CN101859130A - 实际刀轴方向偏离编程刀轴方向的数控加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实际刀轴方向偏离编程刀轴方向的数控加工方法，所述数控加工方法采用球刀作为加工刀具，确定所述实际刀轴方向偏离所述编程刀轴方向的角度偏差，所述实际刀轴对应有实际刀具，所述编程刀轴对应有编程刀具，包括对刀步骤，所述对刀步骤中的对刀点为编程刀具的理论刀尖对应的实际刀具的刀刃位置；有效解决了普通数控机床主轴调头时不能实现自动调头加工坐标系补偿、调头精度不准或靠人工扳动调整，倾斜后的实际加工刀轴方向与编程理论用的刀轴方向存在误差问题，充分利用了机床、刀具的现有条件，最大发挥、利用了现有硬件资源，对原本无法加工的零件实现了加工，降低了成本、缩短开发周期。
Description
技术领域
本发明涉及一种用球刀对型面进行数控加工的方法。
背景技术
对于空间曲面数铣加工，不管是刀轴方向不发生变化的固定轴铣削场合，还是刀具方向在空间位置的不断变化的四轴、五轴及多轴的铣削场合，实际加工的刀轴的方向是和程序设计的刀轴方向是一致的。在汽车冲压模具加工中，普遍使用3+2轴的数控加工机床，采用固定轴方式球刀加工型面时，对于下列一些情况，有时会出现刀轴的实际加工方向与编程不一致的状况：一是受机床本身性能的限制，象早一些的机床，本身主轴头能进行旋转或更换而进行调头加工，但角度精度已无法准确保证，会出现偏差；二是机床虽能完成刀轴的准确定位，但是实际加工现场受机床更换、刀具长短、操作人员工艺经验的影响，会根据实际情况调转与编程不一致的刀轴方向进行加工，从而造成实际加工的刀轴方向与编程的刀轴方向偏差。
上述问题传统的解决方法：
(1)、对于调头不能实现自动补偿、调头精度不能保证的数控加工机床而必须调头加工的零件，只能进行外协加工，利用社会上的设备和加工资源完成加工，增加开发成本和产品开发周期。
(2)、对于调头能实现自动补偿、调头精度有保证的机床，当生产现场受刀具、加工工艺性要求需要调整编程的刀轴方法时，程序设计部门必须按车间要求重新编制加工程序，造成工作的反复，浪费时间和精力，延误加工时间。
而且我国有大量的十几年前的数控机床，如何利用新的工艺方法，充分发挥这些机床的性能和加工潜力，给企业带来更多的效益，是需要解决的课题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能有效解决普通数控机床主轴调头时不能实现自动调头加工坐标系补偿、调头精度不准或靠人工扳动调整，倾斜后的实际加工刀轴方向与编程理论用的刀轴方向存在误差问题的实际刀轴方向偏离编程刀轴方向的数控加工方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：实际刀轴方向偏离编程刀轴方向的数控加工方法，所述数控加工方法采用球刀作为加工刀具，确定所述实际刀轴方向偏离所述编程刀轴方向的角度偏差，所述实际刀轴对应有实际刀具，所述编程刀轴对应有编程刀具，包括对刀步骤，所述对刀步骤中的对刀点为编程刀具的理论刀尖对应的实际刀具的刀刃位置。
作为优选的技术方案，确定所述角度偏差(δ)的步骤包括：确定刀具与被加工工件可能发生碰撞干涉的接触点，根据确定的接触点确定角度偏差(δ)允许取值范围，所述角度偏差为在平面内实际加工刀轴方向与编程刀轴方向之间的夹角，步骤如下：
由：h+Δ≤H；
H＝R[1-sin(α+δ)]；
得：β＝α+δ≤arcsin[1-(h+/Δ)/R]；
其中，
α：编程刀轴方向与发生角度偏差的平面的纵坐标轴的夹角；
R：球刀半径；
h：发生干涉的接触点到球刀最低点(K)的距离；
H：球刀半球部分与直刃部分的切点到球刀最低点(K)的距离；
Δ：设定的安全长度；
β：实际加工刀轴与垂直方向的夹角。
作为优选的技术方案，所述安全长度(Δ)不小于3mm。
由于采用了上述技术方案，实际刀轴方向偏离编程刀轴方向的数控加工方法，所述数控加工方法采用球刀作为加工刀具，确定所述实际刀轴方向偏离所述编程刀轴方向的角度偏差，所述实际刀轴对应有实际刀具，所述编程刀轴对应有编程刀具，包括对刀步骤，所述对刀步骤中的对刀点为编程刀具的理论刀尖对应的实际刀具的刀刃位置；有效解决了普通数控机床主轴调头时不能实现自动调头加工坐标系补偿、调头精度不准或靠人工扳动调整，倾斜后的实际加工刀轴方向与编程理论用的刀轴方向存在误差问题，充分利用了机床、刀具的现有条件，现场操作人员根据零件加工工艺要求，通过本方法实现工件的加工，增加了现场操作的灵活性和方便性，同时可最大发挥、利用了现有硬件资源，对原本无法加工的零件实现了加工，降低了成本、缩短开发周期。
附图说明
图1是本发明对刀步骤中找正对刀示意图；
图2是本发明对刀步骤中编程刀轴方向垂直于横坐标轴方向找正对刀示意图；
图3是本发明中实际加工刀轴方向偏离编程刀轴方向产生干涉情形分析示意图；
图4是本发明中确定角度偏差(δ)步骤的分析示意图；
图5是本发明中多次调头倾斜加工刀轴分段加工示意图。
具体实施方式
实际刀轴方向偏离编程刀轴方向的数控加工方法，所述数控加工方法采用球刀作为加工刀具，确定所述实际刀轴方向偏离所述编程刀轴方向的角度偏差，所述实际刀轴对应有实际刀具，所述编程刀轴对应有编程刀具，包括对刀步骤，所述对刀步骤中的对刀点为编程刀具的理论刀尖对应的实际刀具的刀刃位置，利用球刀头部为半球的几何特性，保证球刀与被加工型面的接触点B保持不变，保证加工的正确性，解决数控机床主轴调头时，倾斜后的实际加工刀轴方向与编程理论用的刀轴方向存在误差的问题，所述角度偏差可能产生在加工坐标系的XZ平面内，也可能在其它平面内，下述以角度偏差发生在加工坐标系的XZ平面内为例进行说明，角度偏差发生在其它加工坐标系平面内的情形可同理进行换算和操作。
确定所述角度偏差δ的步骤包括，确定刀具与被加工工件可能发生碰撞干涉的接触点S，由于实际加工刀轴方向与编程刀轴方向形成角度偏差δ，会造成刀杆向一侧型面靠近的现象，这一侧型面上任意点的切线与扳动后的刀轴如果没有形成负角度，刀具按调整后的角度进行加工时不用担心刀具会碰到工件。若调整实际加工刀轴方向偏离编程刀轴方向后，造成型面与实际加工刀轴形成负角时，刀具在运动到某一位置会与型面碰撞。
如图3所示，若曲面切线ab处的型面当与编程刀轴存在加工负角θ，CAM软件会根据编程设定的刀轴方向，当球刀底部接触型面时，编程软件自动计算出刀具与负角处型面的碰撞干涉接触点S，从而进行避让，防止过切加工。但当现场进行刀轴的调整，使实际加工刀轴不符合编程刀轴时，若在刀杆趋向靠近被加工型面的这一侧存在型面的切线方向与刀轴加工方向成负角θ′时，在此区域，当型腔深度高于球刀半球部分与直刃部分的切点J时，则会发生严重的刀具与工件的干涉现象，即图3中的阴影区域，这是不允许的。
因此，用球刀仿铣型面中，实际加工刀轴方向偏离编程刀轴方向是有条件限制的，要对型面形状进行分析，并关联编程加工刀具的几何参数进行计算比较。在确保加工安全的情况下，在现有资源和工艺性要求的情况下，灵活方便的实现加工方案。如图4，编程刀轴与Z坐标轴方向成α角，实际加工刀轴与编程刀轴存在δ角的偏差，分析发现切线ab处型面与实际加工刀轴存在加工负角θ′，则角度偏差δ允许取值范围应满足：
h+Δ≤H；
具体步骤如下：
由：h+Δ≤H；
H＝R[1-sin(α+δ)]；
得：β＝α+δ≤arcsin[1-(h+Δ)/R]；
其中，
α：编程刀轴方向与Z坐标轴方向的夹角；
R：球刀半径；
h：发生干涉的接触点到球刀最低点K的距离；
H：球刀半球部分与直刃部分的切点到球刀最低点K的距离；
Δ：设定的安全长度，所述安全长度Δ等于3mm；
β：实际加工刀轴与垂直方向的夹角。
需要注意的是，上述的分析判断，要在刀轴偏转造成影响的各个方向截面上都要进行，安全长度Δ要保证在最严重的方向上满足安全要求。
对于当h＞H时，是不允许实际加工刀轴方向与编程刀轴方向存在偏差的，不能按上述的对策实现加工方案。若被加工型面存在类似的型腔起伏很少，而实际操作中确实需要按此解决方案完成加工的，可采取分段加工的方式，如图5所示，按上述策略刀轴向一侧偏转后加工II-III段型面，并保证一定的安全距离I-II段的型面可使刀轴向另一侧斜实现加工。
所述对刀步骤具体包括，在角度偏差δ允许取值范围内取定角度偏差δ值，对刀点为编程刀具的理论刀尖A对应的实际刀具的刀刃位置。如图1所示实际加工中，实际加工刀轴方向与编程刀轴方向在XZ平面内倾斜一定的角度δ。倾斜后，球刀在刀轴方向上的刀尖点是A′点，由于编程时的刀轴方向为垂直方向，其输出的程序是刀尖点A的坐标数据，利用刀具加工头部是半球的几何特性，只要在对刀确定坐标系时，对实际倾斜后的刀具还是按球刀编程时的刀轴方向上的刀尖点A对刀，而不是用A′点对刀，就可保证球刀与被加工型面的接触点B保持不变，从而保证加工的正确性，这样就实现了用球刀垂直刀轴编程、倾斜刀轴的型面加工；如图2所示对于实际加工中，编程刀轴方向并非垂直方向，编程刀轴方向与Z坐标轴方向存在夹角α的情况，也同样利用刀具加工头部是半球的几何特性，在对刀确定坐标系时，对实际倾斜后的刀具还是按球刀编程时的刀轴方向上的刀尖点A对刀，而不是用A′点对刀，用以保证球刀与被加工型面的接触点B保持不变，保证加工的正确性。
如图2所示，按照编程刀轴方向上的球头刀尖点A的位置数据进行加工坐标系找准时设定球刀最低点K为计算参考点，则：
XA＝Xk+Rsinα；
ZA＝Zk+R(1-cosα)；
其中，
XA：A点的X坐标值；
ZA：A点的Z坐标值；
Xk：K点的X坐标值；
Zk：K点的Z坐标值；
R：球刀半径。
调转刀轴后重新验证对刀，设定球刀半球部分上M点为验证对刀点进行换算：
XA＝XM-R(1-sinα)；
其中，
XA：A点的横坐标；
XM：M点的横坐标；
R：球刀半径；
α：编程刀轴方向与发生角度偏差的平面的纵坐标轴的夹角。
在完成对刀步骤后的加工步骤中，使用机床的RTCP功能进行加工，在机床控制系统中设置pivot距离和刀具长度，所述刀具长度是到球头底端刀尖的长度。
在确定所述角度偏差δ的步骤中发现刀具与被加工工件不会发生碰撞干涉，可进行如下加工步骤，所述加工步骤包括激活机床控制器的RTCP功能，使用RTCP功能设置定位刀轴方位时，输入系统的刀具长度为到球头球心的长度，这样即可实现实际加工刀轴方向与编程刀轴方向倾斜加工而不需要CAM重新编程。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
一切从本发明的构思出发，不经过创造性劳动所作出的结构变换均落在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.实际刀轴方向偏离编程刀轴方向的数控加工方法，所述数控加工方法采用球刀作为加工刀具，确定所述实际刀轴方向偏离所述编程刀轴方向的角度偏差，所述实际刀轴对应有实际刀具，所述编程刀轴对应有编程刀具，包括对刀步骤，其特征在于，所述对刀步骤中的对刀点为编程刀具的理论刀尖对应的实际刀具的刀刃位置。
2.如权利要求1所述的实际刀轴方向偏离编程刀轴方向的数控加工方法，其特征在于，确定所述角度偏差(δ)的步骤包括：确定刀具与被加工工件可能发生碰撞干涉的接触点，根据确定的接触点确定角度偏差(δ)允许取值范围，所述角度偏差为在平面内实际加工刀轴方向与编程刀轴方向之间的夹角，步骤如下：
由：h+Δ≤H；
H＝R[1-sin(α+δ)]；
得：β＝α+δ≤arcsin[1-(h+Δ)/R]；
其中，
α：编程刀轴方向与发生角度偏差的平面的纵坐标轴的夹角；
R：球刀半径；
h：发生干涉的接触点到球刀最低点(K)的距离；
H：球刀半球部分与直刃部分的切点到球刀最低点(K)的距离；
Δ：设定的安全长度；
β：实际加工刀轴与垂直方向的夹角。
3.如权利要求2所述的实际刀轴方向偏离编程刀轴方向的数控加工方法，其特征在于：所述安全长度(Δ)不小于3mm。
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