一种万向角度铣头的使用方法与流程

本发明属于机械加工技术领域，具体涉及一种万向角度铣头的使用方法。

背景技术：

当前，在普通三轴数控铣床上配置万向角度铣头，扩大普通三轴数控机床工艺范围，使其具备3+2五轴定位加工能力，非常适合加工各种重量大、体积大等不宜多次定位的大型模具、模型，尤其在汽车、风电、游艇等有着大型模型加工需求的行业中有着广阔的应用前景。

如图1所示，万向角度铣头的主要包括刀柄1、第一分度刻度盘2、第二分度刻度盘4、第一旋转轴3、第二旋转轴5和刀具6。

目前万向角度铣头的使用多借助测头系统来完成。万向角度铣头每组旋转角度的使用都使用测头系统对两个旋转角度分别进行角度找正对齐操作，操作复杂，调整过程较长，使用不方便。

目前万向角度铣头的普遍使用方法如下：

（1）首先在cad/cam软件中以刀具刀尖点10为刀位点编程，刀具路径的刀位点在机床上对应为万向角度铣头两旋转轴轴线的交点7（参加图2）。

（2）在机床上设定工件坐标系原点时，对刀点选择刀尖点10进行对刀，然后必须将对刀点10转换到万向角度铣头两个旋转轴轴线的交点7（参加图2），使对刀点与编程的刀位点保持一致。

（3）按照工件加工程序中的角度定位要求，使用测头系统辅助万向角度铣头两个旋转轴的角度定位与程序角度要求保持严格一致，此步骤操作难度大。

（4）调用工件加工程序进行加工。

之后，每换一把刀具、万向角度铣头每变换一次角度，就需要重复第（3）步和第（4）步找正对齐万向角度铣头两个旋转轴。

在这个方法中，刀具路径中实际刀位点在机床上对应为万向角度铣头两旋转轴轴线的交点7，实际对刀点在万向角度铣头两个旋转轴轴线的交点7，加工基点为刀具刀尖点10，刀位点、对刀点与加工基点10不一致。cad/cam软件后置处理文件将刀位点坐标通过旋转中心7至刀尖点10的距离23和程序角度自动换算到加工基点刀尖10。如果万向角度铣头实际角度定位26与程序角度25有偏差，那么实际刀尖点28与理论刀尖点27就会发生偏离，加工出现误差，以下分析其转换误差。

在万向角度铣头分度精度19通常为1度。图3中，假设旋转中心7至刀尖点10的距离23为l，分度误差19为a，刀具定位误差24为e。分度误差导致刀具刀尖的定位误差近似为：e≈l×sin(a)。已知分度误差为1°，假设l为250mm，那么，e≈250×sin(1°)=4.363mm，这个误差将直接反映为加工误差，并且，这仅是两个旋转轴中一个旋转轴产生的误差，如果加上另一个旋转轴的误差，叠加在一起的加工误差还要更大，这样的加工误差是不符合生产条件的。

因此，在此法中，万向角度铣头两旋转轴必须严格按照程序角度要求定位。在实际应用中，万向角度铣头分度会借助测头系统进行与程序角度匹配对齐，这种操作实施复杂、过程长，测头系统的使用增加了实施成本。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种万向角度铣头的使用方法，能消除手动操作万向头的角度偏差对加工的影响。

本发明所述的一种万向角度铣头的使用方法，包括以下步骤：

步骤1.在cad/cam软件中制作模型工件的加工程序，程序输出时刀位点选择刀具球心；

步骤2.在机床上找正安装一个正方块，并将该正方块上表面的中心点确定为基准坐标系原点；

步骤3.安装模型工件，测量工件坐标系原点与基准坐标系原点的位置差，将其作为基准坐标系原点与工件坐标系原点的偏置值并记录于数控系统内，用于后续基准坐标系原点向工件坐标系原点的转换；

步骤4.将加工程序导入机床，按照加工程序中的旋转轴角度定位万向角度头上两个旋转轴的角度；

步骤5.在步骤4的旋转轴角度下，以刀具球心为对刀点在正方块上的三个面上对刀，设定基准坐标系原点，机床数控系统将自动把步骤3所记录的偏置值转换到工件坐标系原点；

步骤6.启动加工程序，开始加工。

进一步，在cad/cam软件中设定刀轴矢量后，须以万向头旋转轴的分度误差值（通常小于1度）作为拔模角度界限值对待模型工件数据进行拔模分析；如有“小于拔模角度界限”的区域出现时，则调整刀轴矢量再进行拔模分析，尽可能地不出现“小于拔模角度界限”的区域，或不调整刀轴，将“小于拔模角度界限”区域设为此次加工的禁区，留待下次变换刀轴矢量再行加工。

本发明具有以下优点：本使用方法降低了万向头的制造和装配精度（理论上万向头两个旋转轴的分度误差不大于90度即可），能够降低万向头的制造成本；本使用方法以宽松的分度误差容许，极大地降低了旋转轴角度定位操作的难度；本使用方法可靠地消除了两个旋转轴角度分度误差对模型加工精度的影响，操作简单快捷、加工精度高；本使用方法所需辅助工具简单，实施成本低，实用性强，使万向角度铣头能够以简单经济的方式扩大普通三轴数控机床的工艺范围。

附图说明

图1为万向角度铣头构造示意图；

图2为万向角度铣头旋转中心示意图；

图3为万向角度铣头分度误差示意图；

图4和图5为现有技术的缺点示意图；

图6和图7为本发明的解释图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种万向角度铣头的使用方法，包括以下步骤：

步骤1.在cad/cam软件中制作工件的加工程序，程序输出时刀位点选择刀具球心；

步骤2.在机床上找正安装一个正方块，并将该正方块上表面的中心点确定为基准坐标系原点；

步骤3.安装工件，测量工件坐标系原点与基准坐标系原点的位置差，将其作为基准坐标系原点与工件坐标系原点的偏置值并记录于数控系统内，用于后续基准坐标系原点向工件坐标系原点的转换；

步骤4.将加工程序导入机床，按照加工程序中的旋转轴角度定位万向角度头上两个旋转轴的角度；

步骤5.在步骤4的旋转轴角度下，以刀具球心为对刀点在正方块上的三个面上对刀，设定基准坐标系原点，机床数控系统将自动把步骤3所记录的偏置值转换到工件坐标系原点；

步骤6.启动加工程序，开始加工。

本实施例中，每次变换刀具、变换旋转角度都需要重新对刀，重复步骤4至步骤6即可。

本实施例中，按照加工程序要求手动对两个旋转轴进行角度的粗略定位。

本实施例中，需须设定一个固定点，该固定点与工件坐标系有着明确固定的关系，是万向角度铣头所有不同角度组合下的加工起始点，这里称为基准坐标系原点；实际刀位点和对刀点都设置在刀具球心，加工的基点也为刀具球心；万向角度铣头每变换一次角度必须对刀一次，使对刀点、刀位点、加工基点始终保持一致。

在本实施例中，对刀点设置在刀具的球心17。这样，l=0，刀具定位误差为：e≈0×sin（a）=0mm，由此可见，因为l=0，无论分度误差a为多少，刀具刀尖定位误差e都为0，由此，从原理上消除了分度误差引起的加工误差。

在改进前的方案中，刀位点和对刀点选择在刀具的刀尖点10，刀具的理论位置为8、12（参见图4和图5），因分度误差而定位在9、13（参见图4和图5），这样，实际定位中的刀具外沿与工件轮廓11、14（参见图4和图5）的接触位置相对理论位置发生了变化，产生过切20或切不足21，参见图4和图5。

本实施例中，刀位点选择在刀具球心17，在任一个刀位点上，刀具以刀位点为圆心旋转一个角度（可看作分度误差），刀具的理论位置为15（参见图6）因分度误差而定位在16（参见图6），在这个定位变化中，理论位置与实际位置中的刀具外沿与工件轮廓18（参见图6）的接触位置没有发生变化，即切削结果不变（参见图6）。因此，刀位点选择在刀具球心17使万向角度铣头旋转轴的分度误差在一个比较的大的范围内不会影响切削结果。

由本方法中，万向角度铣头两旋转轴角度定位不需要准确；配合以对刀点设置为刀具球心17和每变换新角度就重新对刀的操作，将加工基点由过去转换获得改变成直接对刀获得，消除了因万向角度铣头角度定位误差带来的各种转换误差。

本实施例中，在3+2五轴定位加工中，当工件数据出现局部拔模角度22小于分度误差时，将可能出现刀具侧切削刃过切20现象（见图7）。对应的解决办法为：在cad/cam软件中设定刀轴矢量后，须以万向头旋转轴的分度误差值（通常小于1度）作为拔模角度界限值对待加工模数据进行拔模分析；如有“小于拔模角度界限”的区域出现时，则调整刀轴矢量再进行拔模分析，尽可能地不出现“小于拔模角度界限”的区域，或不调整刀轴，将“小于拔模角度界限”区域设为此次加工的禁区，留待下次变换刀轴矢量再行加工。

本方法通过刀位点设置在刀具球心和每变换一次角度对刀一次的方式，消除了手动操作万向头的角度偏差对加工的影响，实现了高精度“3+2”五轴定位加工功能。