激光加工3D异形工件快速坐标定位方法与流程

激光加工3d异形工件快速坐标定位方法
技术领域
[0001]
本发明涉及激光加工技术领域，特别涉及一种激光加工3d异形工件快速坐标定位方法。


背景技术：

[0002]
在激光加工异形工件前，首先得确定工件相对于激光加工设备的位置。目前，对于激光加工异形工件的坐标定位，一般是先在工件表面标记符合右手定则的三特征点，然后利用激光加工头末端尖嘴在工件表面标定三个特征点并记录其全局坐标值，利用三点坐标值根据右手定则建立三维坐标系统，从而完成工件的坐标定位。
[0003]
目前普遍采用的在工件上取三特征点来定位的方法，前提是需要工件表面上的三个特征点位置明显，从而能快速并准确的标定并记录其全局坐标值。然而一般工件是冲压出来的，其表面上的轮廓往往带有倒角，此时特征点既不容易确定，且难以准确的取得其坐标值，如此便会造成整体坐标位置的偏差。


技术实现要素：

[0004]
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种激光加工3d异形工件快速坐标定位方法，包括以下步骤：
[0005]
s100以仿形工装支撑异形工件，以便激光对异形工件进行加工；
[0006]
s200在仿形工装上以右手定则取三个特征点：第一特征点，第二特征点和第三特征点，其中以第一特征点作为原点，以第二特征点作为x轴坐标点、以第三特征点作为y轴坐标点构建三维的全局坐标系；
[0007]
s300以加工头尖嘴标定并记录三个特征点的坐标值，将三个特征点的坐标值导入坐标计算辅助工具进行计算，得到仿形工装的全局坐标；
[0008]
s400将异形工件与仿形工装两者的数模作为一个整体导入激光加工编程软件中，根据仿形工装的全局坐标系完成异形工件的坐标定位。
[0009]
可选的，制作仿形工装时，在仿形工装的顶部制作多个台阶，取符合右手定则的三个台阶中间点作为特征点。
[0010]
可选的，在s400步骤中，根据仿形工装的全局坐标完成异形工件的坐标定位的过程如下：
[0011]
确定异形工件的三维基准面，以三维基准面的交点为原点，以相邻基准面的交线为坐标轴建立异形工件的独立坐标系；
[0012]
把异形工件的各加工点相对三维基准面的尺寸转换为在独立坐标系中的坐标值；
[0013]
通过独立坐标系与全局坐标系的转换关系，把异形工件的各加工点在独立坐标系中的坐标值转换为全局坐标系中的坐标值，实现异形工件的全局坐标定位。
[0014]
可选的，在s100步骤中，采用夹具对仿形工装和异形工件进行相互固定，防止发生相对滑动。
[0015]
可选的，所述夹具包括转杆、导杆和两个夹块，所述转杆两端设有方向相反的螺杆，所述转杆可转动式安装在仿形工装上，所述导杆与转杆平行且与仿形工装连接，所述夹块设有卡口、导孔以及与螺杆配合的第一内螺纹通孔，两个夹块以卡口相对并分别通过第一内螺纹通孔安装在转杆两端的螺杆上，所述导杆插入导孔内。
[0016]
可选的，所述仿形工装顶部设有第一传感器，所述夹具设有电机和控制器，所述电机与转杆传动连接，所述卡口内底面设有第二传感器，所述控制器分别与电机、第一传感器和第二传感器电连接；所述电机能够正向或者反向旋转。
[0017]
可选的，所述夹具还包括压块和压杆，所述卡口内底面设有导槽，所述卡口的上侧壁设有第二内螺纹通孔，所述压块顶部设有卡槽，所述压块能够沿导槽滑动，所述压杆端头设有头帽，所述头帽安装在卡槽内，所述压杆带有与第二内螺纹通孔配合的外螺纹；所述转杆的端头设有转盘，所述电机的输出轴的远端以轴键滑动连接有双面吸盘，所述双面吸盘与电机之间的输出轴以轴承连接第一齿轮，所述第一齿轮通过传动机构与压杆传动，所述转盘位于双面吸盘远离第一齿轮的侧面；
[0018]
所述压块的下表面设有第三传感器，所述控制器分别与双面吸盘和第三传感器连接，所述第二传感器用于控制双面吸盘断开与转盘的吸合传动并切换为双面吸盘与第一齿轮的吸合传动，所述第三传感器用于控制双面吸盘断开与第一齿轮的吸合传动。
[0019]
可选的，所述传动机构包括第二齿轮、传动杆、第一锥齿轮和第二锥齿轮；
[0020]
所述传动杆的一端沿轴向设有第一凹槽，所述第二齿轮的中心设有带第一凸块的通孔，所述第二齿轮滑动式套在传动杆上且第一凸块顶在第一凹槽内，所述第二齿轮与第一齿轮啮合，所述传动杆的另一端与第一锥齿轮固定连接；
[0021]
所述压杆远离头帽端向设有第二凹槽，所述第二锥齿轮的中心设有带第二凸块的通孔，所述第二锥齿轮滑动式套在压杆上且第二凸块顶在第二凹槽内，所述压杆与传动杆垂直，所述第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合；
[0022]
所述夹块嵌有相互垂直的第一托板和第二托板，第一托板的内表面与夹块之间设有弹簧，所述第一托板设有第一通孔，所述第一托板通过第一通孔套在传动杆的第一锥齿轮内侧，所述第一托板的外表面与第一锥齿轮的相对面之间设有滚珠；所述第二托板设有第二通孔，所述第二托板通过第二通孔套在压杆的第二锥齿轮内侧，所述第二托板的外表面与第二锥齿轮的相对面之间设有滚珠；
[0023]
所述第二齿轮两侧设有环形槽，所述第二齿轮由夹槽与仿形工装1连接，所述夹槽的两个相对内侧面设有滚珠顶着环形槽。
[0024]
可选的，在以仿形工装支撑异形工件时，让独立坐标系与全局坐标系方位保持一致，两个坐标系仅原点不重合；所述独立坐标系与全局坐标系的转换关系简化为以下算式：
[0025]
f
i
＝f
i
′
+f
o
[0026]
上式中，f
i
表示异形工件的i点在全局坐标系的坐标值；f
i
′
表示异形工件的i点在独立坐标系的坐标值；f
o
表示异形工件的独立坐标系原点在全局坐标系的坐标值。
[0027]
可选的，所述控制器根据异形工件的材料属性及全局坐标定位加工点的加工深度，采用以下公式计算加工需要的激光强度：
[0028]
[0029]
上式中，q
j
表示异形工件全局坐标定位加工点j加工时需要的激光强度；q0表示异形工件材料加工的基本能耗，预先设定；e表示自然常数；d
j
表示异形工件加工点j的加工深度；k1表示异形工件材料的激光折射率；k2表示异形工件材料的消光系数；
[0030]
所述控制器将计算结果传输给激光发射设备，根据计算结果控制异形工件加工点j加工时激光发射设备发射出的激光强度。
[0031]
本发明通过在与工件匹配的仿形工装上置定三个位置明显的特征点，从而快速并准确的实现工件的定位。三特征点选取在仿形工装上而不是在异形工件上，而仿形工装上特征点是制作仿形工装的时候刻意制造台阶而产生的，因此台阶切割制造的要达到一定的精度。相较于异形工件，仿形工装上特征点位置明显，方便标定并记录坐标值，如此既可节省在工件表面去寻找并标记特征点的时间，还可以提高取点坐标位置的精度，进而提高整体工件的坐标定位精度。
[0032]
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
[0033]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0034]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0035]
图1为本发明实施例中一种激光加工3d异形工件快速坐标定位方法流程图。
[0036]
图2为本发明的激光加工3d异形工件快速坐标定位方法实施例采用的一种仿形工装立体示意图；
[0037]
图3为图2实施例的仿形工装支撑异形工件的立体示意图；
[0038]
图4为本发明的激光加工3d异形工件快速坐标定位方法实施例采用夹具实现异形工件与仿形工装相互固定示意图；
[0039]
图5为本发明采用的能够自动进行夹持固定的夹具结构实施例示意图。
[0040]
图中：1-仿形工装，2-异形工件，3-台阶，4-第一特征点，5-第二特征点，6-第三特征点，7-转杆，8-导杆，9-夹块，10-卡口，11-压块，12-压杆，13-导槽，14-转盘，15-双面吸盘，16-第一齿轮，17-电机，18-第二齿轮，19-第一凸块，20-传动杆，21-第一凹槽，22-第一锥齿轮，23-第二锥齿轮，24-第二凸块，25-第二凹槽，26-第一托板，27-弹簧，28-第二托板。
具体实施方式
[0041]
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0042]
如图1-3所示，本发明实施例提供了一种激光加工3d异形工件快速坐标定位方法，包括以下步骤：
[0043]
s100以仿形工装1支撑异形工件2，以便激光对异形工件进行加工；
[0044]
s200在仿形工装上以右手定则取三个特征点：第一特征点4，第二特征点5和第三特征点6，其中以第一特征点4作为原点，以第二特征点5作为x轴坐标点、以第三特征点6作
为y轴坐标点构建三维的全局坐标系；
[0045]
s300以加工头尖嘴标定并记录三个特征点的坐标值，将三个特征点的坐标值导入坐标计算辅助工具进行计算，得到仿形工装的全局坐标；
[0046]
s400将异形工件与仿形工装两者的数模作为一个整体导入激光加工编程软件中，根据仿形工装的全局坐标系完成异形工件的坐标定位。
[0047]
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本发明通过在与工件匹配的仿形工装上置定三个位置明显的特征点，从而快速并准确的实现工件的定位。三特征点选取在仿形工装上而不是在异形工件上，而仿形工装上特征点是制作仿形工装的时候刻意制造台阶而产生的，因此台阶切割制造的要达到一定的精度。相较于异形工件，仿形工装上特征点位置明显，方便标定并记录坐标值，如此既可节省在工件表面去寻找并标记特征点的时间，还可以提高取点坐标位置的精度，进而提高整体工件的坐标定位精度。
[0048]
在一个实施例中，制作仿形工装时，在仿形工装的顶部制作多个台阶3，取符合右手定则的三个台阶中间点作为特征点。
[0049]
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过规定特征点的选取以符合右手定则来确定，与大多数操作人员一般使用右手的习惯相符，以此进行统一，避免不同操作人员的使用习惯差异可能影响的产品加工质量不一致的问题，保证工序加工的统一性，也不需要对相关设置进行调整和转换，防止产生混乱。
[0050]
在一个实施例中，在s400步骤中，根据仿形工装的全局坐标完成异形工件的坐标定位的过程如下：
[0051]
确定异形工件的三维基准面，以三维基准面的交点为原点，以相邻基准面的交线为坐标轴建立异形工件的独立坐标系；
[0052]
把异形工件的各加工点相对三维基准面的尺寸转换为在独立坐标系中的坐标值；
[0053]
通过独立坐标系与全局坐标系的转换关系，把异形工件的各加工点在独立坐标系中的坐标值转换为全局坐标系中的坐标值，实现异形工件的全局坐标定位。
[0054]
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过在异形工件选取其本身的三维基准面，以此构建异形工件的独立坐标系，让异形工件的各加工点相对三维基准面的尺寸可以直接转换成为在独立坐标系中的坐标值，减少了测量与运算过程；再通过独立坐标系与局坐标系的转换关系，批量统一把异形工件的各加工点在独立坐标系中的坐标值转换为全局坐标系中的坐标值，实现异形工件的全局坐标定位，采用该方法转换速度快，一次性完成，防止分开转换可能发生的坐标值混乱，避免发生定位错误影响加工质量与合格率。
[0055]
在一个实施例中，在s100步骤中，采用夹具对仿形工装1和异形工件2进行相互固定，防止发生相对滑动。
[0056]
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案在仿形工装支撑异形工件时，通过设置夹具将仿形工装和异形工件相对固定的方法，保证一次性定位的精确度，防止发生相对滑动导致加工误差和废品率增加。
[0057]
在一个实施例中，如图4所示，所述夹具包括转杆7、导杆8和两个夹块9，所述转杆7两端设有方向相反的螺杆，所述转杆7可转动式安装在仿形工装1上，所述导杆8与转杆7平行且与仿形工装1固定连接，所述夹块9设有卡口10、导孔以及与螺杆配合的第一内螺纹通孔，两个夹块9以卡口10相对并分别通过第一内螺纹通孔安装在转杆7两端的螺杆上，所述
导杆8插入导孔内；所述异形工件2的两端分别由卡口10固定。
[0058]
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案提供了一种可适用夹具形式，该夹具主要有转杆、导杆和两个夹块，转杆两端设有方向相反的螺杆并安装夹块，转杆上可以设置操作手柄，通过操作手柄朝不同方向旋转转杆，可以让两个夹块同时相对或者相背移动，实现用夹块的卡口对异形工件进行卡紧固定或者放松取出，导杆用于防止夹块跟随转杆发生旋转，而是只沿导杆滑动，导杆仿形工装可以采用固定连接，也可以为可旋转连接；卡口可以设置扩口式倒角，以方便异形工件边缘的卡入。
[0059]
在一个实施例中，所述仿形工装1顶部设有第一传感器，所述夹具设有电机17和控制器，所述电机17与转杆7传动连接，所述卡口10内底面设有第二传感器，所述控制器分别与电机17、第一传感器和第二传感器电连接；所述电机17能够正向或者反向旋转。
[0060]
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案中第一传感器用于控制电机的开启和关闭，第二传感器用于控制转杆与电机的断开传动，控制器可以固定在仿形工装上，也可以固定在距离加工处较远处，通过设置电机正向或者反向旋转驱动转杆，代替了手工操作，提高了生产工艺的自动化程度和生产效率，还可以避免手工操作的夹紧力度差异和异形工件变形，提高的加工精度和一致性。
[0061]
在一个实施例中，如图5所示，所述夹具还包括压块11和压杆12，所述卡口10内底面设有导槽13，所述卡口10的上侧壁设有第二内螺纹通孔，所述压块11顶部设有卡槽，所述压块11能够沿导槽13滑动，所述压杆12端头设有头帽，所述头帽安装在卡槽内，所述压杆12带有与第二内螺纹通孔配合的外螺纹；所述转杆7的端头设有转盘14，所述电机17的输出轴的远端以轴键滑动连接有双面吸盘15，所述双面吸盘15与电机17之间的输出轴以轴承连接第一齿轮16，所述第一齿轮16通过传动机构与压杆12传动，所述转盘14位于双面吸盘15远离第一齿轮16的侧面；
[0062]
所述压块11的下表面设有第三传感器，所述控制器分别与双面吸盘15和第三传感器连接，所述第二传感器用于控制双面吸盘15断开与转盘14的吸合传动并切换为双面吸盘15与第一齿轮16的吸合传动，所述第三传感器用于控制双面吸盘15断开与第一齿轮16的吸合传动。
[0063]
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过在卡口设置压块和压杆，可实现对不同厚度的异形工件的夹持与固定，避免遇到不同厚度的异形工件需要更换不同尺寸卡口的夹块，保障了生产的顺利与持续性，提高了生产效率；或者避免加工时异形工件发生上下跳动而影响加工精度，提高了加工质量及其稳定性；通过设置双面吸盘，在传感器的配合下，实现使用时夹块与压块的顺序动作和切换，第一传感器和第二传感器可以是压力式传感器或者接触式传感器，还可以设置成按钮形式；让压杆与转杆通过同一电机驱动，节省了制作与使用成本，降低了能耗。
[0064]
在一个实施例中，如图5所示，所述传动机构包括第二齿轮18、传动杆20、第一锥齿轮22和第二锥齿轮23；
[0065]
所述传动杆20的一端沿轴向设有第一凹槽21，所述第二齿轮18的中心设有带第一凸块19的通孔，所述第二齿轮18滑动式套在传动杆20上且第一凸块19顶在第一凹槽21内，所述第二齿轮18与第一齿轮16啮合，所述传动杆20的另一端与第一锥齿轮22固定连接；
[0066]
所述压杆12远离头帽端向设有第二凹槽25，所述第二锥齿轮23的中心设有带第二
凸块24的通孔，所述第二锥齿轮23滑动式套在压杆12上且第二凸块24顶在第二凹槽25内，所述压杆12与传动杆20垂直，所述第一锥齿轮22与第二锥齿轮23啮合；
[0067]
所述夹块9嵌有相互垂直的第一托板26和第二托板28，第一托板26的内表面与夹块9之间设有弹簧27，所述第一托板26设有第一通孔，所述第一托板26通过第一通孔套在传动杆20的第一锥齿轮22内侧，所述第一托板26的外表面与第一锥齿轮22的相对面之间设有滚珠；所述第二托板28设有第二通孔，所述第二托板28通过第二通孔套在压杆12的第二锥齿轮23内侧，所述第二托板28的外表面与第二锥齿轮23的相对面之间设有滚珠；
[0068]
所述第二齿轮19两侧设有环形槽，所述第二齿轮19由夹槽与仿形工装1连接，所述夹槽的两个相对内侧面设有滚珠顶着环形槽。
[0069]
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案提供了一种传动机构设置，能够实现第一齿轮与压杆传动，可以较好了实现压杆与转杆分别由同一电机驱动；第一凹槽与第一凸块以及第二凹槽与第二凸块的设置与配合，实现了相互配合的部件在发生轴向相对移动的同时还可以传递转动，第一托板和第二托板都设有也通孔同心的环形滚珠槽，其设置保证了传动过程中不会发生传动链脱节，第一托板和第二托板与夹块的分解可以方便环形滚珠槽的加工，弹簧的设置使得传动机构组织方便。
[0070]
在一个实施例中，在以仿形工装1支撑异形工件2时，让独立坐标系与全局坐标系方位保持一致，两个坐标系仅原点不重合；所述独立坐标系与全局坐标系的转换关系简化为以下算式：
[0071]
f
i
＝f
i
′
+f
o
[0072]
上式中，f
i
表示异形工件的i点在全局坐标系的坐标值；f
i
′
表示异形工件的i点在独立坐标系的坐标值；f
o
表示异形工件的独立坐标系原点在全局坐标系的坐标值。
[0073]
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过在仿形工装和异形工件安装时，让独立坐标系与全局坐标系方位保持一致，使得两个坐标系仅原点不重合的差异，由此简化了异形工件点的定位采用不同坐标系的转换关系，减少了坐标转换的运算负载，加快了运算速度，提高了加工效率，节省的运算能耗；上述公式中的坐标值参数可以是三维坐标中任何一维的坐标值，只要保持等式中的各参数维度一致即可。
[0074]
在一个实施例中，所述控制器根据异形工件2的材料属性及全局坐标定位加工点的加工深度，采用以下公式计算加工需要的激光强度：
[0075][0076]
上式中，q
j
表示异形工件全局坐标定位加工点j加工时需要的激光强度；q0表示异形工件材料加工的基本能耗，预先设定；e表示自然常数；d
j
表示异形工件加工点j的加工深度；k1表示异形工件材料的激光折射率；k2表示异形工件材料的消光系数；
[0077]
所述控制器将计算结果传输给激光发射设备，根据计算结果控制异形工件加工点j加工时激光发射设备发射出的激光强度。
[0078]
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过异形工件各加工点定位与设计要求的加工深度进行对应，采用上述公式实时计算加工点进行加工时由于加工深度不同而需要的不同激光强度，以达到对加工过程参数的精确控制，防止加工过量或者欠缺，保障产品的加工质量与稳定性，避免加工中的能耗浪费；上述计算公式充分考虑了材料本身属
性，避免对不同材料加工形成的质量差异。
[0079]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。