在許多情況下可以采用普通銑刀代替球頭銑刀進(jìn)行加工,因而可大幅度提高加工效率.此外,采用五坐標(biāo)機(jī)床后,刀具可沿任意方向進(jìn)給,非常有利于加工斜孔和斜面,因此有效提高了軟件尋位加工的適應(yīng)范圍.當(dāng)被加工表面為曲面時(shí),基于五坐標(biāo)機(jī)床的軟件尋位加工控制與三坐標(biāo)機(jī)床相類似,只不過此時(shí)可以利用刀具的姿態(tài)控制功能,使刀具軸線與被加工表面法線方向保持最佳關(guān)系,從而提高加工質(zhì)量和效率,并避免加工過程中的干涉.使用五坐標(biāo)機(jī)床除有利于加工復(fù)雜曲面外,所帶來的更大好處是可以方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜孔系零件的軟件尋位加工.下面以常見的雙轉(zhuǎn)臺(tái)五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床為例,介紹這類零件的軟件尋位加工控制過程.首先,用通用緊固夾持元件或裝置將工件固定于數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)上(無須精確定位);然后,啟動(dòng)傳感裝置獲取工件表面信息,求解工件實(shí)際狀態(tài),得到變換矩陣T;進(jìn)一步,根據(jù)變換矩陣T提供的工件實(shí)際狀態(tài)信息,對(duì)工件安裝時(shí)產(chǎn)生的姿態(tài)偏差進(jìn)行校正,即通過控制轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)使工件被加工表面與機(jī)床主軸垂直,或使被加工孔的軸線與機(jī)床主軸平行;最后,按三坐標(biāo)加工方法控制機(jī)床運(yùn)行,即可加工出該表面及其上的孔(或孔系).重復(fù)上述過程,對(duì)工件其他表面和其上的孔也按同樣方法加工,即可加工出整個(gè)零件.3.3工件實(shí)際狀態(tài)的求取新型六坐標(biāo)虛擬軸機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示.該機(jī)床采用由6根驅(qū)動(dòng)桿加動(dòng)靜平臺(tái)等組成的并聯(lián)閉鏈結(jié)構(gòu),可在工件固定的情況下,對(duì)機(jī)床主軸進(jìn)行六自由度控制.利用該機(jī)床的這一特點(diǎn),可以方便地實(shí)現(xiàn)軟件尋位加工控制,其實(shí)現(xiàn)過程如下.首先,通過傳感裝置獲取工件表面信息,并根據(jù)前面介紹的方法求解工件實(shí)際狀態(tài),即求出變換矩陣T.然后,用T-1對(duì)機(jī)床主軸單元的位姿原點(diǎn)進(jìn)行變換,使其與工件的實(shí)際位姿相適應(yīng).由于主軸單元固定于動(dòng)平臺(tái)上,其位姿由6根驅(qū)動(dòng)桿的長(zhǎng)度所決定,因此對(duì)主軸的位姿變換可通過對(duì)6根驅(qū)動(dòng)桿動(dòng)端點(diǎn)(與動(dòng)平臺(tái)的連接點(diǎn))的坐標(biāo)變換來實(shí)現(xiàn).為此,令式中:Di=[DxiDyiDzi1]T為機(jī)床主軸在原點(diǎn)時(shí),6根驅(qū)動(dòng)桿動(dòng)端點(diǎn)的齊次坐標(biāo);D′i=[D′xiD′yiD′zi1]T為變換后6個(gè)動(dòng)端點(diǎn)的齊次坐標(biāo).由此,可求出所希望的驅(qū)動(dòng)桿長(zhǎng)度式中:Jxi、Jyi、Jzi分別為6根驅(qū)動(dòng)桿靜端點(diǎn)的坐標(biāo)值.進(jìn)一步控制驅(qū)動(dòng)桿運(yùn)動(dòng),使其長(zhǎng)度等于Li,主軸即可到達(dá)新的位姿原點(diǎn).此后,按文給出的虛擬軸機(jī)床控制方法控制機(jī)床運(yùn)行,即可完成工件的軟件尋位加工.4零件加工實(shí)驗(yàn)為了驗(yàn)證本文所提出的軟件尋位加工技術(shù)的效果,我們自行研制了基于軟件尋位的銑削加工實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).該系統(tǒng)由工件加工主體、擬人化信息感知系統(tǒng)、智能化分析決策和信息處理系統(tǒng)、全數(shù)字化控制與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等組成.其中,加工主體以三坐標(biāo)數(shù)控銑床為基礎(chǔ)構(gòu)成,加工特殊零件時(shí)可加裝數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái),各直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)均由全閉環(huán)數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng).信息感知系統(tǒng)包括視覺系統(tǒng)和觸覺系統(tǒng)2個(gè)子系統(tǒng),其作用是以宏微觀相結(jié)合、無接觸與有接觸并舉的方式獲取被加工工件的有關(guān)信息.信息處理系統(tǒng)由1臺(tái)PentiumⅢ計(jì)算機(jī)及軟件系統(tǒng)等組成,用于處理視覺和觸覺信息并求解工件實(shí)際狀態(tài)(工件在工作臺(tái)上的位置與姿態(tài)).控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由工控PC計(jì)算機(jī)平臺(tái)、控制軟件、現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、接口及驅(qū)動(dòng)裝置等組成,用于完成整個(gè)系統(tǒng)的控制任務(wù).在該系統(tǒng)上進(jìn)行了多種零件的實(shí)際加工實(shí)驗(yàn).圖2所