傳統(tǒng)的機械加工技術(shù)普遍遵循“定位—加工”操作模式。在這一模式下，如何按照設(shè)計和工藝要求實現(xiàn)被加工零件的精確定位，便成為保證零件加工合格的一個首要問題。解決這一問題的常規(guī)途徑有兩條。一是為被加工零件設(shè)計精密夾具；二是靠操作者進(jìn)行精確找正。在采用夾具的情況下，由于夾具的設(shè)計、制造和裝調(diào)所需周期長且耗資大，因而既延長了制造工期，又增加了產(chǎn)品成本。在靠操作者進(jìn)行找正的情況下，不但難以達(dá)到高的精度，而且需耗費大量的輔助時間，大大降低了機床的利用率。

　　為解決上述問題，本文提出一種基于軟件尋位的數(shù)控加工技術(shù)，力圖擺脫傳統(tǒng)的過度依賴硬件和操作者經(jīng)驗的“定位—加工”模式的束縛，以新的概念來實現(xiàn)柔性制造，以期為先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展探索出一條新的途徑。

1 軟件尋位加工的基本概念

　　在傳統(tǒng)機械加工中，定位的含義有兩條：一是在工藝設(shè)計階段事先規(guī)定工件在加工過程中應(yīng)處的狀態(tài)（工件在機床上的位置與姿態(tài)）；二是在加工過程中通過必要的工藝手段（如上述的設(shè)計精密夾具和人工找正）來確保工件的實際狀態(tài)與預(yù)先規(guī)定的狀態(tài)相符合。顯然，這是一種以硬件為主的被動定位方法。

　　與此相對應(yīng)，軟件尋位加工的基本概念則是，在加工前不事先規(guī)定工件在加工中應(yīng)處的精確位置與姿態(tài)，因而在加工時也就不需要用精密夾具等來保證工件的實際狀態(tài)與既定狀態(tài)相符合，只需用簡單的緊固夾持元件和裝置（如螺栓、壓板、臺鉗等）將工件適當(dāng)?shù)�、非精確地固定在機床工作臺上即可進(jìn)行加工。軟件定位加工時刀具的運動軌跡是基于工件實際狀態(tài)信息實時產(chǎn)生的，而不是像傳統(tǒng)的“定位—加工”模式那樣事先確定的。也就是說，軟件尋位加工是基于“尋位—加工”這樣一種制造操作模式進(jìn)行的。

　　這里的“尋位”，即主動找尋工件的位置和確定其姿態(tài)。這一操作包括兩方面的內(nèi)容，一是采用傳感器快速獲取工件表面信息，二是根據(jù)獲取的工件表面信息，精確求解出工件的實際狀態(tài)。這里的“加工”也不是普通意義上的數(shù)控加工，而是一無預(yù)定程序的、以工件尋位信息為基礎(chǔ)實時生成刀具運動軌跡所實現(xiàn)的位姿自適應(yīng)加工。

　　需指出的是：在對工件進(jìn)行尋位加工時，雖然工件的固定可以是非精確的，但為了有利于尋位和加工的進(jìn)行，需按照尋位加工工藝規(guī)程（與定位加工工藝不同）來實施工件固定。

　　從軟件尋位加工的上述特征可以看到，在采用軟件尋位加工技術(shù)的制造系統(tǒng)中，由于不是靠精密夾具這類“硬件”裝置被動地、硬性地約束工件在機床上的狀態(tài)，而是允許工件合適地、非精確地固定于機床上，轉(zhuǎn)而從信息與控制的角度，通過信息采集和分析、自動尋位計算等辦法，主動、靈活地獲取工件的實際狀態(tài)信息，并以此為基礎(chǔ)對加工過程進(jìn)行控制，加工出合格的零件，這就克服了基于“定位—加工”模式的傳統(tǒng)制造技術(shù)所存在的生產(chǎn)周期長、靈活性與快速響應(yīng)性差等弊端。

2 軟件尋位加工中的工件尋位問題

　　為實現(xiàn)軟件尋位加工，必須解決的首要問題是：對于未經(jīng)過精確定位處理便固定于工作臺上的工件，如何快速準(zhǔn)確獲得其實際狀態(tài)。對于銑、鉆、鏜類加工，工件尋位的關(guān)鍵是找出加工坐標(biāo)系（與工件固聯(lián)的坐標(biāo)系）與設(shè)計坐標(biāo)系（工藝設(shè)計所確定的坐標(biāo)系）之間的真實關(guān)系。

　　加工坐標(biāo)系與設(shè)計坐標(biāo)系之間的關(guān)系可用齊次變換矩陣T表示。為求得T，一個直觀的考慮是在工件上取m（m≥6）個測量點Pi，同時在其CAD模型上找到m個對應(yīng)點Qi，然后構(gòu)造一目標(biāo)函數(shù)最后根據(jù)最小二乘原理確定變換矩陣T。

　　然而，上述直觀的求解過程是很難實現(xiàn)的，主要困難有以下兩方面。

　　其一，這一求解過程有一基本要求，就是必須找到測量點Pi。在工件CAD模型中的對應(yīng)點Qi 這一要求在小范圍尋位的情況下尚可滿足，因為在這種情況下，工件的加工坐標(biāo)系與設(shè)計坐標(biāo)系間的偏移較小，Qi就在Pi附近，根據(jù)Pi的取值，即可確定Qi屬于CAD模型的哪一個表面，這也就給出了Pi與CAD模型表面的對應(yīng)性關(guān)系，設(shè)與Pi對應(yīng)的CAD模型表面為Si，則可用Si上與Pi距離最近的點Q'i代替Qi來進(jìn)行上述求解過程，通過一定次數(shù)的迭代，即可逼近真正的Qi，從而求得T。但是，在大范圍尋位的情況下，由于加工坐標(biāo)系與設(shè)計坐標(biāo)系間的偏移較大，缺乏Pi與CAD模型表面的對應(yīng)性信息，這時只憑Pi的取值很難推斷Qi到底屬于CAD模型的哪一個表面，即無法確定與Pi相對應(yīng)的CAD表面Si，因而也就無法通過找Si上與Pi最近距離的點Q'i，并以迭代算法來逼近Qi求出T。

　　其二，要想知道大范圍尋位情況下實測點與CAD模型表面的對應(yīng)性，僅僅依靠上述m個測量點的信息是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，而必須采集到有關(guān)工件表面輪廓的大量信息。由于測量速度的要求，常規(guī)的接觸式測量裝置很難勝任這一任務(wù)，而其他高精度快速測量儀器又因價格昂貴而無法普及應(yīng)用，因此必須采取別的途徑。

　　為解決上述大范圍尋位時遇到的困難，可采取宏觀與微觀相結(jié)合的遞階尋位方案。這一方案的基本思想是，將變換矩陣。分解為宏觀粗變換陣Tr和微觀精變換陣TF兩部分，即

3 軟件尋位加工的控制方法

　　通過上述尋位過程獲取工件實際狀態(tài)信息后，如何利用這一信息對加工過程進(jìn)行實時控制，實現(xiàn)適應(yīng)工件現(xiàn)實的位姿自適應(yīng)加工，是軟件尋位加工中所要解決的另一關(guān)鍵問題。下面以銑削加工為例，針3種具體情況給出其實現(xiàn)過程。

　　3.1 基于三坐標(biāo)機床的加工控制

　　在采用三坐標(biāo)數(shù)控銑床進(jìn)行軟件尋位加工時，可采用基于尋位信息的實時軌跡生成方法對加工過程進(jìn)行控制。其基本思想是，用尋位過程求得的T-1矩陣將被加工零件的幾何信息變換到加工坐標(biāo)系下，然后據(jù)此實時生成刀具運動軌跡，控制機床運動來完成零件的加工。下面，以加工自由曲面為例來討論這一方法。

　　3.2 基于五坐標(biāo)機床的加工控制

　　五坐標(biāo)數(shù)控機床是最有利于實現(xiàn)軟件尋位加工的設(shè)備。這是因為，五坐標(biāo)機床可提供兩自由度旋轉(zhuǎn)功能，使得在許多情況下可以采用普通銑刀代替球頭銑刀進(jìn)行加工，因而可大幅度提高加工效率。此外，采用五坐標(biāo)機床后，刀具可沿任意方向進(jìn)給，非常有利于加工斜孔和斜面，因此有效提高了軟件尋位加工的適應(yīng)范圍。

　　當(dāng)被加工表面為曲面時，基于五坐標(biāo)機床的軟件尋位加工控制與三坐標(biāo)機床相類似，只不過此時可以利用刀具的姿態(tài)控制功能，使刀具軸線與被加工表面法線方向保持最佳關(guān)系，從而提高加工質(zhì)量和效率，并避免加工過程中的干涉。

　　使用五坐標(biāo)機床除有利于加工復(fù)雜曲面外，所帶來的更大好處是可以方便地實現(xiàn)復(fù)雜孔系零件的軟件尋位加工。下面以常見的雙轉(zhuǎn)臺五坐標(biāo)數(shù)控機床為例，介紹這類零件的軟件尋位加工控制過程。首先，用通用緊固夾持元件或裝置將工件固定于數(shù)控轉(zhuǎn)臺上（無須精確定位）；然后，啟動傳感裝置獲取工件表面信息，求解工件實際狀態(tài)，得到變換矩陣T；進(jìn)一步，根據(jù)變換矩陣T提供的工件實際狀態(tài)信息，對工件安裝時產(chǎn)生的姿態(tài)偏差進(jìn)行校正，即通過控制轉(zhuǎn)臺運動使工件被加工表面與機床主軸垂直，或使被加工孔的軸線與機床主軸平行；最后，按三坐標(biāo)加工方法控制機床運行，即可加工出該表面及其上的孔（或孔系）。

　　重復(fù)上述過程，對工件其他表面和其上的孔也按同樣方法加工，即可加工出整個零件。

　　3.3 基于六坐標(biāo)虛擬軸機床的加工控制

　　新型六坐標(biāo)虛擬軸機床的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。該機床采用由6根驅(qū)動桿加動靜平臺等組成的并聯(lián)閉鏈結(jié)構(gòu)，可在工件固定的情況下，對機床主軸進(jìn)行六自由度控制。利用該機床的這一特點，可以方便地實現(xiàn)軟件尋位加工控制，其實現(xiàn)過程如下。

圖1 六坐標(biāo)虛擬軸機床結(jié)構(gòu)示意圖

　　首先，通過傳感裝置獲取工件表面信息，并根據(jù)前面介紹的方法求解工件實際狀態(tài)，即求出變換矩陣T。然后，用T-1對機床主軸單元的位姿原點進(jìn)行變換，使其與工件的實際位姿相適應(yīng).由于主軸單元固定于動平臺上，其位姿由6根驅(qū)動桿的長度所決定，因此對主軸的位姿變換可通過對6根驅(qū)動桿動端點（與動平臺的連接點）的坐標(biāo)變換來實現(xiàn)。為此，令

4 加工實例

　　為了驗證本文所提出的軟件尋位加工技術(shù)的效果，我們自行研制了基于軟件尋位的銑削加工實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)由工件加工主體、擬人化信息感知系統(tǒng)、智能化分析決策和信息處理系統(tǒng)、全數(shù)字化控制與驅(qū)動系統(tǒng)等組成。其中，加工主體以三坐標(biāo)數(shù)控銑床為基礎(chǔ)構(gòu)成，加工特殊零件時可加裝數(shù)控轉(zhuǎn)臺，各直線和旋轉(zhuǎn)運動坐標(biāo)均由全閉環(huán)數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)驅(qū)動。信息感知系統(tǒng)包括視覺系統(tǒng)和觸覺系統(tǒng)2個子系統(tǒng)，其作用是以宏微觀相結(jié)合、無接觸與有接觸并舉的方式獲取被加工工件的有關(guān)信息。信息處理系統(tǒng)由1臺Pentium。計算機及軟件系統(tǒng)等組成，用于處理視覺和觸覺信息并求解工件實際狀態(tài)（工件在工作臺上的位置與姿態(tài)）。�？刂乞�(qū)動系統(tǒng)由工控PC計算機平臺、控制軟件、現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、接口及驅(qū)動裝置等組成，用于完成整個系統(tǒng)的控制任務(wù)。

　　在該系統(tǒng)上進(jìn)行了多種零件的實際加工實驗。圖2所示為加工出的典型曲面零件的照片。經(jīng)測量，零件各尺寸精度、形位精度均滿足設(shè)計要求.由于尋位加工系統(tǒng)不需采用精密夾具，因而節(jié)省了夾具設(shè)計、制造、裝調(diào)等所需的大量準(zhǔn)備時間，使單件小批零件的總加工周期比采用夾具的常規(guī)定位加工方法縮短了50%以上。

圖2 加工零件的實物照片

5 結(jié)論

　　在采用軟件尋位加工技術(shù)的制造系統(tǒng)中，既不需要使用精密夾具對工件進(jìn)行定位，也不需要由操作者在現(xiàn)場對工件進(jìn)行位置找正，即可加工出符合要求的零件。這種新的制造技術(shù)具有有效縮短制造周期、快速響應(yīng)市場需求的良好效果。對于曲面類難以精確定位的零件，其效果更加明顯。 

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本文標(biāo)題：一種基于軟件尋位的數(shù)控加工技術(shù)

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