扫描式电火花线切割工件边缘形状原位测量与补偿方法 |
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申请号 | CN202310840743.9 | 申请日 | 2023-07-10 | 公开(公告)号 | CN117066617A | 公开(公告)日 | 2023-11-17 |
申请人 | 清华大学; | 发明人 | 韩福柱; 管一琳; | ||||
摘要 | 本 发明 公开了扫描式电火花线切割 工件 边缘形状原位测量与补偿方法,本发明的方法,获取 电极 丝加工工件的切割数据;基于工件加工参数和张 力 控制参数并分别根据上机头运动轨迹和下机头运动轨迹进行电极丝运动,并测量得到电极丝与工件 接触 时产生的 张力 调节轮变化数据;根据张力调节轮变化数据和轨迹规划数据得到在单次测量时电极丝与工件的接触点可能 位置 曲线,并根据所有接触点可能位置曲线得到接触点可能位置曲面;将工件平面与接触点可能位置曲面进行相交处理得到工件边缘形状,并基于工件边缘形状进行 数据处理 以进行加工 精度 补偿。本发明无需取下工件进行测量,能够实现原位测量和后续的误差表征和补偿修正步骤,提高了线切割加工的效率和精度。 | ||||||
权利要求 | 1.一种扫描式电火花线切割工件边缘形状原位测量与补偿方法,其特征在于,包括以下步骤: |
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说明书全文 | 扫描式电火花线切割工件边缘形状原位测量与补偿方法技术领域[0001] 本发明涉及特种加工技术领域,特别是涉及扫描式电火花线切割工件边缘形状原位测量与补偿方法。 背景技术[0002] 电火花线切割加工是通过电火花的放电原理对零件进行加工。将工件接入脉冲电源正极,采用钼丝或铜丝作为切割金属丝,将金属丝接高频脉冲电源负极作为工具电极,利用火花放电对加工零件进行切割。电火花线切割加工技术作为特种加工技术的一种,能够摆脱传统机械力和机械能的限制,对任何硬度、强度、脆性的材料进行加工。该技术凭借适用性强、精度高、成本低等特点,在机械加工领域占有重要地位,广泛应用于汽车、机床生产、航天等工业领域。 [0003] 但线切割难以像其他加工方式一样进行原位测量和精度补偿,现有线切割加工主要以装夹工件→设定参数→加工→取下测量与误差表征→重新装夹新工件→调节参数→加工→取下测量与误差表征……,直到误差满足要求,将加工参数用于批量加工。这种加工方式的加工效率低下,加工精度获得较慢且难以保障,严重影响了加工应用。因此,设计高效精确的原位测量方法和精度补偿方法非常必要。 发明内容[0004] 本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。 [0005] 为此,本发明提出了扫描式电火花线切割工件边缘形状原位测量与补偿方法,能够通过在机床上控制机头运动,使电极丝与工件边缘接触,电极丝在工件边缘进行连续扫描式运动。通过控制电极丝张力恒定,记录张力调节轮的变化数据,结合工件平面数据,获得工件尺寸形状。 [0006] 本发明的另一个目的在于提出一种扫描式电火花线切割工件边缘形状原位测量与补偿装置。 [0007] 为达上述目的,本发明一方面提出一种扫描式电火花线切割工件边缘形状原位测量与补偿方法,包括: [0008] 获取电极丝加工工件的切割数据;其中,所述切割数据,包括工件加工参数、轨迹规划数据、张力控制参数、上机头运动轨迹和下机头运动轨迹; [0009] 基于所述工件加工参数和所述张力控制参数并分别根据上机头运动轨迹和下机头运动轨迹进行电极丝运动,并测量得到电极丝与工件接触时产生的张力调节轮变化数据; [0010] 根据所述张力调节轮变化数据和所述轨迹规划数据得到在单次测量时电极丝与工件的接触点可能位置曲线,并根据所有接触点可能位置曲线得到接触点可能位置曲面; [0012] 本发明实施例的扫描式电火花线切割工件边缘形状原位测量与补偿方法还可以具有以下附加技术特征: [0013] 在本发明的一个实施例中,所述方法,还包括:根据所述张力调节轮变化数据和所述轨迹规划数据得到单次测量时的电极丝长度和上下机头位置。 [0014] 在本发明的一个实施例中,所述张力控制参数,用于控制张力测量与控制装置,所述张力测量与控制装置,包括导丝轮、调节轮和张力传感器;获取电极丝在导丝轮上的E点到调节轮上F点的长度,并划分为圆弧EA、线段AB和圆弧BF; [0015] 以N为起点,记z=O2N,表示张力调节轮在Z方向的位置,z为在测量过程中实时记录的变量;数学模型建立如下: [0016] 导丝轮与调节轮连心线O1O2长度为: [0017] [0018] 圆弧AB的长度为: [0019] [0020] 圆弧BF的长度为: [0021] [0022] 直线AB的长度为: [0023] AB=AM+BM=(r1+r2)·cotα [0024] 上下两机头之间电极丝长度变化为: [0025] Δl=l1‑l0 [0026] =(UD1‑UD0)+(r1+r2)·[(α1+β1+cotα1)‑(α0+β0+cotα0)] [0027] 其中, [0028] [0029] [0030] [0031] 在本发明的一个实施例中,预设上下机头的空间坐标分别为(xu,yu,zu),[0032] (xd,yd,zd),则上下机头之间的电极丝长度为在单次测量的接触点可能位置曲线的平面 内,曲线是以上下机头U、D两点为焦点,以lw为定长的椭圆的一部分;其中,椭圆长轴2a=lw,椭圆焦距 [0033] 在本发明的一个实施例中,所述数据处理,包括图像处理、数据拟合和数据比对中的多种。 [0034] 为达上述目的,本发明另一方面提出一种扫描式电火花线切割工件边缘形状原位测量与补偿装置,包括: [0035] 加工数据获取模块,用于获取电极丝加工工件的切割数据;其中,所述切割数据,包括工件加工参数、轨迹规划数据、张力控制参数、上机头运动轨迹和下机头运动轨迹; [0036] 变化数据计算模块,用于基于所述工件加工参数和所述张力控制参数并分别根据上机头运动轨迹和下机头运动轨迹进行电极丝运动,并测量得到电极丝与工件接触时产生的张力调节轮变化数据; [0037] 接触点位置测量模块,用于根据所述张力调节轮变化数据和所述轨迹规划数据得到在单次测量时电极丝与工件的接触点可能位置曲线,并根据所有接触点可能位置曲线得到接触点可能位置曲面; [0038] 加工精度补偿模块,用于将工件平面与所述接触点可能位置曲面进行相交处理得到工件边缘形状,并基于所述工件边缘形状进行数据处理以进行加工精度补偿。 [0039] 本发明实施例的扫描式电火花线切割工件边缘形状原位测量与补偿方法和装置,解决现有的由于取下测量和重新装夹而带来的影响加工效率和加工精度的问题,并且无需取下工件进行测量,能够实现原位测量和后续的误差表征和补偿修正步骤,提高了线切割加工的效率和精度。 [0041] 本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中: [0042] 图1是根据本发明实施例的扫描式电火花线切割工件边缘形状原位测量与补偿方法的流程图; [0043] 图2是根据本发明实施例的原位测量装置原理图; [0044] 图3是根据本发明实施例的张力测量与控制装置示意图; [0045] 图4是根据本发明实施例的张力调节轮处电极丝伸长量计算示意图; [0046] 图5是根据本发明实施例的单次测量接触点可能位置曲线示意图; [0047] 图6是根据本发明实施例的接触点可能位置曲面示意图; [0048] 图7是根据本发明实施例的工件平面与接触点可能位置曲面相交获得工件边缘形状示意图; [0049] 图8是根据本发明实施例的基于迭代修正的原位测量与精度补偿流程图; [0050] 图9是根据本发明实施例的优化电火花线切割加工流程图; [0051] 图10是根据本发明实施例的扫描式电火花线切割工件边缘形状原位测量与补偿装置的结构示意图。 具体实施方式[0052] 需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。 [0053] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范围。 [0054] 下面参照附图描述根据本发明实施例提出的扫描式电火花线切割工件边缘形状原位测量与补偿方法和装置。 [0055] 图1是本发明实施例的扫描式电火花线切割工件边缘形状原位测量与补偿方法的流程图。 [0056] 如图1所示,该方法包括但不限于以下步骤: [0057] S1,获取电极丝加工工件的切割数据;其中,切割数据,包括工件加工参数、轨迹规划数据、张力控制参数、上机头运动轨迹和下机头运动轨迹; [0058] S2,基于工件加工参数和张力控制参数并分别根据上机头运动轨迹和下机头运动轨迹进行电极丝运动,并测量得到电极丝与工件接触时产生的张力调节轮变化数据; [0059] S3,根据张力调节轮变化数据和轨迹规划数据得到在单次测量时电极丝与工件的接触点可能位置曲线,并根据所有接触点可能位置曲线得到接触点可能位置曲面; [0060] S4,将工件平面与接触点可能位置曲面进行相交处理得到工件边缘形状,并基于工件边缘形状进行数据处理以进行加工精度补偿。 [0061] 具体地,本发明的扫描式电火花线切割工件边缘形状原位测量与补偿方法的实施步骤可以为: [0062] S101,设置加工参数,进行轨迹规划,进行电火花线切割加工; [0063] S102,进行上下机头轨迹规划,设定张力、张力调节轮范围,并开启恒定张力控制; [0064] S103,进行测量程序,上下机头按照规划轨迹运动,带动电极丝与工件接触并产生一定的挠曲变形,自动记录张力调节轮的变化信息。 [0065] S104,根据张力调节轮数据与轨迹规划数据,获得在单次测量时电极丝长度、上下机头位置,从而获得单次测量接触点可能位置曲线。 [0066] S105,将环绕一周的全部测量值均进行第S104步的处理,获得所有接触点可能位置曲线,进行叠加,获得接触点可能位置曲面。 [0067] S106,将工件平面与接触点可能位置曲面进行相交处理,获得工件边缘形状曲线。 [0068] S107,进行图像处理、数据拟合、数据比对等工作,进行后续的误差表征和补偿工作,直到精度满足要求。 [0069] 图2为本发明所提出方法的装置原理示意图。如图2所示,慢走丝电火花线切割机床采用的是单向走丝系统,在运丝系统的基础上改进张力测量和控制装置。电极丝从储丝桶,经过张力测量和控制装置,穿过上机头、下机头,最后经过张力测量和控制装置进入回收卷丝桶。图3为张力测量与控制装置示意图。 [0070] 图4为张力调节轮处电极丝伸长量计算示意图。需要记录的是电极丝从E点到F点的长度,将其分段,可划分为圆弧EA、线段AB、圆弧BF三段。 [0071] 以N为起点,记z=O2N,代表了张力调节轮在Z方向的位置,z即为在测量过程中实时记录的变量。保持恒定送丝和收丝速度,则新丝桶和旧丝桶之间的电极丝总长为定值,只需测得起始状态时(上下机头之间电极丝与工件无接触无变形,且张力保持在设定值)上下机头位置(xu0,yu0,zu0)、(xd0,yd0,zd0),记录此时的z值记为z0。测量时z值则能够反映上下两机头之间的电极丝长度lw。数学模型建立如下: [0072] 导丝轮A与调节轮连心线O1O2长度为: [0073] [0074] 圆弧AB段的长度为: [0075] [0076] 圆弧BF段的长度为: [0077] [0078] 直线段AB段的长度为: [0079] AB=AM+BM=(r1+r2)·cotα [0080] 由此可得上下两机头之间电极丝长度变化为: [0081] Δl=l1‑l0 [0082] =(UD1‑UD0)+(r1+r2)·[(α1+β1+cotα1)‑(α0+β0+cotα0)] [0083] 其中: [0084] [0085] [0086] [0087] 在本发明的一个实施例中,在对电火花线切割加工时,上下机头按照预定轨迹移动,同时进行放电加工。 [0088] 其中,以圆柱形工件加工为例,线切割加工后,进行测量轨迹规划,使得上下机头之间的电极丝能够与工件边缘接触,接触点为P,并令上下机头同步运动,使得在移动过程中,电极丝与工件保持持续性点接触,上下机头之间电极丝具有一定的挠曲变形,直到将上表面边缘测量完毕。 [0089] 其中,张力调节轮的变化情况能够反映电极丝与工件边缘接触点的可能位置,所有可能接触点位置在空间中构成一个曲面。工件平面与该接触点曲面相交得到的曲线即为工件边缘形状。获得该曲线后即可进行数据测量、误差表征、精度补偿。 [0090] 图5所示为单次测量接触点可能位置曲线示意图。张力调节轮记录的单次变化信息即在控制张力恒定情况下,张力调节轮的上下位移大小。张力调节轮向上移动l代表上下机头之间的电极丝额外伸长l。设上下机头的空间坐标分别为(xu,yu,zu),(xd,yd,zd),则上下机头之间的电极丝长度为 因此,在单次测量接触点可能位置曲线平面内,曲线是以上下机头U、D两点为焦点,以lw为定长的椭圆的一部分。其中,椭圆长轴2a=lw,椭圆焦距 [0091] 图6为在测量完整一周之后,根据张力调节轮变化数据,获得的电极丝与工件边缘接触点的可能位置所构成的曲面。该曲面由单次测量接触点可能位置曲线叠加得到。 [0092] 图7为工件平面与接触点可能位置曲面相交获得的工件边缘形状。获得该形状之后,可以通过图像处理、数据拟合、数据比对等工作进行后续的误差表征和补偿工作。 [0093] 图8为基于迭代修正的原位测量与精度补偿流程。利用本发明的原位测量方法,可以实现工件在机床上加工后的形状尺寸精度获取,从而指导补偿修正流程,直至精度达到要求。图9为本发明实施例的优化电火花线切割加工流程图。 [0094] 综上,本发明基于对张力的实时测量和自适应恒定控制,使得电极丝在测量过程中张力能够保持恒定不变。按照入体原则,设置相对于加工轨迹内部的扫描轨迹,使得电极丝与工件接触时有一定的压力,压力变化足以被张力传感器准确记录,从而根据压力变化,对电极丝张力实时调节,保持电极丝张力不变,则工件边缘形状反映在上下机头位置和张力调节轮的变化中。电极丝按照扫描轨迹进行扫描,记录张力调节轮的变化情况,从而得到电极丝的伸长量,可以获得接触点可能位置曲面。结合工件所在平面,建立张力调节轮变化数据与工件边缘尺寸形状的数学模型,从而获得工件边缘尺寸形状。该方法无需取下工件进行测量,能够实现原位测量和后续的误差表征和补偿修正步骤,提高了线切割加工的效率和精度。 [0095] 根据本发明实施例的扫描式电火花线切割工件边缘形状原位测量与补偿方法,解决现有的由于取下测量和重新装夹而带来的影响加工效率和加工精度的问题,通过原位测量和精度补偿,可以缩短加工流程,节省测量时间,从而提高加工效率和加工精度,节省人力物力。 [0096] 为了实现上述实施例,如图10所示,本实施例中还提供了扫描式电火花线切割工件边缘形状原位测量与补偿装置10,该装置10包括,加工数据获取模块100、变化数据计算模块200、接触点位置测量模块300和加工精度补偿模块400。 [0097] 加工数据获取模块100,用于获取电极丝加工工件的切割数据;其中,切割数据,包括工件加工参数、轨迹规划数据、张力控制参数、上机头运动轨迹和下机头运动轨迹; [0098] 变化数据计算模块200,用于基于工件加工参数和张力控制参数并分别根据上机头运动轨迹和下机头运动轨迹进行电极丝运动,并测量得到电极丝与工件接触时产生的张力调节轮变化数据; [0099] 接触点位置测量模块300,用于根据张力调节轮变化数据和轨迹规划数据得到在单次测量时电极丝与工件的接触点可能位置曲线,并根据所有接触点可能位置曲线得到接触点可能位置曲面; [0100] 加工精度补偿模块400,用于将工件平面与接触点可能位置曲面进行相交处理得到工件边缘形状,并基于工件边缘形状进行数据处理以进行加工精度补偿。 [0101] 进一步地,上述接触点位置测量模块300,还用于根据所述张力调节轮变化数据和所述轨迹规划数据得到单次测量时的电极丝长度和上下机头位置。 [0102] 进一步地,张力控制参数,用于控制张力测量与控制装置,所述张力测量与控制装置,包括导丝轮、调节轮和张力传感器;获取电极丝在导丝轮上的E点到调节轮上F点的长度,并划分为圆弧EA、线段AB和圆弧BF; [0103] 以N为起点,记z=O2N,表示张力调节轮在Z方向的位置,z为在测量过程中实时记录的变量;数学模型建立如下: [0104] 导丝轮与调节轮连心线O1O2长度为: [0105] [0106] 圆弧AB的长度为: [0107] [0108] 圆弧BF的长度为: [0109] [0110] 直线AB的长度为: [0111] AB=AM+BM=(r1+r2)·cotα [0112] 上下两机头之间电极丝长度变化为: [0113] Δl=l1‑l0 [0114] =(UD1‑UD0)+(r1+r2)·[(α1+β1+cotα1)‑(α0+β0+cotα0)] [0115] 其中, [0116] [0117] [0118] [0119] 进一步地,预设上下机头的空间坐标分别为(xu,yu,zu),(xd,yd,zd),则上下机头之间的电极丝长度为 在单次测量的接触点可能位置曲线的平面内,曲线是以上下机头U、D两点为焦点,以lw为定长的椭圆的一部分;其中,椭圆长轴2a=lw,椭圆焦距 [0120] [0121] 进一步地,数据处理,包括图像处理、数据拟合和数据比对中的多种。 [0122] 根据本发明实施例的扫描式电火花线切割工件边缘形状原位测量与补偿装置,解决现有的由于取下测量和重新装夹而带来的影响加工效率和加工精度的问题,通过原位测量和精度补偿,可以缩短加工流程,节省测量时间,从而提高加工效率和加工精度,节省人力物力。 [0123] 在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。 [0124] 此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。 |