一种类回转零件加工自适应定位方法与流程

本发明涉及微孔激光加工技术领域，特别是涉及一种类回转零件加工自适应定位方法。

背景技术：

回转零件，是由一个断面绕回转轴旋转所形成的曲面立体。例如：圆柱、圆锥、圆球和圆环。类回转零件，是指结构特征与回转零件大体类似的零件，一般为圆柱或者圆环，但是也同时具有其他结构特征。以航空发动机的火焰筒为例，其外形特征并不是完整的圆柱或者圆环，也会具有其他凸出部分，因此，类回转体比回转件的加工难度更高。在微孔激光加工技术领域中，对类回转零件的孔位加工的质量和位置精度，会严重影响工件的整体性能和质量，从而影响其使用寿命、稳定性和安全性能。

目前在类回转零件制孔加工过程中，孔位置定位主要采用如下方法：根据工装夹具上的参考点位置，在类回转零件上定位首孔位置，再根据首孔位置，按等角度分布原则在工件上计算出所有孔位置。但是，由于类回转零件在铸造和加工时都会产生形变，按等角度划分定位的孔位置精度无法满足精密加工的要求，会出现孔分布不均匀、首孔和末孔之间间距过大或过小、孔加工角度误差大等问题，从而影响工件加工质量，由于激光加工往往针对的是各类高精尖产品，如航空航天用器材备件，工件的不良品率高会对企业造成较大的成本负担。

技术实现要素：

本发明提供一种类回转零件加工自适应定位方法，能够解决现有技术对形变后类回转零件等角度分布定位位置和实际位置之间存在偏差的技术问题。

为了实现根据本发明的这些目的和其他优点，提供了一种类回转零件加工自适应定位方法，包括以下步骤：

s100，将类回转零件装夹在机床的转轴上，确保类回转零件的转动中心点与机床的转轴中心点同心，根据装夹位置与刀头的对应关系定位首孔位置，以类回转零件的转动中心点为原点建立加工坐标系；

s200，将类回转零件基于其转动中心点等角度划分，并测量测量点在加工坐标系中对应的坐标值；

s300，根据所有测量点在加工坐标系中对应的坐标值拟合类回转零件的轮廓，计算类回转零件的轮廓长度k，以及按照预设点间距获取类回转零件轮廓上的所有轮廓点坐标，在所有轮廓点坐标中选首孔位置坐标为首点坐标，其中，预设点间距不大于0.01k；

s400，根据类回转零件的轮廓长度k和待加工孔的数量n确定相邻待加工孔之间的弧长，根据整理后的回转零件轮廓上的所有轮廓点坐标，从首点坐标开始，结合相邻待加工孔之间的弧长，遍历所有轮廓点坐标构成的点集确定所有待加工孔的坐标。

其中，步骤s200包括：

将类回转零件拟作回转类零件，得出其侧面上对应等角度划分的每个测量点的假设坐标值；

在每个测量点位置根据测距传感器的读数，控制机床在水平方向上移动，当测距传感器读数为0时测得当前测量点在加工坐标系中的坐标值，直至完成全部测量点的坐标值测量，每个测量点在加工坐标系中对应的坐标值为pj={xj,yj,zj,uj,,vj,cj}（j=1,2……,n）；其中，n为测量点数量。

其中，所述将类回转零件拟作回转类零件，得出其侧面上对应等角度划分的每个测量点的假设坐标值的步骤包括：

当测距传感器读出的与其正对的首孔位置的数值为零时，记录当前机床位置的测量点坐标值，即首孔测量点坐标值p1={x1,y1,z1,u1,,v1,c1}，首孔测量点坐标值为一准确测量值；当类回转零件绕其中心轴转动时，其他测量点假设坐标值分别为pi={x1,y1,z1,u1,,v1,c1+(i-1)*θ}（i=2,3……,n）；当刀头绕u轴转动时，其他测量点假设坐标值分别为pi={xi,yi,zi,ui,,vi,ci}（i=2,3……,n）。

其中，步骤s300包括：

s301，计算类回转零件的转动中心点坐标与每个测量点坐标之间的距离得出类回转零件的最大半径值和最小半径值；类回转零件的转动中心点坐标与每个测量点坐标之间的距离计算方式为：

s302，以最大半径值对应的测量点与类回转零件的转动中心点连线所在的方向为长轴方向、以最小半径值对应的测量点与类回转零件的转动中心点连线所在的方向为短轴方向，结合所有测量点坐标以及类回转零件的转动中心点拟合类回转零件的轮廓；

s303，根据拟合的类回转零件的轮廓，计算类回转零件的轮廓长度k；

s304，按照预设点间距计算类回转零件轮廓上的所有轮廓点坐标pa={xa,ya,za,ua,,va,ca}（a=1,2……m……m），预设点间距不大于0.01k，m为首孔位置对应的取点序值，m为类回转零件轮廓按照预设点间距取值的所有轮廓点的数量；

s305，重新整理类回转零件轮廓上的所有轮廓点坐标，使首孔位置坐标作为类回转零件轮廓按照预设点间距取值的所有轮廓点的首点坐标。

所述重新整理类回转零件轮廓上的所有轮廓点坐标，使首孔位置坐标作为类回转零件轮廓按照预设点间距取值的所有轮廓点的首点坐标的步骤包括：

判断上述类回转零件轮廓按照预设点间距取值的所有轮廓点的原首点坐标是否与首孔位置坐标重合；

当首孔位置坐标与原首点位置坐标重合时，m=1，原首点坐标即整理后所有轮廓点坐标的首点坐标，类回转零件轮廓上的所有轮廓点坐标pa={xa,ya,za,ua,,va,ca}（a=m……m，m=1）；

当首孔位置坐标与原首点位置坐标不重合时，将首孔位置调整为首点位置后重新整理类回转零件轮廓上的所有轮廓点坐标pa={xa,ya,za,ua,,va,ca}（a=m,m+1,……m,1,2……m-1）。

其中，相邻两待加工孔之间的弧长l1=k/n。

其中，所述根据整理后的回转零件轮廓上的所有轮廓点坐标，从首点坐标开始，结合相邻待加工孔之间的弧长，遍历所有轮廓点坐标构成的点集确定所有待加工孔的坐标的步骤包括：

s401，确定首孔坐标，首点坐标即首孔坐标；

s402，当首点坐标与遍历点之间的弧长l满足|l-l1|≤d时，d为一预设数值，则当前遍历点为下一个待加工孔的坐标；

s403，以每一个待加工孔的坐标为参照，依前一步骤逐个寻找待加工孔坐标至找出全部待加工孔坐标。

其中，所述预设数值d不超过加工精度误差，加工精度误差即加工公差。

其中，步骤s400还包括：

在整理后的回转零件轮廓上的所有轮廓点集中查找每一个待加工孔的坐标两侧各至少一个点坐标，并拟合每一个待加工孔连接的弧线，根据拟合的弧线的切线获取待加工孔对应位置的法线方向与水平x轴的夹角a，再根据按实际加工需求预先设定的加工方向与法线方向的夹角△α，获取待加工孔的加工方向与水平x轴的夹角a-△α，以确定加工孔的加工方向。

其中，当加工过程中，类回转零件绕其中心轴转动时，步骤s400之后还包括：

类回转零件的转动中心点和一待加工孔坐标的连线为参考直线，类回转零件的转动中心点和下一待加工孔坐标的连线为对比直线，计算参考直线和对比直线之间的夹角得出相邻两待加工孔之间的夹角；遍历计算出所有待加工孔与下一待加工孔之间的夹角。

本发明与现有技术相比，本发明的优点在于，通过测量类回转零件的中心位置以及类回转零件表面若干点的坐标位置，拟合类回转零件表面形状，通过等弧长分割方法，计算所有待加工孔的位置，并根据孔附近区域拟合的弧线，计算孔的加工方向，以此来确保加工的孔按要求均匀分布在类回转零件的薄壁上，提高类回转零件整体质量与性能。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例自适应定位方法实现流程图。

图2为本发明实施例点与点之间弧长计算示意图。

图3为本发明实施例动刀式加工示意图。

图4为本发明实施例动件式加工示意图。

图5为本发明实施例动件式移动角度示意图。

图6为本发明实施例遍历轮廓上所有轮廓点的示意图图一。

图7为本发明实施例遍历轮廓上所有轮廓点的示意图图二。

图8为本发明实施例获取加工孔的加工角度的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

本发明的实施例可应用于激光加工机床或传统机械加工机床。

本发明提供一个实施例1，如图1所示，本发明提供了一种类回转零件加工自适应定位方法，包括以下步骤：

s100：将类回转零件装夹在机床的转轴上，确保类回转零件的转动中心点与机床的转轴中心点同心，根据装夹位置与刀头的对应关系定位首孔位置，以类回转零件的转动中心点为原点建立加工坐标系；

具体地，当类回转零件的转动中心点与转轴中心点重合的时候，将类回转零件装夹在机床的转轴上，再将类回转零件移动至测量位置，此时，装夹位置与刀头正对的位置即为首孔位置。

本步骤中，机床为六轴机床，具体地，机床包括可沿三维坐标系中的x/y/z三个直线轴移动的平移轴，和三个旋转轴，三个旋转轴分别为u/v/c三轴，其中u轴为刀头绕类回转零件在水平面内转动的转动方向（具体请参照图7）、c轴为类回转零件与机床的转轴同轴转动的转动方向（具体请参照图4），u轴和c轴为相互平行的方向；v轴为机床的刀头（或刀头上组装的测距传感器）与类回转零件正对的侧面切向位置正对的方向，设初始状态下，c轴和u轴均为0°，v轴为90°，即，机床的刀头垂直于类回转零件的侧面的切向，实际加工过程中，非特殊要求，v轴的加工角度保持不变（具体请参照图3），当加工过程中刀头的加工角度调整时，v轴呈非90°设置。在初始状态下，测量并记录类回转零件的转动中心点坐标pc={xc,yc,zc,uc,,vc,cc}，以此中心点为原点建立加工坐标系。

s200：将类回转零件基于其转动中心点等角度划分，测量等角度划分后类回转零件的侧面上对应位置处的测量点在加工坐标系中对应的坐标值；

将类回转零件进行等角度划分的含义为：以其转动中心点为圆心，每隔固定角度θ确定一个测量点的位置，每相邻两个测量点之间的夹角相等；假设该固定角度为18°，那么测量点的个数n=360/18。固定角度为18°仅为一种可实现方式，当具体应用时，测量点数可以根据加工精度和类回转零件的尺寸进行合理取值；类回转零件的形状、尺寸不变的情况下，固定角度越小测量点越多，则最终拟合的工件轮廓越精确。一般情况下，测量点的数量不得低于5。

步骤s200具体包括：

s201，将类回转零件拟作回转类零件，得出其侧面上对应等角度划分的每个测量点的假设坐标值；

具体地，当测距传感器读出的与其正对的首孔位置的数值为零时，记录当前机床位置的测量点坐标值，即首孔测量点坐标值p1={x1,y1,z1,u1,,v1,c1}，根据首孔测量点坐标值依次得出第2,3……,n个测量点的假设坐标值。

上述根据首孔测量点坐标值依次得出第2,3……,n个测量点的假设坐标值还包括两种情况：（1）当类回转零件绕c轴（类回转零件的转动轴）转动时，其他测量点坐标分别为pi={x1,y1,z1,u1,,v1,c1+(i-1)*θ}（i=2,3……,n）；（2）当刀头绕u轴转动时，其他测量点坐标分别为pi={xi,yi,zi,ui,,vi,ci}（i=2,3……,n）。

s202，在每个测量点位置根据测距传感器的读数，控制机床的x/y轴（即在水平方向上）移动，当测距传感器读数为0时测得当前测量点在加工坐标系中的坐标值，直至完成全部测量点的坐标值测量，每个测量点在加工坐标系中对应的坐标值为pj={xj,yj,zj,uj,,vj,cj}（j=1,2……,n）；其中，n为测量点数量。

s300：根据所有测量点在加工坐标系中对应的坐标值拟合类回转零件的轮廓，计算类回转零件的轮廓长度k，以及按照预设点间距获取类回转零件轮廓上的所有轮廓点坐标，在所有轮廓点坐标中选首孔位置坐标为首点坐标，其中，预设点间距不大于0.01k。

本步骤具体包括：

s301，计算类回转零件的转动中心点坐标与每个测量点坐标之间的距离得出类回转零件的最大半径值和最小半径值；类回转零件的转动中心点坐标与每个测量点坐标之间的距离计算方式为：

s302，以最大半径值对应的测量点与类回转零件的转动中心点连线所在的方向为长轴方向、以最小半径值对应的测量点与类回转零件的转动中心点连线所在的方向为短轴方向，结合所有测量点坐标以及类回转零件的转动中心点拟合类回转零件的轮廓；

s303，根据拟合的类回转零件的轮廓，计算类回转零件的轮廓长度k；

s304，按照预设点间距计算类回转零件轮廓上的所有轮廓点坐标pa={xa,ya,za,ua,,va,ca}（a=1,2……m……m），预设点间距不大于0.01k，m为首孔位置对应的取点序值，m为类回转零件轮廓按照预设点间距取值的所有轮廓点的数量；

预设点间距越小，采集的点越多、越密集，后续计算的弧长精准度越高，如图6所示；

s305，重新整理类回转零件轮廓上的所有轮廓点坐标，使首孔位置坐标作为类回转零件轮廓按照预设点间距取值的所有轮廓点的首点坐标。

步骤s305具体包括：

s3051，判断上述类回转零件轮廓按照预设点间距取值的所有轮廓点的原首点坐标是否与首孔位置坐标重合；

s3052，当首孔位置坐标与原首点位置坐标重合时，m=1，原首点坐标即整理后所有轮廓点坐标的首点坐标，类回转零件轮廓上的所有轮廓点坐标pa={xa,ya,za,ua,,va,ca}（a=m……m，m=1）；

s3053，当首孔位置坐标与原首点位置坐标不重合时，将首孔位置调整为首点位置后重新整理类回转零件轮廓上的所有轮廓点坐标pa={xa,ya,za,ua,,va,ca}（a=m,m+1,……m,1,2……m-1）。

s400：根据类回转零件的轮廓长度k和待加工孔的数量n确定相邻待加工孔之间的弧长，根据整理后的回转零件轮廓上的所有轮廓点坐标，从首点坐标开始，结合相邻待加工孔之间的弧长，遍历轮廓点坐标构成的点集确定所有待加工孔的坐标。

本步骤中，相邻待加工孔之间的弧长l1=k/n。

步骤根据整理后的回转零件轮廓上的所有轮廓点坐标，从首点坐标开始，结合相邻待加工孔之间的弧长，遍历轮廓点坐标构成的点集确定所有待加工孔的坐标具体包括：

s401，确定首孔坐标，首点坐标即首孔坐标；

s402，当首点坐标与遍历点之间的弧长l满足|l-l1|≤d时，d为一不超过加工精度误差的预设数值，加工精度误差即加工公差，则当前遍历点为下一个待加工孔的坐标；

s403，以每一个待加工孔的坐标为参照，依前一步骤逐个寻找待加工孔坐标至找出全部待加工孔坐标。

优选地，步骤s400还包括：

s411，在整理后的回转零件轮廓上的所有轮廓点集中查找每一个待加工孔的坐标两侧各至少一个点坐标，并拟合每一个待加工孔连接的弧线，根据拟合的弧线的切线获取待加工孔对应位置的法线方向与水平x轴的夹角a，再按实际加工需求根据设定的加工方向与法线方向的夹角△α，获取待加工孔的加工方向与水平x轴的夹角a-△α以确定加工孔的加工方向（请一并参照图8）。

当机床行程较小时，优选动件式加工方式，即类回转零件绕c轴（类回转零件的转动轴）转动。此时，所述遍历所有轮廓点集逐个寻找待加工孔的坐标的步骤之后还包括：

类回转零件的转动中心点和一待加工孔坐标的连线为参考直线，类回转零件的转动中心点和下一待加工孔坐标的连线为对比直线，计算参考直线和对比直线之间的夹角得出相邻两待加工孔之间的夹角；遍历计算出所有待加工孔与下一待加工孔之间的夹角。

与现有技术相比，本申请类回转零件加工自适应定位方法基于工件轮廓弧长来定位打孔坐标，由于工件在形变下轮廓弧长不变，但是加工孔在工件形变时的空间位置肯定会变，因此本发明采用弧长计算打孔位置的方案与采用等角度打孔的方案相比更能够获得形变工件上加工孔的真实坐标，显著提升加工精度，进一步地，在定位打孔坐标的过程中，对于定位工件轮廓的首点坐标具有自适应过程，进一步提升了精度，最后，本方案通过加工孔间弧长计算了加工方向，能够方便加工。本发明的方案不仅仅可用于自转轴加工，同时也可以用于刀具回转加工，与现有技术相比具有更广泛的应用面。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。