CN105467927B - 一种基于配准对齐的免划线锻铸件加工定位方法 - Google Patents

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Abstract

由于航空复杂锻铸件具有结构复杂、加工余量较小、毛坯一致性差，采用传统划线寻求加工基准的方式，存在定位精度差、找正效率低、加工费品率高等问题，这一难题是锻铸件毛坯机械加工的瓶颈，严重阻碍该类零件加工模式的智能化、自动化及数控化的发展。为了解决上述技术问题，本发明首先统一测量坐标系和加工坐标系，并将毛坯的数字化模型与其CAD模型进行余量约束下的配准对齐，利用配准对齐结果修正刀位文件，达到精准地、自动地确定加工基准的目的，并且制备出精基准，后续无需划线找正的辅助准备工序，直接利用所制备的精基准进行快速、准确定位，从而提高锻铸件毛坯机械加工的自动化程度和数控化率。

Description

一种基于配准对齐的免划线锻铸件加工定位方法
技术领域
本发明涉及一种基于配准对齐的免划线锻铸件加工定位方法，特别是涉及复杂锻铸件毛坯机加工艺基准的确定方法，属于机械加工技术领域。
背景技术
目前，由于整体结构件具有重量轻、结构效率和可靠性高等显著优点，航空、航天、汽车、船舶的主承力结构零件广泛采用整体结构件。整体结构件不是由零件简单组合而成，而是通过采用铸造或者锻造等方式获得接近设计模型的毛坯，然后对关键的型面进行小余量数控精加工以获得最终成品。对于复杂的整体结构件，由于毛坯上没有可资定位的加工基准，找正定位极其困难，定位基准精度难以保证。现有的各类锻铸件的后续机械加工大多采用划线方式进行余量和加工基准的协调，对于结构简单、质量稳定的毛坯，较易实施，协调效率高，成本低；对于复杂锻铸件毛坯，采用划线协调方式无法全面而准确地确定加工基准，存在顾此失彼的现象，如果加工基准选择不当，会造成加工后的产品超差，尺寸精度无法满足设计要求，甚至报废，浪费材料和加工成本。
自20世纪90年代开始，在数控加工中，科研人员提出了无基准加工定位的概念，即加工前，工件无需划线寻求基准实现预定位，从而减少了加工的辅助准备环节，但是如何根据测量信息实现工件的在数控机加工中的自动定位，成为了实现该种加工方式的关键。
为了实现数控加工的自动定位，可以采用高效的三维扫描设备最大限度地采集毛坯表面的三维数据，从而得到毛坯的数字化模型。然后将该数字化模型与其CAD模型进行余量约束下的配准对齐，使得毛坯的数字化模型相对于它的CAD数模处于最优的位姿，该配准对齐的结果能够使毛坯的数字化模型将CAD模型包进去，并且满足加工的余量及定位的需求；但是这样仅仅计算出了毛坯测量坐标系与CAD模型坐标系的变换关系。而加工定位必须知道实物毛坯在机床上的位置，即我们还需要知道测量坐标系与加工坐标系间的变换关系，实现测量坐标系和加工坐标系间的变换统一，才可以利用配准对齐的最优位姿去指导加工定位，达到自动定位的目的。
针对如何求取测量坐标系和加工坐标系间的变换关系，目前已有的解决办法有以下两类：①在机测量或者将扫描设备直接固定到数控机床上并提前建立测量坐标系和加工坐标系的变换关系；②借助辅助基准，即在毛坯上添加一些辅助基准，并将基准和毛坯一起扫描，则在机床上定位时就可以依靠这些基准建立测量坐标系和加工坐标系间的变换关系。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：由于航空复杂锻铸件具有结构复杂、加工余量较小、毛坯一致性差，采用传统划线寻求加工基准的方式，存在定位精度差、找正效率低、加工费品率高等问题，这一难题是锻铸件毛坯机械件加工的瓶颈，严重阻碍该类零件加工模式的智能化、自动化及数控化发展。
为了解决上述技术难题，本发明提供了一种基于配准对齐的免划线加工定位方法，该方法首先统一测量坐标系和加工坐标系，并将毛坯的数字化模型与其CAD模型进行余量约束下的配准对齐，利用配准对齐结果修正刀位文件，达到精准地、自动地确定加工基准的目的，并且制备出精基准，后续无需划线找正的辅助准备工序，直接利用所制备的精基准进行快速、准确定位，从而提高锻铸件毛坯机械加工的自动化程度和数控化率。
技术方案为：提供一种基于配准对齐的免划线锻铸件加工定位方法包括以下步骤：
步骤1、获得锻铸件毛坯数字化模型
将三个磁力球吸附在锻铸件毛坯上，利用三维扫描设备(例如，关节臂式扫描设备)，扫描毛坯和三个磁力球的表面数据，包括正、反面扫描，借助磁力球拼接得到毛坯表面完整的三维点云数据；
制作加工标准块，所述的加工标准块用于建立测量坐标系，将带有磁力球的锻铸件毛坯和加工标准块装夹到数控机床上，利用三维扫描设备探测得到三个磁力球的球心与加工标准块的角点的位置关系数据，在点云三维数字化检测软件(InnovMetric软件公司的PolyWorks)中建立测量坐标系，其中以加工标准块的角点作为测量坐标系的原点，以加工标准块的角线作为测量坐标系的轴线，将所述位置关系数据导入到测量坐标系中，进一步通过所述的位置关系数据以及磁力球锻铸件毛坯的点云数据，在测量坐标系中建立锻铸件毛坯点云模型；
步骤2、获得加工坐标系下锻铸件设计模型及刀位文件
获得锻铸件设计模型数据，应用三维建模软件建立加工坐标系，利用锻铸件设计模型数据在加工坐标系中生成锻铸件设计模型，之后生成用于基准加工的刀位文件；将锻铸件设计模型从三维建模软件导入到所述的测量坐标系中，此时测量坐标系与加工坐标***一，即原点重合、三坐标轴重合；
步骤3、位姿调整
调整锻铸件设计模型在测量坐标系中的空间姿态，使得数字化模型相对锻铸件设计模型处于最优的位姿上，所述的最优的位姿为满足加工定位的需求；
步骤4、结果的输出
由所述的点云三维数字化检测软件得出锻铸件设计模型在加工坐标系中从初始姿态到最优位姿的旋转量和平移量；
步骤5、基准加工
利用所述的旋转量和平移量对所述的刀位文件进行刀位的修正，并得到最终的目标刀位文件；以目标刀位文件对锻铸件毛坯进行机械加工。
根据锻铸件的设计模型编制标准刀位文件(特别是，刀位文件的格式为APT)；编写基准加工程序通过前置生成刀具轨迹文件，该刀具轨迹文件是APT格式的。
有益效果
该方法首先统一测量坐标系和加工坐标系，并将毛坯的数字化模型与其CAD模型进行余量约束下的配准对齐，利用配准对齐结果修正刀位文件，达到精准地、自动地确定加工基准的目的，并且制备出精基准，后续无需划线找正的辅助准备工序，直接利用所制备的精基准进行快速、准确定位，从而提高锻铸件毛坯机械加工的自动化程度和数控化率。
具体实施方式
以下说明本发明的实施例。
本发明针对传统划线寻求加工基准方式存在定位精度差、找正效率低、加工费品率高等问题，提供了一种基于配准对齐的免划线加工定位方法，该方法首先统一测量坐标系和加工坐标系，并将毛坯的数字化模型与其CAD模型进行余量约束下的配准对齐，利用配准对齐结果修正刀位文件，达到精准地、自动地确定加工基准的目的，并且制备出精基准。后续无需划线找正的辅助准备工序，直接利用所制备的精基准进行快速、准确定位，从而提高锻铸件毛坯机械加工的自动化程度和数控化率。本发明的一种实施例为：提供具体实施步骤如下：
步骤1、获得锻铸件毛坯数字化模型
将三个磁力球吸附在锻铸件毛坯上，利用三维扫描设备(例如，关节臂式扫描设备)，扫描毛坯和三个磁力球的表面数据，包括正、反面扫描，借助磁力球拼接得到毛坯表面完整的三维点云数据；
制作加工标准块，所述的加工标准块用于建立测量坐标系，将带有磁力球的锻铸件毛坯和加工标准块装夹到数控机床上，利用三维扫描设备探测得到三个磁力球的球心与加工标准块的角点的位置关系数据，在点云三维数字化检测软件(InnovMetric软件公司的PolyWorks)中建立测量坐标系，其中以加工标准块的角点作为测量坐标系的原点，以加工标准块的角线作为测量坐标系的轴线，将所述位置关系数据导入到测量坐标系中，进一步通过所述的位置关系数据以及磁力球锻铸件毛坯的点云数据，在测量坐标系中建立锻铸件毛坯点云模型；
步骤2、获得加工坐标系下锻铸件设计模型及刀位文件
获得锻铸件设计模型数据，应用三维建模软件建立加工坐标系，利用锻铸件设计模型数据在加工坐标系中生成锻铸件设计模型，之后生成用于基准加工的刀位文件；将锻铸件设计模型从三维建模软件导入到所述的测量坐标系中，此时测量坐标系与加工坐标***一，即原点重合、三坐标轴重合；
步骤3、位姿调整
调整锻铸件设计模型在测量坐标系中的空间姿态，使得数字化模型相对锻铸件设计模型处于最优的位姿上，所述的最优的位姿为满足加工定位的需求；
步骤4、结果的输出
由所述的点云三维数字化检测软件得出锻铸件设计模型在加工坐标系中从初始姿态到最优位姿的旋转量和平移量；
步骤5、基准加工
利用所述的旋转量和平移量对所述的刀位文件进行刀位的修正，并得到最终的目标刀位文件；以目标刀位文件对锻铸件毛坯进行机械加工。
以上描述的实施例是为了说明本发明，而非为了限定本发明。发明的范围由所附加的权利要求的范围限定。

Claims (3)

1.一种基于配准对齐的免划线锻铸件加工定位方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、获得锻铸件毛坯数字化模型
将三个磁力球吸附在锻铸件毛坯上，利用三维扫描设备，扫描毛坯和三个磁力球的表面数据，包括正、反面扫描，借助磁力球拼接得到毛坯表面完整的三维点云数据；
制作加工标准块，所述的加工标准块用于建立测量坐标系，将带有磁力球的锻铸件毛坯和加工标准块装夹到数控机床上，利用三维扫描设备探测得到三个磁力球的球心与加工标准块的角点的位置关系数据，在点云三维数字化检测软件中建立测量坐标系，其中以加工标准块的角点作为测量坐标系的原点，以加工标准块的角线作为测量坐标系的轴线，将所述位置关系数据导入到测量坐标系中，进一步通过所述的位置关系数据以及磁力球锻铸件毛坯的点云数据，在测量坐标系中建立锻铸件毛坯点云模型；
步骤2、获得加工坐标系下锻铸件设计模型及刀位文件
获得锻铸件设计模型数据，应用三维建模软件建立加工坐标系，利用锻铸件设计模型数据在加工坐标系中生成锻铸件设计模型，之后生成用于基准加工的刀位文件；将锻铸件设计模型从三维建模软件导入到所述的测量坐标系中，此时测量坐标系与加工坐标***一，即原点重合、三坐标轴重合；
步骤3、位姿调整
调整锻铸件设计模型在测量坐标系中的空间姿态，使得数字化模型相对锻铸件设计模型处于最优的位姿上，所述的最优的位姿为满足加工定位的需求；
步骤4、结果的输出
由所述的点云三维数字化检测软件得出锻铸件设计模型在加工坐标系中从初始姿态到最优位姿的旋转量和平移量；
步骤5、基准加工
利用所述的旋转量和平移量对所述的刀位文件进行刀位的修正，并得到最终的目标刀位文件；以目标刀位文件对锻铸件毛坯进行机械加工。
2.如权利要求1所述的一种基于配准对齐的免划线锻铸件加工定位方法，其特征在于：三维扫描设备为关节臂式扫描设备。
3.如权利要求1或2所述的一种基于配准对齐的免划线锻铸件加工定位方法，其特征在于：点云三维数字化检测软件为InnovMetric软件公司的PolyWorks。
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