专利名称：补偿计算机数字控制机加工系统的尺寸精度的系统和方法
技术领域：
本发明大体涉及一种用于计算4轴计算机数字控制(CNC)机器的全局和局部偏移的系统和方法。
背景技术：
计算机数字控制(CNC)机加工系统通常用于工业环境中以根据预定图纸精确地机加工零件。往往这些图纸在计算机辅助设计软件包中生成并且可以以工程图的形式呈现。CNC机加工系统可以根据指令的组合序列运行(例如G码)，其指示系统通过移动可控的切削刀具来机加工零件。在运行期间，系统可以监控零件和刀具的实时位置，且可以经由精确伺服电机控制来控制它相对于零件的位置。零件可以保持或夹在夹具中，夹具又被定位在机加工台上。
发明内容
一种用于补偿CNC机加工系统的尺寸精度的电子系统，包括CNC机加工系统，配置为机加工多个结构部到零件中；尺寸测量设备，配置为测量零件的多个尺寸，并提供对应于测量尺寸的输出；以及补偿处理器，与CNC机加工系统和尺寸测量设备通信。CNC机加工系统具有多个坐标系和局部偏移，且至少一个结构部被分配局部偏移。补偿处理器被配置为接收来自尺寸测量设备的输出，计算多个CNC偏移，以及将偏移提供到CNC机加工系统，该多个CNC偏移包括至少一个局部偏移。在一个实施例中，尺寸测量设备是坐标测量机，且CNC机加工系统是4轴CNC铣床。补偿处理器可配置为通过计算在测得的零件尺寸和相应标称尺寸之间的多个偏差；将偏差从坐标测量机(“CMM”)坐标系转换到CNC机加工系统的机加工坐标系；以及确定最小化后续偏差的多个CNC偏移来计算多个CNC偏移。此外，补偿处理器可以根据加权算法给偏差加权，譬如通过将偏差除以提供的公差。补偿处理器可以用以下方式确定最小化后续偏差的多个CNC偏移计算全局偏移；分析地应用全局偏移到联立方程的派生系统，所述联立方程将偏差与机加工坐标系关联；和计算残余偏差；以及根据残余偏差计算局部偏移。在一个实施例中，全局偏移可通过在联立方程组中优化多个全局CNC偏移变量而计算。此外，处理器可以通过一系列全局和局部偏移计算迭代。一种用于补偿CNC机加工系统的尺寸精度的电子方法，包括通过接口接收设置信息；通过接口从坐标测量机接收测量数据；根据设置信息和测量数据计算多个CNC偏移；以及输出多个CNC偏移。设置信息可以包括结构部描述信息和零件信息，且测量数据可以涉及一个或多个被机加工零部件的测量尺寸。结构部描述信息可以相似地包括多个结构部记录，其每一个对应于由CNC机加工系统机加工的相应结构部。在一个实施例中，多个CNC偏移可以包括全局偏移和局部偏移。全局偏移可以包括例如，台偏移、夹具偏移或角度偏移。此外，局部偏移可以配置为或分配到具有严格尺寸公差的结构部。结构部描述信息可以包括多个结构部记录，其每一个结构部记录对应于由CNC机加工系统机加工的相应结构部。计算多个CNC偏移可以包括根据测量数据和结构部描述信息计算一个或多个结构部偏差；将结构部偏差从CMM坐标系转换为CNC机加工系统的坐标系中的多个全局CNC偏移变量；以及优化全局CNC偏移变量以最小化结构部偏差。此外，加权算法可以被应用到一个或多个结构部偏差以在优化全局CNC偏移变量时修改尺寸的影响。加权算法可以，例如将计算的结构部偏差除以接收自结构部描述设置信息的公差。将结构部偏差转换为多个全局CNC偏移变量可以包括得到一组冗余联立方程组，以及删除对最终答案没有影响的方程。此外，计算多个CNC配置还可以包括分析地应用优化全局偏移变量到联立方程的派生系统并计算残余偏差；以及根据残余偏差计算局部偏移变量。此外，该方法还可以包括通过一系列全局和局部偏移计算迭代。当结合附图时，从下面的用于执行如所附权利要求限定的本发明的一些最佳方式和其它实施例的具体描述可容易地明白本发明的上述特征和优点，以及其它特征和优点。
图I是用于补充机加工的零件的尺寸精度的系统的示意图；图2是具有多个结构部的零件的示意性俯视图；图3A是具有A台的4轴CNC铣床的示意性透视图；图3B是具有B台的4轴CNC铣床的示意性透视图；图3C是具有C台的4轴CNC铣床的示意性透视图；图4是坐标测量机的示意性透视图；图5是用于从CMM测量数据计算CNC校准偏移的计算机化方法的实施例的流程图；图6是提供到补偿处理器的接口的设置信息和CMM数据的图；图7是用于计算CNC校准偏移的计算机化方法的实施例的流程图；图8是CNC机加工系统中的多个参考坐标系的示意图；图9是坐标测量机中的参考坐标系的示意图；图10是计算一个或多个CNC偏移和计算一个或多个局部偏移的计算机化方法的实施例的流程图，其中计算一个或多个CNC偏移包括求解最优全局偏移；图11是由补偿处理器提供的输出数据的流程图。
具体实施例方式参考附图，其中在各视图中相似的参考标号被用于标识相似或相同的部件，图I中只示出了用于补偿机加工零件12的尺寸精度的示例性系统10。如所示，系统10可以包括计算机数字控制(CNC)机加工系统14，其可以通过一个或多个机加工过程建立在零件上的一个或多个结构部(例如孔16)。在一个实施例中，CNC机加工系统14可以包括CNC铣床，譬如，4轴铣床，且可以执行诸如切割、铣面、镗孔、珩磨、和/或钻孔等工艺。一旦一个或多个结构部被机加工到零件12中，坐标测量机(CMM) 18可以测量零件、12的一个或多个尺寸。每一个被测尺寸可以相对于建立的基准或控制表面采取，其可以在零件12的相应工程图中标出。工程图可以指明每一个测量值的标称尺寸，且还可以提供可接受的公差。
系统10还可以包括补偿处理器20，其可以从CMM18接收零件测量数据22，并计算一个或多个CNC全局和/或局部偏移24。补偿处理器20可以包括，例如且不是限制性的，COMP (机加工工艺的性能优化)软件包，该软件包可以辅助计算一个或多个CNC偏移24。一旦被计算，CNC偏移24可以加载到CNC机加工系统14中以提高机加工过程的尺寸精度。如在图2中大体所示，零件12可以包括多个结构部26、28、30。每一个结构部可以由CNC机加工系统14根据工程图机加工。示例性结构部可以包括，但并不局限于，孔、腔、槽和/或机加工面。每一个机加工结构部可以相对于一个或多个基准或控制表面而被定位。例如，在结构部26和边缘32之间的距离可以限定第一尺寸34。相似地，在结构部28和边缘32之间的距离可以限定第二尺寸36。当一个或多个机加工结构部的尺寸(例如尺寸34，36)偏离在图中提供的标称尺寸时，由补偿处理器20提供的偏移可以修改机加工过程并试图降低偏差。在一个实施例中，两种类型的偏移可以被用于降低偏差全局偏移，和/或局部偏移。全局偏移可以调整全局或机器坐标系38的原点和/或取向。这种类型的偏移可以影响零件12中的所有结构部26，28，30的尺寸。在这方面，全局偏移可以类似于零件12的刚性本体移动或旋转。相反，局部偏移可通过修改仅该特征的标称尺寸/位置而选择性地调整一个特征或一组特征。如图2所示，一些结构部26、28、30可具有相对于它们的局部中心或坐标系40,42定义的标称位置，该局部中心或坐标系又可以相对于机器坐标系38定位。由此，局部偏移可以调整结构部的局部中心40、42在机器坐标系38中的标称位置，而不影响其他结构部。尽管全局偏移是刚性本体运动，它可以调整工件坐标系到最优化位置从而结构部偏离被最小化。可能需要校正的一种类型的偏离可来自在机加工过程中的弹性变形。例如，如果零件12并没有足够的刚性以在机加工过程中抵抗夹持力和/或刀具压力，零件12可能在某些机加工过程中弹性变形。一旦力被移除，零件12可以返回到未变形状态，且在零件变形时被机加工的任何结构部都被移动。通过补偿处理器20计算出的全局偏移可以提供中值校正从而总零件偏差被最小化。表示总零件偏差的示例性度量可以包括每一个测量的尺寸和其相应提供的标称尺寸之间的差值的标准偏差。然而，可存在全局偏移调整被应用后残留的残余偏差。残余偏差可能对于具有严格公差的结构部而言是不可接受的。局部偏移可以允许特定结构部的偏差被调整(即在机加工期间)从而一旦任何弹性负荷被移除后其被精确地定位。如图3A-3C所示，在一些工业设定中，CNC机器可以被配置为提供四轴或更多轴的控制。例如，图3A大体示出了 4轴“A”CNC机器，图3B大体示出了 4轴“B”CNC机器，图3C大体示出了 4轴“C”CNC机器。在每一个示出的实施例中，切割主轴44可以能够以三个维度平移，且工作(？)台46可能能够以一个维度旋转。如可以理解的，额外的台轴线的控制可使得全局和/或局部偏移的计算复杂化。图4示出了 CMM18的一个实施例。如本领域中已知的，CMM18可以包括探头50，其可以被测量处理器54数字化地定位在三维空间52中。探头50可以被移动到与零件12物理地接触，此时测量处理器54可以记录三维位置。通过比较多个记录的位置，测量处理器54可以报告一个或多个零件12的距离或尺寸。图5示出了用于从CMM测量数据22计算CNC校准偏移24的计算机化方法60的实施例。计算机化方法60可以结合补偿处理器20或由补偿处理器20执行，如图I所示。在一个实例中，计算机化方法60可以包括提供设置信息(步骤62)、加载CMM测量数据(步骤64)、计算偏移(步骤66)、以及输出偏移和/或性能数据(步骤68)。在步骤62中，如图6所示，设置信息70可以被经由接口 72提供到补偿处理器20。设置信息70的示例性类型可以包括结构部描述性信息74和零件信息76。接口 72可以包括计算机终端，该计算机终端配置为接收来自操作者的设置信息70的输入。在另一实施例中，接口 72可以是电子接口，其中设置信息70可以被直接上载到处理器20。 在一个实施例中，结构部描述信息74可以包括多个结构部记录78，每一个结构部记录对应于由CNC机加工系统14机加工的相应结构部。每一个结构部记录78可以包括，例如，结构部识别信息80、尺寸信息82和/或结构部取向信息84。示例性结构部识别信息80可以包括对于每一个结构部的描述名称86和/或CMM标志码88。示例性尺寸信息82可以包括标称尺寸值90 (其可以为对该结构部指定的)和/或尺寸公差92。示例性取向信息84可以包括当相应结构部被机加工时CNC台46的取向94和/或当尺寸测量被进行时CMM18中的零件的取向96。零件信息76可以包括可以将零件12定位在机器坐标空间中的信息。示例性零件信息可以包括台位置信息98和/或夹具位置信息100。再次参考图5，一旦在步骤62中设置信息被提供到补偿处理器20，来自CMM18的测量数据22可以被加载到处理器20中(步骤64)。在一个实施例中，测量数据22可以包括由CMM18获得的原始测量值，其对应于在结构部描述设置信息74中为该结构部提供的标称尺寸90。测量数据22可以经由接口 72通过手动输入到计算机终端中而被加载。替代地，测量数据22可以被电子地上载到补偿处理器20。在一个实施例中，测量数据22可以表示从多个零件12的统计试样获得的测量值。尽管来自仅一个零件22的数据可以允许补偿处理器20正确地计算CNC偏移24，来自多个零件的试样的数据22可允许补偿处理器22更全面地计入归因于机加工过程的统计偏差。
一旦设置信息和CMM数据被加载到补偿处理器20 (即步骤62，64)处理器可以计算一个或多个CNC偏移(步骤66)，该偏移可以被CNC机加工系统14使用以降低在实际结构部位置(由CMM18测量)和在结构部描述信息74中提供的标称尺寸值90之间的任何偏差。如图7所示，在示例性实施例中，计算一个或多个CNC偏移的步骤(步骤66)可以包括将CMM测量数据22从CMM坐标系转换到CNC机器的坐标系(步骤102);列出涉及结构部偏差和可用偏移的一组方程(步骤104);根据重要程度对零件12的一个或多个结构部加权(步骤106);以及最优化偏移变量，以最小化来自标称特定尺寸的总结构部偏差(步骤108)。如图8-9所示，CNC机加工系统14和CMM18可以每一个都具有自身独立的坐标系(即分别为坐标系110，126)。如图8所示，CNC机加工系统14的绝对机器坐标系“M” 110可以是静态坐标系，其原点为机器归位点且其正向设置为机器行进方向。在一个实施例中，CMM18可以记录每一个测量值作为⑶&T (几何尺寸和公差)值，这些值与任意CMM坐标系126对齐。再次参考图8，台坐标系“T” 112的原点可以在加工台46的旋转中心上对准(如图3A-3C所示)。T系统112的原点可以从M系统110的原点平移一距离，尽管可以以与M系统110类似的方式取向。此外，台46可能能够绕台中心(例如T系统112的原点)旋转可变角度“B” 114。在一个实施例中，夹具可以定位在台46上，并可以用于定位和约束零件12。夹具可以具有相应夹具坐标系“F” 116,该坐标系被定位在夹具的中心。F系统116可以从台中心平移一距离，尽管也可以以与M系统110和T系统112类似的方式取向。零件12可以被刚性地夹到夹具。零件12可以具有相应零件坐标系“P”118，该坐标系被定位在零件12的中心，并且与M系统110对齐。在一个实施例中，P系统118的原点可以从F系统116的原点平移一距离。随着台46绕其中心旋转一角度B 114，夹具和零件 12将绕台中心相似地旋转。如所示，随着旋转，F系统116的原点(即夹具中心)将占用M系统110中的新位置120，且相似地，P系统的原点(即零件中心)将占用新位置122。然而，通过定义，P、F和T系统118、116、112的取向可以保持与M系统110的取向对齐。F系统116还可以被称为全局坐标系。使用这些示例性关系，方程I可以被用于定义机器系统“M”110内的零件中心(即P系统118的原点)，其中台在X-Z平面上取向(即，“B”台)。
Wx = (Txb)+ (Fx0 + Px0) cos B -(Fz0 +Pz0)sinB
α7 - wy=TyB+Fyo+py0, Ρ.
glohal-B Wz = (TzB) + (Fx0 + Px0) sin 5 + (Fz0 + Pz0) cos B 王
Wb = B如在方程I中所使用的，点(TxB，TyB，TzB)表示B台的标称中心(即T系统112的原点)，从机器零点测量得到(即M系统110的原点)。类似地，点(FxcpFycpFzci)表示当台角度B = O时台中心和夹具中心(即F系统116的原点)之间的距离；以及(Px。，Pytl，Pztl)表示当台角度B = O时夹具中心和零件中心(即P系统118的原点)之间的距离。如图8-9所示，结构部124可以通过刀具被机加工到零件12中。如图8所示，当零件12运动经过角度“B” 114时，结构部124尽管其本身固定在零件12上，仍可在P、F和T系统118、116、112中运动。如图9所示，CMM坐标系126可以被定义在零件12上，并且可以相对于零件保持恒定的取向。由此，当零件12旋转经过角度B 114时，CMM坐标系126可以相似地旋转。这样，结构部124在CMM坐标系126中的位置可以保持恒定。在一个实施例中，CMM坐标系126可以定位在零件中心上，并且在B = O时可以与机器坐标系110对齐。给定该示例性坐标限定，方程2可以表示机器坐标系110中结构部124的位置，其中(Χ_，Υ_，Ζ_)可以表示在CMM坐标系126中结构部124的位置。
权利要求
1.ー种用于补偿CNC机加工系统的尺寸精度的电子系统,包括 CNC机加工系统，配置为机加工多个结构部到零件中，所述CNC机加工系统具有全局坐标系和转换自全局坐标系的局部偏移，且至少一个结构部被相对于局部偏移限定； 尺寸測量设备，配置为测量零件的多个尺寸，并提供对应测得的尺寸的输出；以及补偿处理器，与所述CNC机加工系统和所述尺寸測量设备通信，该补偿处理器被配置为接收来自所述尺寸测量设备的输出，计算多个CNC偏移，以及将偏移提供到所述CNC机加エ系统，该多个CNC偏移包括至少一个局部偏移。
2.如权利要求I所述的电子系统，其中所述尺寸測量设备是坐标测量机。
3.如权利要求2所述的电子系统，其中计算多个CNC偏移包括计算在测得的零件尺寸和相应标称尺寸之间的多个偏差；将所述多个偏差转换到所述CNC机加工系统的全局坐标系；以及确定最小化后续偏差的多个CNC偏移。
4.如权利要求3所述的电子系统，其中计算多个CNC偏移还包括根据加权算法对偏差进行加权。
5.如权利要求4所述的电子系统，其中所述加权算法包括将所述偏差除以提供的公差。
6.如权利要求3所述的电子系统，其中确定最小化后续偏差的多个CNC偏移包括 计算全局偏移； 分析地应用全局偏移到联立方程的派生系统，所述联立方程将所述偏差与全局坐标系相关联，和计算残余偏差；以及 根据所述残余偏差计算局部偏移。
7.如权利要求6所述的电子系统，其中所述全局偏移通过在所述联立方程组中优化多个全局CNC偏移变量而计算。
8.如权利要求6所述的电子系统，其中确定最小化后续偏差的多个CNC偏移还包括通过ー系列全局和局部偏移计算来迭代。
9.ー种用于补偿CNC机加工系统的尺寸精度的电子系统,包括 四轴CNC铣床，配置为机加工结构部到零件中，该CNC铣床具有全局坐标系和相对于全局坐标系定乂的局部坐标系； 坐标测量机，配置为测量零件的多个尺寸，并提供对应于测得的尺寸的输出；以及补偿处理器，与所述四轴CNC铣床和所述坐标測量机通信，该补偿处理器被配置为接收包括多个标称尺寸的设置信息，所述多个标称尺寸的每ー个都对应于零件的测得的尺寸； 接收来自所述坐标測量机的输出； 计算多个CNC偏移，该多个CNC偏移包括全局偏移和局部偏移；以及 提供所述偏移到四轴CNC铣床；以及 其中计算多个CNC偏移包括 计算在测得的尺寸和相应的标称尺寸之间的多个偏差； 将该多个偏差与CNC机加工系统的坐标系中的多个全局CNC偏移变量相关联； 优化所述全局CNC偏移变量以最小化偏差； 分析地计算残余偏差；以及计算局部偏差以最小化残 余偏差。
全文摘要
本发明涉及一种补偿计算机数字控制机加工系统的尺寸精度的系统和方法，特别是一种用于补偿4轴CNC机加工系统的尺寸精度的电子系统，包括CNC机加工系统，配置为机加工多个结构部到零件中；尺寸测量设备，配置为测量零件的多个尺寸，并提供对应于测量尺寸的输出；以及补偿处理器，与CNC机加工系统和尺寸测量设备通信。CNC机加工系统包括多个坐标系，且至少一个结构部被相对于转换自机器坐标系的局部坐标系定义。附加地，补偿处理器被配置为接收来自尺寸测量设备的输出、计算多个CNC偏移、以及将偏移提供到CNC机加工系统，该多个CNC偏移包括至少一个局部偏移。
文档编号B23Q17/20GK102649246SQ20121004312
公开日2012年8月29日 申请日期2012年2月23日 优先权日2011年2月23日
发明者J.古, P.J.迪兹, S.K.柯金 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司