一种CNC加工中心的工件定位加工方法与流程

本发明属于计算机数字控制（cnc）加工及在机测量，具体涉及加工中心的夹紧变形识别、夹紧过程控制及加工补偿技术。

背景技术：

1、计算机数字控制（cnc）加工中心通常通过夹具限制工件自由度，并通过找正、对刀或在机测量建立工件坐标系。对于规则毛坯和刚性较高的工件，依靠定位面、定位销及固定夹紧力即可获得较稳定的加工基准；但对于铸件、锻件、焊接件、薄壁件及外形不规则工件，毛坯余量、初始形状和局部刚度存在差异，工件由轻夹紧状态切换至实际加工夹紧状态时，除发生整体平移和转动外，还可能在夹紧点、支承点及薄弱区域产生局部弹性变形。

2、现有技术已经提出利用在机测头测量工件零点基准并自动设置坐标系。例如，cn113009881a公开了数控加工中坐标系自动设置与在线测量方法，cn104139321b公开了大型结构件原位测量自动找正方法，cn104476109a公开了先设置粗基准、再在线测量确定精加工基准的定位加工方法。上述方案主要针对工件整体位置或加工结果进行测量补偿。

3、此外，cn104759942a公开了薄壁零件加工后的在机测量和变形补偿方法，cn113245884a公开了采用零点定位技术实现工件快速换装的系统及方法，cn204075878u公开了通过检测二序加工基准点完成二次基准转换的装置。现有装夹定位方案还可在压紧过程中借助百分表观察工件是否产生明显变形，但通常仅用于确认终态或人工调整，未建立单次夹紧动作、阶段局部变形和后续加工补偿之间的对应关系。

4、对于依次施加多个夹紧作用的工件，不同夹紧动作可能引起方向相反的局部变形。若仅比较夹紧前后的终态数据，前一夹紧动作造成的过量变形可能被后一夹紧动作的反向变形部分抵消，使终态位移表面上满足要求，但工件内部仍保持较大的弹性预载；粗加工去除材料并改变局部刚度后，该弹性预载释放，容易造成轮廓回弹和精加工余量失配。仅在夹紧完成后统一调整或补偿，也难以确定应当调整哪一夹紧部位。因此，需要对每一夹紧动作引起的局部变形增量进行刚体分离、逐阶段判定和贡献追溯，并使所获得的阶段数据继续参与加工路径补偿。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种cnc加工中心的工件定位加工方法，以解决现有技术中单次夹紧动作的局部变形贡献难以识别、中间阶段过量变形可能被后续夹紧抵消掩盖、终态超限时难以确定主要调整对象，以及粗加工后弹性预载释放和工件刚度变化难以准确补偿的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种cnc加工中心的工件定位加工方法，应用于配备在机测头和工件夹具的计算机数字控制（cnc）加工中心，工件夹具能够在定位夹紧状态与加工夹紧状态之间切换。

4、步骤s1：导入工件的名义模型，设置基准点集和变形监测点集，建立名义工件坐标系和初始加工路径。

5、步骤s2：将工件置于工件夹具，在定位夹紧状态下测量基准点集和变形监测点集，获得第一基准数据和第一监测数据，根据第一基准数据确定工件的初始位姿并校核剩余加工余量。

6、步骤s3：将由定位夹紧状态切换至加工夹紧状态的夹紧过程划分为与多个夹紧部位对应的个夹紧阶段，≥2，并按由靠近主定位基准的一侧向远离主定位基准的一侧的顺序执行夹紧动作；在第个夹紧动作前后测量相同的阶段基准点子集和阶段监测点子集，获得相邻夹紧阶段的数据。

7、步骤s4：根据相邻夹紧阶段的阶段基准数据求取第阶段增量刚体偏差，从相邻夹紧阶段的阶段监测数据中扣除所述增量刚体偏差，获得第个夹紧动作对应的阶段局部变形增量；阶段局部变形增量超限时停止后续夹紧动作，返回并调整当前夹紧阶段，阶段局部变形增量合格后再进入下一夹紧阶段。

8、步骤s5：全部夹紧阶段完成后，在加工夹紧状态下测量基准点集和变形监测点集，求取总刚体偏差和最终局部夹紧变形；最终局部夹紧变形超限时，根据各阶段局部变形增量在超限方向上的贡献量确定主要贡献夹紧阶段并返回调整；最终局部夹紧变形合格时，根据总刚体偏差更新工件坐标系，将各阶段局部变形增量分别插值并矢量叠加形成夹紧作用分解的局部夹紧变形场，据此修正加工路径。

9、步骤s6：按照更新后的工件坐标系和修正后的加工路径执行粗加工和/或半精加工。

10、步骤s7：粗加工和/或半精加工完成后，在保持加工夹紧状态的情况下再次测量相同的基准点集和变形监测点集，分离材料去除后的更新刚体偏差和材料去除局部变形增量，将材料去除局部变形增量插值形成材料去除局部变形场并与局部夹紧变形场叠加；据此更新工件坐标系和加工路径，执行精加工并进行在机验证。

11、进一步地，基准点集包括用于拟合主定位基准面的至少三个主基准测量点和用于确定工件方向的至少两个定向测量点；阶段基准点子集包括在各夹紧阶段均可测量的至少三个不共线基准点。阶段监测点子集至少包括当前夹紧部位附近的监测点和当前夹紧部位对应的待精加工区域附近的监测点，以同时反映夹紧输入端和加工响应端的局部位移。

12、进一步地，以相邻夹紧阶段对应阶段基准点之间的距离残差最小为约束，求取第k阶段刚体旋转矩阵和刚体平移向量。对于第个阶段监测点，设相邻阶段的测量坐标分别为,和，则第k个夹紧动作引起的阶段局部变形增量为。由此，每一阶段局部变形增量均已扣除该阶段造成的整体平移和转动。

13、进一步地，阶段变形评价值可采用阶段局部变形增量沿名义加工表面法向的最大绝对分量，或者采用阶段局部变形增量的矢量模。对于最终局部夹紧变形超限的监测点，以其超限变形方向的单位向量作为贡献评价方向，第k夹紧阶段的贡献量为,；根据贡献量大小确定主要贡献夹紧阶段，从而避免在多个夹紧部位之间进行无目标的反复试调。

14、进一步地，设置余量评价点集，根据实测毛坯表面与名义加工表面之间的距离校核剩余加工余量，并在余量不足时输出工件的平移调整量和/或转角调整量。

15、进一步地，对每一通过阶段变形判定的夹紧阶段分别构建阶段局部变形场。对于刀位点，第 个夹紧阶段的局部变形场表示为：，式中，为参与第个夹紧阶段插值的变形监测点数量；为根据第个变形监测点与刀位点之间的空间距离确定并归一化的权重，且满足：，为第个变形监测点在第k个夹紧阶段产生的局部变形增量。将各夹紧阶段的局部变形场统一至同一工件坐标系，并按照相同的变形方向定义进行叠加，得到局部夹紧变形场：。粗加工和/或半精加工后，根据复测数据构建加工后局部变形场，并将其与所述局部夹紧变形场叠加，得到用于精加工路径修正的更新局部变形场：。

16、进一步地，在第一次装夹的低变形余量区域加工包括工艺基准面、第一工艺基准孔和第二工艺基准孔的工艺基准组，并记录工艺基准组与工件坐标系之间的基准变换关系，以便在换面或再次装夹后重建第一次装夹时的工件坐标系。

17、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

18、1、本发明在每一夹紧动作前后测量相同的阶段基准点和阶段监测点，并先扣除相邻阶段的增量刚体偏差，使单次夹紧动作造成的局部变形能够与整体位姿变化分离并与具体夹紧部位建立对应关系。

19、2、本发明对每一阶段局部变形增量设置通过门槛，增量超限时停止后续夹紧并返回调整当前阶段，可防止中间阶段的过量变形被后续反向夹紧抵消掩盖，从源头降低隐藏弹性预载及材料去除后的回弹风险。

20、3、当最终局部夹紧变形超限时，利用各阶段局部变形增量在超限方向上的贡献量确定主要贡献夹紧阶段，使终态检测结果能够反向追溯至具体夹紧动作，减少无目标试调。

21、4、阶段局部变形增量既用于夹紧过程判定和贡献追溯，又分别插值形成阶段变形贡献场并叠加为局部夹紧变形场，同一组阶段数据贯通夹紧控制和加工补偿，形成相互关联的技术链，而非相互独立的测量、调整和插值步骤。

22、5、粗加工或半精加工后保持既定夹紧状态复测，将材料去除局部变形场与夹紧作用分解的局部夹紧变形场在同一坐标系下叠加，可以适应弹性预载释放、内应力释放、局部刚度变化及机床热状态变化，提高精加工路径的针对性。

23、本发明还可通过工艺基准组在换面或再次装夹后重建原工件坐标系，减少多次装夹中的基准累计传递误差。本发明的其他特点和优点将在下面的具体实施方式中进一步说明。