CN102049703A - 一种复杂结构零件车铣加工的空间坐标变换方法 - Google Patents

Abstract

近年来，随着精密机械、仪器仪表、航空航天等高科技领域对于产品使用功能的不断提高，出现了大量结构复杂、功能集成的机械零件。基于车铣加工中心的车铣加工是实现复杂结构零件精密加工的有效技术途径。由于车铣加工过程中的刀具与工件之间空间位置关系复杂，成为制约加工工艺规划的难点问题。本发明涉及一种适用于复杂结构零件车铣加工的空间坐标变换方法。针对车铣加工机床的功能配置和复杂结构零件的空间结构特征，利用空间直角坐标系变换方法构建齐次坐标变换矩阵，建立刀具与车铣工件之间的空间位姿关系，从而确定由机床坐标系向工件坐标系的坐标变换方法。本方法可为车铣加工的刀位文件生成和NC程序后置处理提供方法指导和依据。

Description

一种复杂结构零件车铣加工的空间坐标变换方法

1、技术领域

本发明涉及一种适用于复杂结构零件车铣加工的空间坐标变换方法，通过建立刀具与工件之间的空间位姿关系，可为车铣加工的刀位文件生成和NC程序后置处理提供方法指导和依据。

2、背景技术

近年来，随着精密机械、仪器仪表、航空航天等高科技领域对于产品使用功能和结构尺寸要求的不断提高，出现了大量结构复杂、功能集成的机械零件。如钟表机构零件、仪器仪表零件、微型液压与气动元件、微型轴承零件、微型注塑模具、微型工具电极等。由于此类零件的需求量极大，要求零件加工精度高、互换性好、生产周期短、加工成本低。

近年来，在传统数控车床和车削加工中心的基础上，增加C轴分度、Y轴运动、动力刀架或铣削电主轴等功能配置而发展起来的车铣加工中心大量出现，成为解决此类复杂结构零件高精度加工的一类重要制造装备。在“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项中，以车削机床为基础的车铣复合加工中心和以铣削机床为基础的铣车复合加工中心被列为重要发展方向。

基于车铣加工中心的车铣加工技术对于中间尺度零件的高效、高精度加工具有独特的原理优势：车、铣、钻等大部分或全部加工工序在一次装夹条件下完成，能够有效避免重复装夹造成的定位信息丢失，从而达到保证零件加工精度、减少机床和夹具、避免工序间的搬运和储存、缩短加工周期和作业面积的目的；辅以自动送料机构，还可实现自动化、无人值守连续生产。

3、发明内容

对于空间结构复杂的机械零件而言，加工特征包括回转面、端面、台阶面、薄壁、沟槽、孔等多种结构形式，主要涉及端面车削、外圆车削、立铣削、钻削等多种切削加工方式。利用传统的车床或铣床，需要将工件在不同的机床上进行多次装夹，不仅加工效率低，而且由于重复定位导致加工精度难以保证。因此，此类零件的空间结构特点决定了其加工工艺适宜在一次装夹条件下完成。

本申请针对中间尺度零件的空间结构特征和车铣加工中心的功能配置，利用空间直角坐标系变换方法构建齐次坐标变换矩阵，建立刀具与车铣工件之间的空间位姿关系，从而确定由机床坐标系向工件坐标系的坐标变换方法。

4、附图说明

附图为车铣加工的空间坐标变换示意图。图中，O_wX_wY_wZ_w为工件坐标系，O_bX_bY_bZ_b为车铣加工中心机床床身工件坐标系，O_CX_CY_CZ_C为车铣加工中心C轴分度坐标系，O_BX_BY_BZ_B为车铣加工中心转台回转坐标系，O_TxX_TxY_TxZ_Tx、O_TyX_TyY_TyZ_Ty和O_TzX_TzY_TzZ_Tz分别为车铣加工中心X、Y、Z轴工作台坐标系。

5、具体实施方式

根据车铣加工中心的功能配置与齐次坐标变换，建立铣刀、车刀的刀轴矢量与工件坐标系之间的空间坐标关系：

^wA_m＝^wA_C ^CA_b ^bA_Tz ^TzA_Tx ^TxA_B ^BA_Ty ^TyA_m

＝Trans(L_w，C，x，L_w，C，y，L_w，C，z)Rot(nwC，φ_nwC)×Trans(0，0，P_z)×Trans(P_x，0，0)    (1)

×Trans(L_Tx，B，x，L_Tx，B，y，L_Tx，B，z)Rot(nTxB，φ_nTxB)×Trans(0，P_y，0)

^wA_t＝^wA_C ^CA_b ^bA_Tz ^TzA_Tx ^TxA_t

                                                        (2)

＝Trans(L_w，C，x，L_w，C，y，L_w，C，z)Rot(nwC，φ_nwC)×Trans(0，0，P_z)×Trans(P_x，0，0)

根据式(1)和式(2)所示的坐标空间变换矩阵，得出铣刀、车刀的刀轴矢量和位置矢量分别为：

$\left[\begin{array}{cc}{t}_{\max }^w& r_{\mathrm{mp}}^w\\ 0& 1\end{array}\right]=A_m^w\left[\begin{array}{cc}{t}_{\mathrm{ax}}^m& r_p^m\\ 0& 1\end{array}\right]---\left(3\right)$

$\left[\begin{array}{cc}{t}_{\mathrm{tax}}^w& r_{\mathrm{tp}}^w\\ 0& 1\end{array}\right]=A_t^w\left[\begin{array}{cc}{t}_{\mathrm{ax}}^t& r_p^t\\ 0& 1\end{array}\right]---\left(4\right)$

通过刀轴矢量和位置矢量矩阵的运算和求解，从而将刀位轨迹在工件坐标系下的刀轴矢量和位置矢量转换为机床坐标及相应的回转角度。

Claims (3)

1. 本申请涉及一种复杂结构零件车铣加工的空间坐标变换方法，其技术特征主要包括：

   1.针对车铣加工机床的功能配置和复杂结构零件的空间结构特征，利用空间直角坐标系变换方法构建齐次坐标变换矩阵，建立刀具与车铣工件之间的空间位姿关系。
2. 2.机床坐标系向工件坐标系的坐标变换方法通过以下步骤实现：

   (1)建立工作台回转与刀轴摆动车铣联动数控加工中的刀轴矢量与转动角度之间的转换算法；

   (2)建立刀位点在工件坐标系与工作坐标系之间的位置变换方法。
3. 3.本申请提出的空间坐标变换方法主要用于复杂结构零件车铣加工的刀位文件生成和NC程序后置处理。

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