一种工件定位方法与系统技术方案

本发明专利技术属于工件定位技术领域，公开了一种工件定位方法与系统，工件定位系统包括：数控机床；安装在数控机床工作台上的夹具，夹具中配有与工件基准面接触的定位销，部分或全部定位销可活动调整；测量工件空间位姿的测量系统；以及用于计算可活动定位销调整量的计算单元。本发明专利技术适用性强：适用于缺乏足够的运动自由度以及不具备装夹误差动态补偿功能的数控机床，通过调整夹具上可动定位销的位置实现对工件六自由度的定位误差补偿；定位精度高：容易实现工件在小范围内的高精度位姿微调；成本低：无需价格高昂的具有六自由度和装夹误差动态补偿功能的数控机床，降低了设备成本。

A Workpiece Location Method and System

The invention belongs to the field of workpiece positioning technology, and discloses a workpiece positioning method and system. The workpiece positioning system includes: a numerical control machine tool; a fixture mounted on the worktable of a numerical control machine tool, in which a positioning pin contacting the workpiece datum is equipped, and part or all of the positioning pins can be movably adjusted; a measuring system for measuring the workpiece's spatial posture; and a measuring system for calculating the movable positioning pin Calculating unit of adjustment. The invention has strong applicability: it is suitable for NC machine tools lacking sufficient degree of freedom of motion and dynamic compensation function of clamping error, and realizes six degrees of freedom positioning error compensation of workpiece by adjusting the position of movable positioning pin on fixture; high positioning accuracy: easy to realize high precision positioning and posture fine adjustment of workpiece in a small range; low cost: it does not need high price and has six freedoms. The NC machine tool with dynamic compensation function of degree and clamping error reduces the cost of equipment.

【技术实现步骤摘要】
一种工件定位方法与系统
本专利技术属于工件定位
，尤其涉及一种工件定位方法与系统。
技术介绍
工件的定位精度在机械加工制造过程中至关重要。工件在机床上的定位和夹紧通常需要通过夹具完成，即首先在机床的工作台上安装夹具，然后将工件安装在夹具上。为保证工件相对于机床刀具的位姿(位置和姿态)，夹具常配有六个与工件基准面相接触的定位销。传统加工制造中，夹具和定位销需满足较高的制造和装配精度以确保工件定位精度，这不仅增加了夹具成本，而且可能给夹具维护和制造工艺自动化带来困难。随着数控技术发展，可利用数控系统的装夹误差动态补偿(FixtureOffsetDynamicCompensation)功能，通过机床运动对工件定位误差进行补偿，以降低夹具的精度要求和制造成本，同时更利于生产自动化。目前，文献中已有关于工件定位误差补偿算法的研究，这些算法大多是通过测量工件表面坐标数据来计算得到工件实际位姿的偏差量，这些文献包括：[1]GunnarssonKT,PrinzFB.CADModel-BasedLocalizationofPartsinManufacturing.1987,20(8),pp.66-74.[2]MenqCH,YauHT,LaiGY.AutomatedprecisionmeasurementofsurfaceprofileinCAD-directedinspection.IEEETransactionsonRobotics&Automation,1992,8(2),pp.268-278.[3]HongJ,TanX.Methodandapparatusfordeterminingpositionandorientationofmechanicalobjects,USPatent,No.5,208,763.4,May1993.[4]ChuYX,GouJB,KangB,etal.Performanceanalysisoflocalizationalgorithms,ProceedingofIEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation,1997,pp.1247-1252.[5]MaL,LiZ,Ageometricalgorithmforsymmetricworkpiecelocalization,7thWorldCongressonIntelligentControlandAutomation,pp.6065-6069,2008.然而现有技术存在以下问题：(1)通过机床调整工件位姿，其定位精度取决于于机床的运动分辨率，尤其对于大型工件精加工，既需要机床进行大范围运动，又需要机床能够进行微量调正，因此对机床运动能力要求较高。(2)同时，要实现在数控机床上的工件定位误差补偿，上述方法需要机床具有足够的运动自由度，例如，如果需要补偿工件的所有位姿误差，则机床必须具备六个或以上自由度的精确运动能力。当机床缺乏足够的运动自由度或其数控系统不具备装夹误差动态补偿功能时，那么将难以通过机床进行工件的定位误差补偿，仍需依赖夹具上的定位销以确定工件的定位精度。(3)而人工调整夹具定位销的位置往往非常耗时且依赖于操作人员的经验与技巧。针对上述技术问题，亟需一种对工件进行自动位姿调整的方法，以确保工件在精加工过程中相对于机床的空间精确定位。这能降低对数控机床运动能力和控制系统的要求，降低设备成本，减少对加工过程的人工干预，尤其对大型工件精加工过程的自动化有重要意义。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种工件定位方法与系统。本专利技术实现为，一种工件定位方法，所述工件定位方法包括：通过夹具上的可活动定位销调整工件位姿，基于工件与可活动定位销相接触时的运动学方程，推导出可活动定位销相对于工件位姿的变化位置；再计算出可活动定位销的调整量以补偿给定的工件定位误差。进一步，所述工件定位方法具体包括：步骤一：将工件夹具安装在数控机床工作台上，并将可动定位销调整到预先设定值；步骤二：将工件装夹在数控机床夹具上；步骤三：测量系统测量出工件相对于机床刀具的定位误差；步骤四：判断定位误差值是否在指定公差范围内；若定位误差值在许可范围内，则满足加工要求，继续执行步骤五；若定位误差值超出许可范围，则不满足加工要求，继续执行步骤二至步骤四，直至工件定位误差值在许可范围内；步骤五，数控机床开始工件加工制造流程。进一步，步骤四具体包括：步骤I：卸载工件；步骤II：计算单元根据测量出的工件位姿误差计算出夹具上每个可活动定位销的调整量；步骤III：计算单元将调整量发送至夹具上的可活动定位销驱动装置的控制器以调整可活动定位销位置。进一步，步骤II具体包括：步骤a：建立坐标系，描述工件空间位姿；步骤b：建立每个定位销轴线的直线方程以及每个与定位销相接触的工件基准面的平面方程；步骤c：建立工件在夹具上的非线性运动学模型，并将该模型进行线性化；步骤d：通过求解工件运动学方程，得到给定工件位姿误差的可活动定位销调整量。进一步，步骤a具体包括：建立固定在机床上的基准坐标系{A}以及固定在工件上的工件坐标系{B}，工件位置通过坐标系{B}的原点坐标相对于基准坐标系{A}的位置矢量表示，即工件姿态通过工件坐标系相对于基准坐标系的旋转矩阵表示，其中(α,β,γ)为工件坐标系相对于基准坐标系的欧拉角，则工件坐标系和基准坐标系的等价齐次变换为：步骤b中的建立每个定位销轴线的直线方程以及每个与定位销相接触的工件基准面的平面方程，具体描述如下：每个定位销轴线在基准坐标系中的直线方程如下：其中AKi＝[kxi,kyi,kzi]T表示定位销轴线在基准坐标系的单位方向矢量，AVi＝[vxi,vyi,vzi]T表示定位销轴线上给定的一点vi的位置矢量，li表示定位销轴线上某点(X,Y,Z)与点vi之间的距离；工件上与每个定位销相接触的接触点在工件坐标系{B}中表示为BQi＝[qxi,qyi,qzi]T，接触点处的工件表面法向矢量在工件坐标系{B}中表示为BHi＝[hxi,hyi,hzi]T，这两个矢量通过以下方程转换到基准坐标系中{A}：与定位销相接触的工件平面方程表示为：([X,Y,Z]T-AQi)·AHi＝0；步骤c中的建立工件在夹具上的非线性运动学模型，并将该模型进行线性化，具体描述如下：工件表面与定位销的接触点同时满足方程和([X,Y,Z]T-AQi)·AHi＝0,接触点到点vi的距离计算为：工件在夹具上的运动学模型表示为以下六个非线性方程：L＝[l1,l2,l3,l4,l5,l6]T＝f(X,Y,Z,α,β,γ)上式表示以六个定位销进行工件定位的非线性运动学模型，该模型线性化为ΔL＝JE其中E＝[ΔX,ΔY,ΔZ,Δα,Δβ,Δγ]表示工件位置和姿态的误差值，J是非线性运动学模型L＝[l1,l2,l3,l4,l5,l6]T＝f(X,Y,Z,α,β,γ)的雅可比矩阵，如下：上述步骤d中的通过求解工件运动学方程，得到给定工件位姿误差的可活动定位销调整量，具体描述如下：在步骤c中当测得工件位置和姿态的误差E后，通过方程ΔL＝JE求得ΔL；当六个定位销均为可活动定位销时，则所求得的ΔL为各可活动定位销的调整量；当本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种工件定位方法，其特征在于，所述工件定位方法包括：通过夹具上的可活动定位销调整工件位姿，基于工件与可活动定位销相接触时的运动学方程，推导出可活动定位销相对于工件位姿的变化位置；再计算出可活动定位销的调整量以补偿给定的工件定位误差。

【技术特征摘要】
1.一种工件定位方法，其特征在于，所述工件定位方法包括：通过夹具上的可活动定位销调整工件位姿，基于工件与可活动定位销相接触时的运动学方程，推导出可活动定位销相对于工件位姿的变化位置；再计算出可活动定位销的调整量以补偿给定的工件定位误差。2.如权利要求1所述的工件定位方法，其特征在于，所述工件定位方法具体包括：步骤一：将工件夹具安装在数控机床工作台上，并将可动定位销调整到预先设定值；步骤二：将工件装夹在数控机床夹具上；步骤三：测量系统测量出工件相对于机床刀具的定位误差；步骤四：判断定位误差值是否在指定公差范围内；若定位误差值在许可范围内，则满足加工要求，继续执行步骤五；若定位误差值超出许可范围，则不满足加工要求，继续执行步骤二至步骤四，直至工件定位误差值在许可范围内；步骤五，数控机床开始工件加工制造流程。3.如权利要求2所述的工件定位方法，其特征在于，步骤四具体包括：步骤I：卸载工件；步骤II：计算单元根据测量出的工件位姿误差计算出夹具上每个可活动定位销的调整量；步骤III：计算单元将调整量发送至夹具上的可活动定位销驱动装置的控制器以调整可活动定位销位置。4.如权利要求3所述的工件定位方法，其特征在于，步骤II具体包括：步骤a：建立坐标系，描述工件空间位姿；步骤b：建立每个定位销轴线的直线方程以及每个与定位销相接触的工件基准面的平面方程；步骤c：建立工件在夹具上的非线性运动学模型，并将该模型进行线性化；步骤d：通过求解工件运动学方程，得到给定工件位姿误差的可活动定位销调整量。5.如权利要求4所述的工件定位方法，其特征在于，步骤a具体包括：建立固定在机床上的基准坐标系{A}以及固定在工件上的工件坐标系{B}，工件位置通过坐标系{B}的原点坐标相对于基准坐标系{A}的位置矢量表示，即工件姿态通过工件坐标系相对于基准坐标系的旋转矩阵表示，其中(α,β,γ)为工件坐标系相对于基准坐标系的欧拉角，则工件坐标系和基准坐标系的等价齐次变换为：步骤b中的建立每个定位销轴线的直线方程以及每个与定位销相接触的工件基准面的平面方程，具体描述如下：每个定位销轴线在基准坐标系中的直线方程如下：其中AKi＝[kxi,kyi,kzi]T表示定位销轴线在基准坐标系的单位方向矢量，AVi＝[vxi,vyi,vzi]T表示定位销轴线上给定的一点vi的位置矢量，li表示定位销轴线上某点(X,Y,Z)与点vi之间的距离；工件上与每个定位销相接触的接触点在...

【专利技术属性】
技术研发人员：李育文，文鑫，刘颖，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31