一种对偶小孔精密加工方法

摘要

本发明一种对偶小孔精密加工方法属于小孔加工领域，特别涉及一种对偶小孔精密加工方法。该方法中，先将工件装夹在五坐标数控钻削机床的回转工作台上，数控加工对偶小孔的第一个孔，采用接触式测头在机分层检测第一个孔的实际内廓形，采用最小二乘法计算第一个孔的实际轴线，按照对撞点的设计参数要求，反算出第二个孔的入钻点坐标，并重新生成第二个孔的数控加工程序，自动完成第二个孔的加工。本发明基于测量-加工一体化策略，在工件一次装卡下完成对偶小孔的廓形测量、数据处理、孔加工，能够满足不同直径、不同倾角对偶小孔对撞精度的加工要求，加工效率高、精度一致性好，通过加工误差在对撞点处“归零”处理，实现了对偶小孔精密加工。

主权项

一种对偶小孔精密加工方法，其特征在于，精密加工方法中，先将工件装夹在五坐标数控钻削机床的回转工作台上，按照原始设计数控加工对偶小孔的第一个孔，然后，采用接触式测头在机分层检测第一个孔的实际内廓形，采用最小二乘法计算第一个孔的实际轴线，按照对撞点的设计参数要求，反算出第二个孔的入钻点坐标，并重新生成第二个孔的数控加工程序，自动完成第二个孔的加工；对偶小孔精密加工方法的具体步骤如下：第一步工件装夹将工件(2)放置在回转工作台(1)上，并调整工件(2)与回转工作台(1)同轴，四个带螺栓的压板(3)均布于回转工作台(1)上，压板(3)压紧工件(2)，完成装夹；第二步加工对偶小孔的第一个孔(a)(1)回转工作台(1)将参考基面(c)调至水平，钻头(4)快速移动至第一个孔(a)的加工参考点(Q₂)，钻头(4)中心线与参考基面(c)的交点即为第一个孔(a)的入钻点(Q₃)，且第一个孔(a)的入钻点(Q₃)距离工件回转中心O的距离为R；(2)回转工作台(1)绕A轴正向旋转第一个孔(a)的倾角(α)，调整第一个孔(a)轴线至竖直状态，钻头(4)沿Y轴平移Hsin(‑α)，其中H为A轴回转时参考基面(c)的偏置距离，sin(‑α)表示角度‑α的正弦值；(3)钻头(4)沿Z轴作一维直线进给运动，到达钻削深度后，退刀至第一个孔(a)的加工参考点(Q₂)，自动完成第一个孔(a)的数控加工；第三步接触式分层在机检测第一个孔(a)内廓形(1)卸掉钻头(4)，安装接触式测头(5)，转换至测量模式；在第一个孔(a)轴线方向上等距选取5个测量层，每个测量层选定4个周向均布的待测点；(2)接触式测头(5)沿Z轴由测量参考点(Q₄)移动至第一测量层(L₁)的位置Z₁；接触式测头(5)沿X轴正向慢速运动，触碰第一个孔(a)的内壁后自动原路返回，采集系统自动记录触发时刻第一测量层(L₁)的第1个待测点坐标P₁₁(x₁₁,y₁₁)；(3)接着，按照操作步(2)的检测过程，接触式测头(5)分别检测Y轴负向、X轴负向和Y轴正向的待测点，得第一测量层(L₁)上的其余3个待测点坐标分别为P₁₂(x₁₂,y₁₂)、P₁₃(x₁₃,y₁₃)、P₁₄(x₁₄,y₁₄)；(4)完成第一测量层(L₁)各点检测后，接触式测头(5)依次运动至第i测量层(L_i)位置Z_i(i＝2,3,4,5)，重复操作步(2)和操作步(3)的检测过程，获得各测量层的测点坐标P_ij(x_ij,y_ij)(i＝2,…,5；j＝1,…,4)，完成第一个孔(a)在机接触式分层检测；第四步基于最小二乘法计算第一个孔(a)的实际轴线(1)在第一测量层(L₁)的测量点集{P_1j，j＝1,…,4}中任意取出三个测量点计算三点组成圆的圆心坐标，存在4种可选组合，则可计算出4组圆心坐标，取平均后作为第一测量层(L₁)的圆心坐标；首先选择第1组数据{P₁₁,P₁₂,P₁₃}计算第1个的圆心坐标(X₁₁,Y₁₁)，计算公式为：$\begin{array}{cc}{X}_{11}=\frac{1}{2}\left|\begin{array}{ccc}1& x_{11}^2+y_{11}^2& y_{11}\\ 1& x_{12}^2+y_{12}^2& y_{12}\\ 1& x_{12}^2+y_{12}^2& y_{13}\end{array}\right|\times {\left|\begin{array}{ccc}1& x_{11}& y_{11}\\ 1& x_{12}& y_{12}\\ 1& x_{13}& y_{13}\end{array}\right|}^{-1},& Y_{11}=\frac{1}{2}\left|\begin{array}{ccc}1& x_{11}& x_{11}^2+y_{11}^2\\ 1& x_{12}& x_{12}^2+y_{12}^2\\ 1& x_{13}& x_{12}^2+y_{12}^2\end{array}\right|\times {\left|\begin{array}{ccc}1& x_{11}& y_{11}\\ 1& x_{12}& y_{12}\\ 1& x_{13}& y_{13}\end{array}\right|}^{-1}\end{array}---\left(1\right)$其中，(x₁₁,y₁₁)、(x₁₂,y₁₂)、(x₁₃,y₁₃)分别为第1组数据中P₁₁、P₁₂、P₁₃的坐标；(2)利用公式(1)，分别计算其余3组数据{P₁₁,P₁₂,P₁₄}、{P₁₁,P₁₃,P₁₄}、{P₁₂,P₁₃,P₁₄}对应的圆心坐标(X₁₂,Y₁₂)、(X₁₃,Y₁₃)、(X₁₄,Y₁₄)，对已计算出的圆心坐标求平均，得到第一测量层(L₁)圆心坐标(X₁,Y₁)；(3)重复操作步(1)和操作步(2)的计算过程，依次计算出第i测量层(L_i)的圆心坐标(X_i,Y_i)(i＝2,…,5)，为便于后续计算，将计算出的圆心坐标存储为三维坐标形式(X_i,Y_i,Z_i)(i＝1,…,5)；(4)回转工作台(1)绕A轴负向旋转第一个孔(a)的倾角(α)，将参考基面(c)调至水平，则各测量层的圆心坐标由(X_i,Y_i,Z_i)变换为(X_i′,Y_i′,Z_i′)(i＝1,…,5)，变换公式为，$\left[\begin{array}{c}{X}_i^{\prime }\\ Y_i^{\prime }\\ Z_i^{\prime }\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \left(\alpha \right)& \sin \left(\alpha \right)\\ 0& -\sin \left(\alpha \right)& \cos \left(\alpha \right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_i\\ Y_i\\ Z_i\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ H\sin \left(\alpha \right)\\ H(1-\cos (\alpha ))\end{array}\right]---\left(2\right)$(5)基于最小二乘原理计算第一个孔(a)的实际轴线(e)的坐标为(x₀、y₀)，(m、n)为参数，计算公式如下，$\left[\begin{array}{cc}m& x_0\\ n& y_0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\underset{i=1}{\overset{5}{\Sigma }}{X}_i^{\prime }{Z}_i^{\prime }& \underset{i=1}{\overset{5}{\Sigma }}{X}_i^{\prime }\\ \underset{i=1}{\overset{5}{\Sigma }}{Y}_i^{\prime }{Z}_i^{\prime }& \underset{i=1}{\overset{5}{\Sigma }}{Y}_i^{\prime }\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\underset{i=1}{\overset{5}{\Sigma }}{Z}_i^{\prime 2}& \underset{i=1}{\overset{5}{\Sigma }}{Z}_i^{\prime }\\ \underset{i=1}{\overset{5}{\Sigma }}{Z}_i^{\prime }& 5\end{array}\right]---\left(3\right)$进而得到第一个孔(a)的实际轴线(e)方程为，$\frac{X-x_0}{m}=\frac{Y-y_0}{n}=\frac{Z}{1}---\left(4\right)$第五步加工对偶小孔的第二个孔(b)(1)更换钻头(4)，调整至加工模式；(2)回转工作台(1)绕C轴正向旋转第二个孔(b)的角度增量(θ)，计算公式为，$\left.\begin{array}{c}\theta ={\cos }^{-1}\left(\frac{R^2+{(\Delta X-R)}^2+{\mathrm{\Delta Y}}^2-\sqrt{{\mathrm{\Delta X}}^2+{\mathrm{\Delta Y}}^2}}{2R\sqrt{{(\Delta X-R)}^2+{\mathrm{\Delta Y}}^2}}\right)\\ \Delta X={\mathrm{mh}}_0(1+\cot (\beta )/\sqrt{n^2+m^2}),\Delta Y=sign\left(n\right)|n\Delta X/m|\end{array}\right\}---\left(5\right)$其中，β为第二个孔(b)的倾角，h₀为对撞点的设计高度，cos^‑1表示反余弦函数，cot(β)表示β角的余切值，sign表示取符号函数；(3)回转工作台(1)绕A轴负向旋转第二个孔(b)的倾角(β)，钻头(4)由第一个孔(a)的加工参考点(Q₂)分别沿Y轴平移Hsin(β)、沿X轴平移至第二个孔(b)的加工参考点(Q₇)，则钻头(4)中心线与参考基面(c)的交点即为第二个孔(b)的入钻点(Q₆)；(4)钻头(4)沿Z轴作一维直线进给运动，到达钻削深度后，退刀至第二个孔(b)的加工参考点(Q₇)，自动完成第二个孔(b)的数控加工。