一种基于软件寻位的数控加工技术

　　传统的机械加工技术普遍遵循“定位—加工”操作模式。在这一模式下，如何按照设计和工艺要求实现被加工零件的精确定位，便成为保证零件加工合格的一个首要问题。解决这一问题的常规途径有两条。一是为被加工零件设计精密夹具；二是靠操作者进行精确找正。在采用夹具的情况下，由于夹具的设计、制造和装调所需周期长且耗资大，因而既延长了制造工期，又增加了产品成本。在靠操作者进行找正的情况下，不但难以达到高的精度，而且需耗费大量的辅助时间，大大降低了机床的利用率。

　　为解决上述问题，本文提出一种基于软件寻位的数控加工技术，力图摆脱传统的过度依赖硬件和操作者经验的“定位—加工”模式的束缚，以新的概念来实现柔性制造，以期为先进制造技术的发展探索出一条新的途径。

1 软件寻位加工的基本概念

　　在传统机械加工中，定位的含义有两条：一是在工艺设计阶段事先规定工件在加工过程中应处的状态（工件在机床上的位置与姿态）；二是在加工过程中通过必要的工艺手段（如上述的设计精密夹具和人工找正）来确保工件的实际状态与预先规定的状态相符合。显然，这是一种以硬件为主的被动定位方法。

　　与此相对应，软件寻位加工的基本概念则是，在加工前不事先规定工件在加工中应处的精确位置与姿态，因而在加工时也就不需要用精密夹具等来保证工件的实际状态与既定状态相符合，只需用简单的紧固夹持元件和装置（如螺栓、压板、台钳等）将工件适当地、非精确地固定在机床工作台上即可进行加工。软件定位加工时刀具的运动轨迹是基于工件实际状态信息实时产生的，而不是像传统的“定位—加工”模式那样事先确定的。也就是说，软件寻位加工是基于“寻位—加工”这样一种制造操作模式进行的。

　　这里的“寻位”，即主动找寻工件的位置和确定其姿态。这一操作包括两方面的内容，一是采用传感器快速获取工件表面信息，二是根据获取的工件表面信息，精确求解出工件的实际状态。这里的“加工”也不是普通意义上的数控加工，而是一无预定程序的、以工件寻位信息为基础实时生成刀具运动轨迹所实现的位姿自适应加工。

　　需指出的是：在对工件进行寻位加工时，虽然工件的固定可以是非精确的，但为了有利于寻位和加工的进行，需按照寻位加工工艺规程（与定位加工工艺不同）来实施工件固定。

　　从软件寻位加工的上述特征可以看到，在采用软件寻位加工技术的制造系统中，由于不是靠精密夹具这类“硬件”装置被动地、硬性地约束工件在机床上的状态，而是允许工件合适地、非精确地固定于机床上，转而从信息与控制的角度，通过信息采集和分析、自动寻位计算等办法，主动、灵活地获取工件的实际状态信息，并以此为基础对加工过程进行控制，加工出合格的零件，这就克服了基于“定位—加工”模式的传统制造技术所存在的生产周期长、灵活性与快速响应性差等弊端。

2 软件寻位加工中的工件寻位问题

　　为实现软件寻位加工，必须解决的首要问题是：对于未经过精确定位处理便固定于工作台上的工件，如何快速准确获得其实际状态。对于铣、钻、镗类加工，工件寻位的关键是找出加工坐标系（与工件固联的坐标系）与设计坐标系（工艺设计所确定的坐标系）之间的真实关系。

　　加工坐标系与设计坐标系之间的关系可用齐次变换矩阵T表示。为求得T，一个直观的考虑是在工件上取m（m≥6）个测量点Pi，同时在其CAD模型上找到m个对应点Qi，然后构造一目标函数最后根据最小二乘原理确定变换矩阵T。

　　然而，上述直观的求解过程是很难实现的，主要困难有以下两方面。

　　其一，这一求解过程有一基本要求，就是必须找到测量点Pi。在工件CAD模型中的对应点Qi 这一要求在小范围寻位的情况下尚可满足，因为在这种情况下，工件的加工坐标系与设计坐标系间的偏移较小，Qi就在Pi附近，根据Pi的取值，即可确定Qi属于CAD模型的哪一个表面，这也就给出了Pi与CAD模型表面的对应性关系，设与Pi对应的CAD模型表面为Si，则可用Si上与Pi距离最近的点Q'i代替Qi来进行上述求解过程，通过一定次数的迭代，即可逼近真正的Qi，从而求得T。但是，在大范围寻位的情况下，由于加工坐标系与设计坐标系间的偏移较大，缺乏Pi与CAD模型表面的对应性信息，这时只凭Pi的取值很难推断Qi到底属于CAD模型的哪一个表面，即无法确定与Pi相对应的CAD表面Si，因而也就无法通过找Si上与Pi最近距离的点Q'i，并以迭代算法来逼近Qi求出T。

　　其二，要想知道大范围寻位情况下实测点与CAD模型表面的对应性，仅仅依靠上述m个测量点的信息是远远不够的，而必须采集到有关工件表面轮廓的大量信息。由于测量速度的要求，常规的接触式测量装置很难胜任这一任务，而其他高精度快速测量仪器又因价格昂贵而无法普及应用，因此必须采取别的途径。

　　为解决上述大范围寻位时遇到的困难，可采取宏观与微观相结合的递阶寻位方案。这一方案的基本思想是，将变换矩阵。分解为宏观粗变换阵Tr和微观精变换阵TF两部分，即