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CN107081641A - 一种柔性刀具自动对刀装置及方法 - Google Patents

一种柔性刀具自动对刀装置及方法 Download PDF

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CN107081641A CN201710345833.5A CN201710345833A CN107081641A CN 107081641 A CN107081641 A CN 107081641A CN 201710345833 A CN201710345833 A CN 201710345833A CN 107081641 A CN107081641 A CN 107081641A
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Abstract

本发明公开了一种柔性刀具自动对刀装置及方法。本发明的柔性刀具自动对刀装置及方法，用于射流抛光领域，采用测量探头配合固化的参数化自动对刀程序，利用数控系统自身的数控程序控制能力，通过数控系统直接运行固化的参数化自动对刀程序，控制测量探头接触工件的五个端面的测量方式实现对刀并自动建立机床工件坐标系，不需要配置独立的对刀仪，可有效解决射流抛光手动对刀难度大，对刀精度主要依赖操作者的技术水平和工艺经验等问题，而且有效提高了射流抛光的对刀效率和对刀精度，以及射流抛光机床的自动化水平和安全性，同时该方法还适用于其它类型的柔性刀具自动对刀。

Description

一种柔性刀具自动对刀装置及方法
技术领域
本发明属于射流抛光技术领域，具体涉及一种柔性刀具自动对刀装置及方法。
背景技术
射流抛光技术是近年来发展起来的一种新型光学加工技术，它主要是通过专门设计的喷嘴将含有磨粒的液体射向工件，利用射流冲击工件表面产生的冲击作用和壁面流动产生的剪切力作用来实现材料的去除。射流抛光由于使用液体作为抛光工具，加工中不会出现刀具磨损和热影响问题，加工设备简单，加工过程清洁，加工柔性高，目前被用于解决平面、球面、非球面的超精密加工难题。
建立工件坐标系，即确立工件坐标原点相对机床坐标系的位置，是实现数控编程，进行自动化加工的必要前提。现有射流抛光机床对刀主要采用手动反复调整与操作者观察结合的方式进行对刀，由于射流抛光的抛光刀具是液体，当其与工件接触时立即产生变形，对刀难度大，效率低，对刀精度低主要依赖操作者的技术水平和工艺经验，对刀获得的工件坐标系数据一致性较差。
目前某些高档数控机床中配置了对刀仪等自动测量装置，如左家圣在中国设备工程2006第12期发表的《数控机床自动对刀仪的设计》、宋长双在制造技术与机床2011第5期发表的《对刀仪在数控机床上的应用》，其加工精度和自动化程度得以提高，但需要针对不同类型加工机床设计自动对刀仪，成本相对昂贵、且功能比较单一，并且都需要通过刀具与对刀仪进行直接接触实现对刀。目前报道的其他自动对刀方法，如孟宪章的专利《一种基于对刀测量头的感知部位为球形触头的数控机床对刀方法》（中国专利公开号：CN103707132A），但其需要采用测量探头与刀具直接接触方式实现对刀，如昆明学院的专利《一种基于机器视觉的数控车床对刀装置及对刀方法》（中国专利公开号：CN 104190963A），采用机器视觉方式实现对刀，需要拍摄刀具的清晰图像，然后通过图像处理获得对刀数据。但由于射流抛光的刀具为液体，刀具在含有磨粒的液体射向工件表面时才形成，而且由于液体高速射向工件表面时出现溅射无法通过CCD获取刀具的清晰图像，因此也不适用于射流抛光的柔性刀具对刀。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题是提供一种柔性刀具自动对刀装置，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种柔性刀具自动对刀方法。
本发明的柔性刀具自动对刀装置，其特点是：所述的对刀装置包括：
对刀机构，由测量探头和气缸组成，测量探头的传感器感知测量探头与工件的接触情况，并把测量探头感知到的触发信号发送给控制器单元，气缸带动测量探头上下升降运动实现测量探头在工作位与准备位之间切换；
人机交互单元，为计算机控制界面，在人机交互单元界面上输入工件信息、对刀精度和编程基准，并在人机交互单元界面上点击设置参数按钮将工件信息、对刀精度和编程基准写入控制器单元，之后在人机交互单元界面上点击对刀按钮启动控制器单元执行对刀程序，执行对刀程序运行结束后，在人机交互单元界面上点击工件坐标系按钮显示建立的机床工件坐标系；
控制器单元，用于执行控制器单元中固化的对刀程序，并在对刀过程中接收测量探头的触发信号，并同步记录工件测量点的X坐标、Y坐标和Z坐标；用于存储测量探头与喷嘴的相对工作位置关系；还通过在人机交互单元界面上点击工件坐标系按钮将机床工件坐标系写入控制器单元；
数据处理单元，用于计算工件的精确尺寸；还用于通过工件测量点的X坐标、Y坐标、Z坐标，测量探头与喷嘴的相对工作位置关系及人机交互单元输入的工件信息、对刀精度和编程基准计算机床工件坐标系。
所述固化的对刀程序采用参数化编程，把在人机交互单元界面上输入的工件信息、对刀精度和编程基准用参数表示，输入编制的对刀程序中，并编译下载到控制器单元形成固化的对刀程序，固化的对刀程序驻留在控制器单元中。
所述的对刀机构的测量探头通过螺钉安装在气缸的下端面，气缸通过螺钉安装在射流抛光机床的Z轴升降机构上，工作时，测量探头先随气缸快速运动到工作位，然后再按对刀程序规划的路径随Z轴升降机构上下运动。
所述的控制器单元采用西门子数控系统、华中数控系统或PMAC系列运动控制器中的一种。
所述的测量探头采用三向接触式测量探头，具有X、Y、Z三向接触感知功能。
本发明的柔性刀具自动对刀方法包括以下步骤：
a．将工件固定安装在水平工作台上；
b．在人机交互单元界面上输入待加工的工件信息：包括形状信息：圆形或矩形及工件长度、宽度和高度；
c．在人机交互单元界面上输入编程基准，选择工件中心、工件左下角、工件左上角、工件右下角、工件右上角；
d．在人机交互单元界面上输入对刀精度，包括X向、Y向和Z向精度；
e．在人机交互单元界面上点击设置参数按钮，将工件信息、对刀精度和编程基准写入控制器单元；
f．在人机交互单元界面上点击对刀按钮，启动控制器单元执行固化的对刀程序；
g．在人机交互单元界面上点击工件坐标系按钮，控制器单元把执行对刀程序获取的机床工件坐标系的X坐标、Y坐标和Z坐标写入控制器单元建立机床工件坐标系；同时人机交互单元界面显示机床工件坐标系的X坐标、Y坐标和Z坐标。
所述的步骤f中的固化的对刀程序包括以下步骤：
f1.控制器单元通过固化的对刀程序驱动机床的X轴、Y轴、Z轴运动，从而实现测量探头与工件的上端面、左侧面、右侧面、前侧面、后侧面的5个端面进行接触测量，并记录5个测量点的X坐标、Y坐标和Z坐标；
f2．数据处理单元根据人机交互单元界面上输入的工件信息和5个测量点的X坐标、Y坐标和Z坐标计算工件的长、宽、高；
f3．数据处理单元根据人机交互单元界面上输入的编程基准，5个测量点的X坐标、Y坐标和Z坐标，工件的长、宽、高及测量探头与喷嘴的相对工作位置关系计算机床工件坐标系的X坐标、Y坐标和Z坐标。
本发明的柔性刀具自动对刀装置及方法，采用测量探头配合固化的参数化自动对刀程序，利用数控系统自身的数控程序控制能力，通过数控系统直接运行固化的参数化自动对刀程序，控制测量探头接触工件的五个端面的测量方式实现自动对刀并自动建立机床工件坐标系，不需要配置独立的对刀仪，可有效解决射流抛光手动对刀难度大，对刀精度主要依赖操作者的技术水平和工艺经验等问题，而且有效提高了射流抛光的对刀效率和对刀精度，以及射流抛光机床的自动化水平和安全性，同时该方法还适用于其它类型的柔性刀具对刀。
附图说明
图1为本发明的柔性刀具自动对刀装置的组成框图；
图2为本发明的柔性刀具自动对刀装置的测量探头双工位示意图；
图3为本发明的柔性刀具自动对刀方法的人机交互单元界面示意图。
图中，1.对刀机构 2.人机交互单元 3.控制器单元 4.数据处理单元 5.准备位6.测量探头 7.气缸 8.Z轴升降机构 9.喷嘴 10.工作位。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的详细说明。
如图1所示，本发明的柔性刀具自动对刀装置包括：
对刀机构1，如图2所示，由测量探头6和气缸7组成，测量探头6的传感器感知测量探头6与工件的接触情况，并把测量探头6感知到的触发信号发送给控制器单元3，气缸7带动测量探头6上下升降运动实现测量探头6在工作位10与准备位5之间切换，当进行工件自动对刀时，气缸7带动测量探头6从准备位5下降到工作位10，当自动对刀完成后，气缸7带动测量探头6从工作位10上升到准备位5；
人机交互单元2，如图3所示，由工件信息输入区、对刀精度输入区、编程基准选择区、工件坐标系显示区和对刀操作区五部分组成。工件信息输入区用于工件形状（圆形、矩形）选择，工件的长、宽、高尺寸输入；对刀精度输入区用于X向、Y向、Z向的测量精度输入，可以根据工艺需求设置不同的对刀精度；编程基准选择区用于选择抛光工艺编程基准；工件坐标系显示区用于显示自动对刀建立的机床工件坐标系；对刀操作区包括“设置参数”、“对刀”和“工件坐标系”三个控制按钮。在人机交互单元2界面上输入工件信息、对刀精度和编程基准，并在人机交互单元2界面上点击设置参数按钮将工件信息、对刀精度和编程基准写入控制器单元3，之后在人机交互单元2界面上点击对刀按钮启动控制器单元3执行对刀程序，执行对刀程序运行结束后，在人机交互单元2界面上点击工件坐标系按钮， 人机交互单元2界面显示机床工件坐标系的X坐标、Y坐标和Z坐标；
控制器单元3，用于执行控制器单元3中固化的对刀程序，并在对刀过程中接收测量探头6的触发信号，并同步记录工件测量点的X坐标、Y坐标和Z坐标；用于存储测量探头6与喷嘴9的相对工作位置关系；还用于将执行对刀程序获取的机床工件坐标系的X坐标、Y坐标和Z坐标写入控制器单元3，即建立机床工件坐标系；
数据处理单元4，用于计算工件的精确尺寸；还用于通过工件测量点的X坐标、Y坐标、Z坐标，测量探头6与喷嘴9的相对工作位置关系及人机交互单元2输入的工件信息、对刀精度和编程基准计算机床工件坐标系的X坐标、Y坐标和Z坐标。
所述固化的对刀程序采用参数化编程，把在人机交互单元2界面上输入的工件信息、对刀精度和编程基准用参数表示，输入编制的对刀程序中，并编译下载到控制器单元3形成固化的对刀程序，固化的对刀程序驻留在控制器单元3中。
所述的对刀机构1的测量探头6通过螺钉安装在气缸7的下端面，气缸7通过螺钉安装在射流抛光机床的Z轴升降机构8上，工作时，测量探头6先随气缸7快速运动到工作位10，然后再按对刀程序规划的路径随Z轴升降机构8上下运动。
所述的控制器单元3采用西门子数控系统、华中数控系统或PMAC系列运动控制器中的一种。
所述的测量探头6采用三向接触式测量探头，具有X、Y、Z三向接触感知功能。
所述测量探头6在准备位5和工作位10之间的位置切换通过执行对刀程序自动完成，具备速度快、精度高和安全性好等优点。
本发明的柔性刀具自动对刀方法包括以下步骤：
a．将工件固定安装在水平工作台上；
b．在人机交互单元2界面上输入待加工的工件信息：包括形状信息：圆形或矩形及工件长度、宽度和高度；
c．在人机交互单元2界面上输入编程基准，选择工件中心、工件左下角、工件左上角、工件右下角、工件右上角；
d．在人机交互单元2界面上输入对刀精度，包括X向、Y向和Z向精度；
e．在人机交互单元2界面上点击设置参数按钮，将工件信息、对刀精度和编程基准写入控制器单元3；
f．在人机交互单元2界面上点击对刀按钮，启动控制器单元3执行固化的对刀程序；
g．在人机交互单元2界面上点击工件坐标系按钮，控制器单元3将执行对刀程序获取的机床工件坐标系的X坐标、Y坐标和Z坐标写入控制器单元3建立机床工件坐标系；同时人机交互单元2界面显示机床工件坐标系的X坐标、Y坐标和Z坐标。
所述的步骤f中的固化的对刀程序包括以下步骤：
f1.控制器单元3通过固化的对刀程序驱动机床的X轴、Y轴、Z轴运动，从而实现测量探头6与工件的上端面、左侧面、右侧面、前侧面、后侧面的5个端面进行接触测量，并记录5个测量点的X坐标、Y坐标和Z坐标；
f2．数据处理单元4根据人机交互单元2界面上输入的工件信息和5个测量点的X坐标、Y坐标和Z坐标计算工件的长、宽、高；
f3．数据处理单元4根据人机交互单元2界面上输入的编程基准，5个测量点的X坐标、Y坐标和Z坐标，工件的长、宽、高和测量探头6与喷嘴9的相对工作位置关系计算机床工件坐标系的X坐标、Y坐标和Z坐标。
实施例1
针对BK7材料、100*100厚20mm的矩形工件，通过PKC-1000P2磁流变抛光机床，机床水平工作台面中心位置为（300，300，230），测量探头6与喷嘴9的相对工作位置关系（20，27，20），柔性刀具使用磁流变液在磁场作用下形成的柔性缎带。
控制器单元3采用华中数控系统，测量探头6采用雷尼绍 MCP测头。
按照以下步骤完成自动对刀：
a．将工件固定安装在水平工作台上；
b．在人机交互单元2界面上输入待加工的工件信息：工件形状选择矩形，输入工件长度100mm、宽度100mm和高度20mm；
c．在人机交互单元2界面上输入编程基准，选择工件中心；
d．在人机交互单元2界面上输入对刀精度：X向0.015mm、Y向0.015mm和Z向精度0.010mm；
e．在人机交互单元2界面上点击设置参数按钮，将选择的工件形状矩形，输入的工件长度100mm、宽度100mm和高度20mm，选择的编程基准工件中心以及输入的X向0.015mm、Y向0.015mm和Z向精度0.010mm对刀精度写入控制器单元3；
f．在人机交互单元2界面上点击对刀按钮，启动控制器单元3执行固化的对刀程序，控制器单元3通过固化的对刀程序驱动机床的X轴、Y轴、Z轴运动，从而实现测量探头6与工件的上端面、左侧面、右侧面、前侧面、后侧面的5个端面进行接触测量，记录的测量点1坐标（280，273，229.941）、测量点2坐标（256.54，273，231.942）、测量点3坐标（356.42，273，231.942）、测量点4坐标（280，253.538，231.942）和测量点5坐标（280，353.323，231.942）；数据处理单元4计算出工件的长99.88mm、宽99.785mm、高20.059mm和机床的工件坐标系的坐标值（306.480、303.431、209.941）；
g．在人机交互单元2界面上点击工件坐标系按钮，控制器单元3把执行对刀程序获取的机床工件坐标系的坐标值（306.480、303.431、209.941）写入控制器单元3建立机床工件坐标系；同时人机交互单元2界面显示机床工件坐标系的坐标值（306.480、303.431、209.941）。
本实施例中的控制器单元3还可以采用西门子数控系统或PMAC系列运动控制器。本实施例中的测量探头6还可以采用海德汉TS系列3D测量探头。
实施例2
针对K7材料、φ50厚10mm的圆形工件，通过SHL-200射流抛光机床，机床水平工作台面中心位置为（100，100，200），测量探头6与喷嘴9的相对工作位置关系（10，20，20），柔性刀具使用带磨料的高压水。
控制器单元3采用PMAC系列控制器；测量探头6采用雷尼绍 MCP测头。
按照以下步骤完成自动对刀：
a．将工件固定安装在水平工作台上；
b．在人机交互单元2界面上输入待加工的工件信息：工件形状选择圆形，输入工件长度50mm、宽度50mm和高度10mm；
c．在人机交互单元2界面上输入编程基准，选择工件中心；
d．在人机交互单元2界面上输入对刀精度：X向0.015mm、Y向0.015mm和Z向精度0.010mm；
e．在人机交互单元2界面上点击设置参数按钮，将选择的工件形状圆形，输入的工件长度50mm、宽度50mm和高度10mm，选择的编程基准工件中心以及输入的X向0.015mm、Y向0.015mm和Z向精度0.010mm对刀精度写入控制器单元3；
f．在人机交互单元2界面上点击对刀按钮，启动控制器单元3执行固化的对刀程序，控制器单元3通过固化的对刀程序驱动机床的X轴、Y轴、Z轴运动，从而实现测量探头6与工件的上端面、左侧面、右侧面、前侧面、后侧面的5个端面进行接触测量，记录的测量点1坐标（90，80，210.012）、测量点2坐标（65.075，80，212.012）、测量点3坐标（115.085，80，212.012）、测量点4坐标（90，54.724，212.012）和测量点5坐标（90，104.734，212.012）；数据处理单元4计算出工件的长50.006mm、宽50.006mm、高9.988mm和机床的工件坐标系的坐标值（100.080、99.729、190.012）；
g．在人机交互单元2界面上点击工件坐标系按钮，控制器单元3把执行对刀程序获取的机床工件坐标系的坐标值（100.080、99.729、190.012）写入控制器单元3建立机床工件坐标系；同时人机交互单元2界面显示机床工件坐标系的坐标值（100.080、99.729、190.012）。
本实施例中的控制器单元3还可以采用华中数控系统或西门子数控系统。本实施例中的测量探头6还可以采用海德汉TS系列3D测量探头。

Claims (7)

1.一种柔性刀具自动对刀装置，其特征在于：所述的对刀装置包括：
对刀机构(1)，由测量探头(6)和气缸(7)组成，测量探头(6)的传感器感知测量探头(6)与工件的接触情况，并把测量探头(6)感知到的触发信号发送给控制器单元(3)，气缸(7)带动测量探头(6)上下升降运动实现测量探头(6)在工作位(10)与准备位(5)之间切换；
人机交互单元(2)，为计算机控制界面，在人机交互单元(2)界面上输入工件信息、对刀精度和编程基准，并在人机交互单元(2)界面上点击设置参数按钮将工件信息、对刀精度和编程基准写入控制器单元(3)，之后在人机交互单元(2)界面上点击对刀按钮启动控制器单元(3)执行对刀程序，对刀程序运行结束后，在人机交互单元(2)界面上点击工件坐标系按钮显示建立的机床工件坐标系；
控制器单元(3)，用于执行控制器单元(3)中固化的对刀程序，并在对刀过程中接收测量探头(6)的触发信号，并同步记录工件测量点的X坐标、Y坐标和Z坐标；用于存储测量探头(6)与喷嘴(9)的相对工作位置关系；还通过在人机交互单元(2)界面上点击工件坐标系按钮将机床工件坐标系写入控制器单元(3)；
数据处理单元(4)，用于计算工件的精确尺寸；还用于通过工件测量点的X坐标、Y坐标、Z坐标，测量探头(6)与喷嘴(9)的相对工作位置关系及人机交互单元(2)输入的工件信息、对刀精度和编程基准计算机床工件坐标系。
2.根据权利要求1所述的柔性刀具自动对刀装置，其特征在于：所述控制器单元(3)中的固化的对刀程序采用参数化编程，把在人机交互单元(2)界面上输入的工件信息、对刀精度和编程基准用参数表示，输入编制的对刀程序中，并编译下载到控制器单元(3)形成固化的对刀程序。
3.根据权利要求1所述的柔性刀具自动对刀装置，其特征在于：所述的对刀机构(1)的测量探头(6)固定安装在气缸(7)的下端面，气缸(7)固定安装在射流抛光机床的Z轴升降机构(8)上。
4.根据权利要求1所述的柔性刀具自动对刀装置，其特征在于：所述的控制器单元(3)采用德国西门子数控系统、中国华中数控系统或美国Del Tau 公司的PMAC系列运动控制器中的一种。
5.根据权利要求1所述的柔性刀具自动对刀装置，其特征在于：所述的测量探头(6)采用三向接触式测量探头。
6.一种用于权利要求1所述的柔性刀具自动对刀装置的对刀方法，其特征在于，所述的对刀方法包括以下步骤：
a．将工件固定安装在水平工作台上；
b．在人机交互单元(2)界面上输入待加工的工件信息：包括形状信息：圆形或矩形及工件长度、宽度和高度；
c．在人机交互单元(2)界面上输入编程基准，选择工件中心、工件左下角、工件左上角、工件右下角、工件右上角；
d．在人机交互单元(2)界面上输入对刀精度，包括X向、Y向和Z向精度；
e．在人机交互单元(2)界面上点击设置参数按钮，将工件信息、对刀精度和编程基准写入控制器单元(3)；
f．在人机交互单元(2)界面上点击对刀按钮，启动控制器单元(3)执行固化的对刀程序；
g．在人机交互单元(2)界面上点击工件坐标系按钮，控制器单元(3)把执行对刀程序获取的机床工件坐标系的X坐标、Y坐标和Z坐标写入控制器单元(3)建立机床工件坐标系；同时人机交互单元(2)界面显示机床工件坐标系的X坐标、Y坐标和Z坐标。
7.根据权利要求6所述的对刀方法，其特征在于，所述的步骤f中的固化的对刀程序包括以下步骤：
f1.控制器单元(3)通过固化的对刀程序驱动机床的X轴、Y轴、Z轴运动，从而实现测量探头(6)与工件的上端面、左侧面、右侧面、前侧面、后侧面的5个端面进行接触测量，并记录5个测量点的X坐标、Y坐标和Z坐标；
f2．数据处理单元(4)根据人机交互单元(2)界面上输入的工件信息和5个测量点的X坐标、Y坐标和Z坐标计算工件的长、宽、高；
f3．数据处理单元(4)根据人机交互单元(2)界面上输入的编程基准，5个测量点的X坐标、Y坐标和Z坐标，工件的长、宽、高和测量探头(6)与喷嘴(9)的相对工作位置关系计算机床工件坐标系的X坐标、Y坐标和Z坐标。
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