正交式双转台基座可转动数控夹具系统及其调控方法

摘要

本发明公开了一种正交式双转台基座可转动数控夹具系统，其包括具有第一转动自由度的第一转轴、具有第二转动自由度的第二转轴、具有第三转动自由度的第三转轴和夹具，第一转轴用于与机床工作台连接，第二转轴与第一转轴连接，第三转轴与第二转轴连接，夹具与第三转轴连接。本发明还公开了所述夹具系统的调控方法。藉由本发明的正交式双转台基座可转动数控夹具系统，可以在三轴加工机床或其它多坐标加工设备上实现各类特征多轴定位加工，尤其是实现复杂特征、低成本、高精度、多自由度控制的数控加工，工件形状及最终加工特征具有一般适应性和扩展性，转动轴之间的空间方位按照正交方式的夹具结构实现形式具有多样性、灵活性，适用于多种应用场合。

权利要求

1.一种正交式双转台基座可转动数控夹具系统的调控方法，所述夹具系统包括具有第一转动自由度的第一转轴、具有第二转动自由度的第二转轴、具有第三转动自由度的第三转轴、夹具和基座；其中，所述第一转轴用于与机床工作台连接，所述第二转轴与第一转轴连接，所述第三转轴与第二转轴连接，所述夹具与第三转轴连接；在工作时，所述基座安装于机床工作台上，并以所述第一转轴为基座旋转轴；

其特征在于，所述调控方法包括：

将所述夹具系统安装在机床工作台上；

至少依据CAD或CAM环境中的刀具路径数据将长方块形工件装夹在夹具上；

至少标定第二转轴、第三转轴；

标记所述工件在机床中的位置和姿态，设定机床坐标系OmXmYmZm，找寻OmXmYm平面内的三个角点坐标作为标记点，该三个角点坐标从工件顶面法向看，按逆时针方向分布；

计算所述工件在CAD或CAM环境中OX方向偏离机床坐标系OmXm方向的角度数值，并基于所述的标记点计算出工件顶面法向在机床坐标系中的空间矢量；

根据加工要求的倾斜角度值对应的工件顶面法向矢量和机床坐标系OmZm矢量值，结合夹具运动结构和固有参数，计算出对应于第二转轴、第三转轴的夹具转动角度补偿，补偿摆正工件顶面法向矢量与机床坐标系OmZm坐标轴之间的角度姿态；

采集标定长方块形工件的棱边方位点，计算得出校正棱边位置的旋转角度值，转动第一转轴，补偿工件棱边在机床坐标系中与OmXm轴和OmYm轴的空间方位；

将对应于第二转轴、第三转轴、第一转轴的补偿角度值形成代码指令，驱使第二转轴、第三转轴、第一转轴进行相应的动作，实现精准旋转和摆正；

进行基于CAD或CAM数据驱动的多自由度校准定位辅助数控加工；

其中，所述第二转轴、第三转轴的标定方法包括：

在夹具上取对应于第三转轴的第三标记点，以初始位置开始，从第三转轴正向看逆时针转动三个位置，测知三个位置时的该第三标记点数据，计算得出第三转轴中心与旋转矢量，调整第三转轴，使第三转轴与机床Z轴正方向一致，实现第三转轴中心与旋转矢量标定；

在夹具上取对应于第二转轴的第二标记点，以初始位置开始，从第二转轴正向看逆时针转动三个位置，测知三个位置时的该第二标记点数据，计算得出第二转轴中心与旋转矢量，调整第二转轴，使第二转轴与机床X轴正方向一致，实现第二转轴中心与旋转矢量标定。

2.根据权利要求1所述的调控方法，其特征在于：所述夹具系统还包括驱动模块、控制模块和人机交互模块，所述驱动模块包括分别用于驱动第一转轴、第二转轴、第三转轴的第一驱动机构、第二驱动机构、第三驱动机构，所述人机交互模块、驱动模块分别与控制模块连接。

3.根据权利要求2所述的调控方法，其特征在于：所述第一驱动机构、第二驱动机构、第三驱动机构采用步进电机或伺服电机。

4.如权利要求1所述的调控方法，其特征在于：所述第二标记点与第三标记点相同或不同。

说明书

正交式双转台基座可转动数控夹具系统及其调控方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种数控夹具设备，特别涉及一种适用于在三轴、多轴数控机床进行多自由度工件位姿校准控制的数控夹具系统及其调控方法，属于数控加工技术领域。

背景技术

[0002] 计算机数字化控制，简称数控(Numerical Control)，它是利用数字化信息对加工运动过程进行控制的一种方法。数控加工是现代制造领域的关键技术，机床夹具是机床上用以装夹工件和引导刀具的一种装置，与工件的定位基准相接触，用于确定工件在夹具中的正确位置，从而保证工件相对于机床加工运动刀具间的相对正确位置。

[0003] 目前，三轴数控加工可以实现一定范围内复杂特征的加工，但加工能力有限，针对一些拐角特征、正面覆盖区域，需要调整刀具与加工对象之间相对姿态的特殊应用场合，三轴数控加工的应用收到限制。另外，三轴数控加工某类典型特征(如倾斜平面、凸台、凹槽、倾斜孔等)时，加工精度难以保证，层间残留材料难以保证高光洁表面质量；同时，对工件装夹之后的位姿纠正，对刀操作人工参与度较大，长方块形工件加工的辅助工作费时，数控加工过程中的装夹、对刀等辅助过程占时比重较大，且加工精度受装夹准确性的影响较大。又及，目前业界对于多自由度转动装夹定位的数字化智能化与拓展数控机床加工范围的阐述缺乏。

发明内容

[0004] 本发明的主要目的在于提供一种正交式双转台基座可转动数控夹具系统及其调控方法，从而克服了现有技术的不足。

[0005] 为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

[0006] 本发明实施例提供了一种正交式双转台基座可转动数控夹具系统，其包括具有第一转动自由度的第一转轴、具有第二转动自由度的第二转轴、具有第三转动自由度的第三转轴和夹具，其中所述第一转轴用于与机床工作台连接，所述第二转轴与第一转轴连接，所述第三转轴与第二转轴连接，所述夹具与第三转轴连接。

[0007] 进一步地，所述的正交式双转台基座可转动数控夹具系统还包括基座，在工作时，所述基座安装于机床工作台上，所述第一转轴为基座旋转轴。

[0008] 进一步地，所述的正交式双转台基座可转动数控夹具系统还包括驱动模块、控制模块和人机交互模块，所述驱动模块包括分别用于驱动第一转轴、第二转轴、第三转轴的第一驱动机构、第二驱动机构、第三驱动机构，所述人机交互模块、驱动模块分别与控制模块连接。进一步地，所述第一驱动机构、第二驱动机构、第三驱动机构采用步进电机或伺服电机。本发明实施例还提供了所述正交式双转台基座可转动数控夹具系统的调控方法，其包括：将所述正交式双转台基座可转动数控夹具系统安装在机床工作台上；

[0009] 将工件固定在夹具上；

[0010] 检测标定第一转轴、第二转轴、第三转轴；

[0011] 标记工件上的特征点，依此计算出工件的空间位置和姿态，以及计算出补偿角度和矢量坐标系；

[0012] 进行工件加工的多自由度校准控制；

[0013] 依据需要进行工件的数控加工。

[0014] 进一步地，所述的调控方法包括：

[0015] 在至少标定第二转轴、第三转轴的基础上，计算工件顶面法向矢量，确定加工坐标系矢量；至少结合CAD或CAM环境数据与机床坐标系中数据的转换；

[0016] 针对不同工况需求，计算多自由度校准工件的补偿角度；以及在完成工件的校准后，依据重新建立的加工坐标系进行数控加工。

[0017] 进一步地，所述的调控方法包括：

[0018] 将长方块形工件任意装夹于夹具上，并使第三转轴、第二转轴复合转动调平工件顶面，进而使工件顶面与加工主轴刀具方向平行，以及，使第一转轴转动，进而使工件的棱边与机床的加工坐标系中的X、Y轴平行一致；

[0019] 或者，将圆形或环形回转工件任意装夹于夹具上，并使第三转轴、第二转轴复合转动调平工件顶面，进而使工件顶面与加工主轴刀具方向平行；

[0020] 对工件进行数控加工。

[0021] 进一步地，所述的调控方法具体包括：

[0022] 至少依据CAD或CAM环境中的刀具路径数据将长方块形工件装夹在夹具上，[0023] 标记工件在机床中的位置和姿态，设定机床坐标系OmXmYmZm，找寻OmXmYm平面内的三个角点坐标作为标记点，该三个角点坐标从工件顶面法向看，按逆时针方向分布；

[0024] 计算工件在CAD或CAM环境中OX方向偏离机床坐标系OmXm方向的角度数值，并基于所述的标记点计算出工件顶面法向在机床坐标系中的空间矢量；

[0025] 根据加工要求的倾斜角度值对应的工件顶面法向矢量和机床坐标系OmZm矢量值，结合夹具运动结构和固有参数，计算出对应于第二转轴、第三转轴的夹具转动角度补偿，补偿摆正工件顶面法向矢量与机床坐标系OmZm坐标轴之间的角度姿态；

[0026] 采集标定长方块形工件的棱边方位点，计算得出校正棱边位置的旋转角度值，转动第一转轴，补偿工件棱边在机床坐标系中与OmXm轴和OmYm轴的空间方位；

[0027] 将对应于第二转轴、第三转轴、第一转轴的补偿角度值形成代码指令，驱使第二转轴、第三转轴、第一转轴进行相应的动作，实现精准旋转和摆正；

[0028] 进行基于CAD或CAM数据驱动的多自由度校准定位辅助数控加工。

[0029] 进一步地，所述的调控方法具体包括：

[0030] 在夹具上取对应于第三转轴的第三标记点，以初始位置开始，从第三转轴正向看逆时针转动三个位置，测知三个位置时的该第三标记点数据，计算得出第三转轴中心与旋转矢量，调整第三转轴，使第三转轴与机床Z轴正方向一致，实现第三转轴中心与旋转矢量标定；在夹具上取对应于第二转轴的第二标记点，以初始位置开始，从第二转轴正向看逆时针转动三个位置，测知三个位置时的该第二标记点数据，计算得出第二转轴中心与旋转矢量，调整第二转轴，使第二转轴与机床X轴正方向一致，实现第二转轴中心与旋转矢量标定。进一步地，所述第二标记点与第三标记点相同或不同。

[0031] 与现有技术相比，藉由本发明提供的正交式双转台基座可转动数控夹具系统，可以在三轴加工机床或其它多坐标加工设备上实现各类特征多轴定位加工，尤其是实现复杂特征、低成本、高精度、多自由度控制的数控加工，工件形状及最终加工特征具有一般适应性和扩展性，转动轴之间的空间方位按照正交方式的夹具结构实现形式具有多样性、灵活性，适用于多种应用场合，具有广阔的应用前景。

附图说明

[0032] 图1是本发明一典型实施例中一种正交式双转台基座可转动夹具系统的原理示意图；

[0033] 图2是本发明一典型实施例中一种正交式双转台基座可转动数控夹具系统的应用流程图。

[0034] 图3是本发明一典型实施例中利用一种正交式双转台基座可转动数控夹具系统的实现的工件旋转自由度控制示意图。

具体实施方式

[0035] 如前所述，鉴于现有技术存在的诸多缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将结合附图及典型案例对该技术方案、其实施过程及原理等进行清楚、完整的描述。

[0036] 请参阅图1所示，本发明一实施例提供的一种正交式双转台基座可转动夹具系统有三个转动自由度，包括C轴(即第三转轴)、A轴(即第二转轴)、B轴(即第一转轴)，其可分别由步进电机或伺服电机等驱动机构驱动。这些驱动机构构成驱动模块。其中，B轴安装于机床工作台上，A轴结构安装在基座基础上，C轴又在A轴基础上安装。

[0037] 进一步地，所述的夹具系统还可包括基座、夹具等，夹具与C轴连接。在工作时，所述基座安装于机床工作台上，B轴为基座旋转轴。

[0038] 进一步地，该夹具系统还可包括控制模块和人机交互模块等，人机交互模块、驱动模块分别与控制模块连接。

[0039] 该夹具系统在使用时，可以将夹具系统安装于数控加工中心或其它数控机床(如下简称机床)的工作台上，工件装于夹具上，可以实现三轴加工中心的多轴加工功能扩展，以及，实现复杂特征高性能加工的位姿调控。

[0040] 该夹具系统的应用场合主要包括：多轴定位加工铣削平面、凸台、型腔、倾斜面、带倾角点位钻孔等，但不限于此。

[0041] 概括地讲，该夹具系统的使用方法包括：夹具安装后，检测标定三个旋转轴，C轴、A轴、B轴；同时，标记安装后工件上的特征点，依此计算出工件的空间位置和姿态，算法内核计算出补偿角度和矢量坐标系；在此基础上，进行工件加工的多自由度校准控制；最后，进行基于CAD或CAM数据技术的数控加工应用。

[0042] 当然，对于不同的应用场合，该夹具系统的使用方法各有区别。

[0043] 例如，在一个场合中，将夹具系统安装于机床后，将长方块形工件任意装夹于夹具上，C、A轴复合转动调平工件顶面，使工件顶面与加工主轴刀具方向平行；B轴旋转，可以使工件的棱边分别与机床OmXm、OmYm轴平行一致(预先设定机床坐标系OmXmYmZm)，然后，可以针对长方块形工件进行各类典型/复杂特征三坐标联动实现范围内的数控加工。例如，在一个场合中，将夹具系统安装于机床后，进一步将圆形或环形回转工件任意装夹于夹具上，C、A轴复合转动调平工件顶面，使工件顶面与加工主轴刀具方向平行；然后，可以针对圆形或环形回转工件进行各类典型/复杂特征三坐标联动实现范围内的数控加工。

[0044] 例如，在一个场合中，在三轴数控加工机床上，实现长方块形工件带倾角点位钻孔加工、倾斜凸台、倾斜型腔、倾斜平面等特征加工，大幅减小辅助时间，提高加工精度和加工质量。

[0045] 例如，在一个场合中，在五轴数控加工机床上，进行工件装夹多自由度校准控制。

[0046] 请继续参阅图2所示，该夹具系统的一个应用流程可以包括：在C轴、A轴标定的基础上，检测计算工件顶面法向矢量，确定加工坐标系矢量，结合CAD环境数据与机床坐标系中数据转换，针对不同工况需求，计算多自由度校准工件的补偿角度，校准工件后，在重新建立的加工坐标系进行数控加工。

[0047] 进一步地，该夹具系统的一个较为具体的工作过程包括：

[0048] (1)依据CAD或CAM环境中的刀具路径数据装夹工件。

[0049] (2)装夹后标记工件在机床中的位置和姿态，其中对于长方块形工件、圆形或环形回转工件，标记点的寻找原则不同。例如，对于长方块形工件，可以使用寻边器等对刀工具，找正工件OXY平面内的三个角点坐标(X1、Y1、Z1)、(X2、Y2、Z2)、(X3、Y3、Z3)，此三点从工件顶面法向看，按逆时针方向分布。

[0050] (3)依据工件装夹后的标定点在机床坐标系中的坐标数据，计算得到工件CAM环境中工件坐标系OX方向偏离机床坐标系OmXm方向的角度数值；逆时针三点计算出工件顶面法向在机床坐标系中的空间矢量(i j k)。

[0051] (4)根据加工要求的倾斜角度值对应的工件顶面法向矢量(igoal jgoal kgoal)和机床坐标系OmZm矢量值，结合夹具运动结构和固有参数，计算得出夹具转动角度补偿值C、A，补偿摆正工件顶面法向矢量与机床坐标系OmZm坐标轴之间的角度姿态。

[0052] (5)使用对刀器或激光干涉仪等位置采集装置标定长方块形工件的棱边方位点(X4、Y4、Z4)(X5、Y5、Z5)，计算得出校正棱边位置的旋转角度值B，转动B轴，补偿工件棱边在机床坐标系中与OmXm轴和OmYm轴的空间方位。

[0053] (6)将补偿角度值C、A、B形成代码指令，驱动伺服电机运动，实现B、C、A轴的精准旋转和摆正。

[0054] (7)标定、计算、旋转摆正等辅助工作完成后，进行基于CAD或CAM数据驱动的多自由度校准定位辅助数控加工。

[0055] 其中，B、C、A轴旋转自由度的控制示意图可以参阅图3，其中，通过人机交互接口(属于人机交互模块)，可输入控制指令，通过控制模块(包括主机/控制器等)驱动前述伺服电机(驱动器)，使三个旋转轴精准运动，进行多自由度校准定位。

[0056] 在一个更为具体的应用案例中，该夹具系统的工作过程包括：

[0057] (1)C轴中心与旋转矢量标定：在夹具上取标记点C1，以初始位置开始，从C轴正向看逆时针转动三个位置，测知三个位置时的该标记点C1数据，计算得出C轴中心与旋转矢量，精微调整C轴，使其与机床Z轴正方向一致。

[0058] (2)A轴中心与旋转矢量标定：在夹具上取标记点A1(可与C1同)，以初始位置开始，从A轴正向看逆时针转动三个位置，测知三个位置时的该标记点A1数据，计算得出A轴中心与旋转矢量，精微调整A轴矢量，使其与机床X轴正方向一致。

[0059] (3)工件顶面法向标定计算：工件装夹后，在工件顶面找三个特征点，从工件顶面法向看，三点逆时针排列，按右手螺旋法则，计算工件顶面法向矢量数据(i_axfsp j_axfsp k_axfsp)。

[0060] (4)加工坐标系矢量校准计算与机床坐标系中数据转换：可以实现CAD坐标系统数据与机床坐标系中工件装夹后坐标数据的转换，将期望进行的多轴定位加工姿态角度计算得出，驱动控制夹具旋转自由度组合实现姿态调整。

[0061] 如下所列的各个公式中，PfL1与PfL2分别为用于标定工件方位姿态的工件特征线上第一特征点、第二特征点在机床坐标系中的坐标数据矢量形式，PfLLen为工件特征线上两特征点间的距离，MZP为建立的加工坐标系零点在机床坐标系中的坐标数据矢量形式，MachZvec、MachYvec、MachXvec分别为依据标定点计算的工件顶面法向矢量数据、工件坐标系Y轴方向矢量在机床坐标系中的矢量数据、工件坐标系X轴方向矢量在机床坐标系中的矢量数据。Rmachsys、Tmachsys分别为在CAD环境中工件坐标系基础上度量的坐标数据与装夹后机床坐标系中数据转换计算的旋转矩阵、平移矩阵，RTfLs/INVRmachsys、Tmzp/INVTmachsys分别为在CAD环境中工件坐标系基础上度量的坐标数据与装夹后机床坐标系中数据转换计算的旋转矩阵逆矩阵、平移矩阵逆矩阵。CADpcv、MCSpcv分别为在CAD环境中坐标系中度量的坐标数据矢量形式与对应的装夹后机床坐标系中度量的坐标数据矢量形式。

[0062] PfL1＝[xfLp1 yfLp1 zfLp1]

[0063] PfL2＝[xfLp2 yfLp2 zfLp2]

[0064] PfLLen＝(xfLp2-xfLp1)2+(yfLp2-yfLp1)2+(zfLp2-zfLp1)2

[0065] MZP＝[Xmzp Ymzp Zmzp]

[0066] MachZvec＝[i_axfsp j_ayfsp k_azfsp]

[0067]

[0068] MachYvec＝cross(MachZvec,MachXvec)

[0069]

[0070]

[0071]

[0072]

[0073] RTfLs＝INVRMachSys

[0074] Tmzp＝INVTMachSys

[0075] CADpcv＝[xCADp yCADp zCADp 1]

[0076] MCSpcv＝CADpcvgRTfLsgTmzp

[0077] (5)多自由度校准控制角度计算工件顶面法向矢量计算结果赋值于(ax ay az)，将工件顶面法线矢量与机床Z轴正方向对齐的角度计算。按右手螺旋法则定义转动角度的正负，从旋转轴正向看，逆时针方向为负，顺时针方向为正。

[0078]

[0079] sinthetaz＝ax/sqrt(ay2+ax2)

[0080] costhetaz＝ay/sqrt(ay2+ax2)

[0081] sinthetax＝sqrt(ay2+ax2)/sqrt(ax2+ay2+az2)

[0082] costhetax＝az/sqrt(ax2+ay2+az2)

[0083]

[0084]

[0085] sinthetaz＝ax/sqrt(ay2+ax2)

[0086] costhetaz＝ay/sqrt(ay2+ax2)

[0087] sinthetax＝sqrt(ay2+ax2)/sqrt(ax2+ay2+az2)

[0088] costhetax＝az/sqrt(ax2+ay2+az2)

[0089] (ax>0&ay>0&az>0或ax<0&ay>0且az>0)

[0090]

[0091]

[0092]

[0093]

[0094]

[0095]

[0096] B＝-arctan((Y5-Y4)/(X5-X4))

[0097] 基于本发明实施例的该夹具系统，在三轴加工机床等多坐标加工设备上，可以实现各类特征多轴定位加工，实现复杂特征低成本、高精度、多自由度控制数控加工，工件形状及最终加工特征具有一般适应性和扩展性，转动轴之间的空间方位按照正交方式的夹具结构实现形式具有多样性、灵活性。

[0098] 本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。