傳統的機械加工技術普遍遵循“定位—加工”操作模式。在這一模式下，如何按照設計和工藝要求實現被加工零件的精確定位，便成為保證零件加工合格的一個首要問題。解決這一問題的常規途徑有兩條。一是為被加工零件設計精密夾具；二是靠操作者進行精確找正。在采用夾具的情況下，由于夾具的設計、制造和裝調所需周期長且耗資大，因而既延長了制造工期，又增加了產品成本。在靠操作者進行找正的情況下，不但難以達到高的精度，而且需耗費大量的輔助時間，大大降低了機床的利用率。

　　為解決上述問題，本文提出一種基于軟件尋位的數控加工技術，力圖擺脫傳統的過度依賴硬件和操作者經驗的“定位—加工”模式的束縛，以新的概念來實現柔性制造，以期為先進制造技術的發展探索出一條新的途徑。

1 軟件尋位加工的基本概念

　　在傳統機械加工中，定位的含義有兩條：一是在工藝設計階段事先規定工件在加工過程中應處的狀態（工件在機床上的位置與姿態）；二是在加工過程中通過必要的工藝手段（如上述的設計精密夾具和人工找正）來確保工件的實際狀態與預先規定的狀態相符合。顯然，這是一種以硬件為主的被動定位方法。

　　與此相對應，軟件尋位加工的基本概念則是，在加工前不事先規定工件在加工中應處的精確位置與姿態，因而在加工時也就不需要用精密夾具等來保證工件的實際狀態與既定狀態相符合，只需用簡單的緊固夾持元件和裝置（如螺栓、壓板、臺鉗等）將工件適當地、非精確地固定在機床工作臺上即可進行加工。軟件定位加工時刀具的運動軌跡是基于工件實際狀態信息實時產生的，而不是像傳統的“定位—加工”模式那樣事先確定的。也就是說，軟件尋位加工是基于“尋位—加工”這樣一種制造操作模式進行的。

　　這里的“尋位”，即主動找尋工件的位置和確定其姿態。這一操作包括兩方面的內容，一是采用傳感器快速獲取工件表面信息，二是根據獲取的工件表面信息，精確求解出工件的實際狀態。這里的“加工”也不是普通意義上的數控加工，而是一無預定程序的、以工件尋位信息為基礎實時生成刀具運動軌跡所實現的位姿自適應加工。

　　需指出的是：在對工件進行尋位加工時，雖然工件的固定可以是非精確的，但為了有利于尋位和加工的進行，需按照尋位加工工藝規程（與定位加工工藝不同）來實施工件固定。

　　從軟件尋位加工的上述特征可以看到，在采用軟件尋位加工技術的制造系統中，由于不是靠精密夾具這類“硬件”裝置被動地、硬性地約束工件在機床上的狀態，而是允許工件合適地、非精確地固定于機床上，轉而從信息與控制的角度，通過信息采集和分析、自動尋位計算等辦法，主動、靈活地獲取工件的實際狀態信息，并以此為基礎對加工過程進行控制，加工出合格的零件，這就克服了基于“定位—加工”模式的傳統制造技術所存在的生產周期長、靈活性與快速響應性差等弊端。

2 軟件尋位加工中的工件尋位問題

　　為實現軟件尋位加工，必須解決的首要問題是：對于未經過精確定位處理便固定于工作臺上的工件，如何快速準確獲得其實際狀態。對于銑、鉆、鏜類加工，工件尋位的關鍵是找出加工坐標系（與工件固聯的坐標系）與設計坐標系（工藝設計所確定的坐標系）之間的真實關系。

　　加工坐標系與設計坐標系之間的關系可用齊次變換矩陣T表示。為求得T，一個直觀的考慮是在工件上取m（m≥6）個測量點Pi，同時在其CAD模型上找到m個對應點Qi，然后構造一目標函數最后根據最小二乘原理確定變換矩陣T。

　　然而，上述直觀的求解過程是很難實現的，主要困難有以下兩方面。

　　其一，這一求解過程有一基本要求，就是必須找到測量點Pi。在工件CAD模型中的對應點Qi 這一要求在小范圍尋位的情況下尚可滿足，因為在這種情況下，工件的加工坐標系與設計坐標系間的偏移較小，Qi就在Pi附近，根據Pi的取值，即可確定Qi屬于CAD模型的哪一個表面，這也就給出了Pi與CAD模型表面的對應性關系，設與Pi對應的CAD模型表面為Si，則可用Si上與Pi距離最近的點Q'i代替Qi來進行上述求解過程，通過一定次數的迭代，即可逼近真正的Qi，從而求得T。但是，在大范圍尋位的情況下，由于加工坐標系與設計坐標系間的偏移較大，缺乏Pi與CAD模型表面的對應性信息，這時只憑Pi的取值很難推斷Qi到底屬于CAD模型的哪一個表面，即無法確定與Pi相對應的CAD表面Si，因而也就無法通過找Si上與Pi最近距離的點Q'i，并以迭代算法來逼近Qi求出T。

　　其二，要想知道大范圍尋位情況下實測點與CAD模型表面的對應性，僅僅依靠上述m個測量點的信息是遠遠不夠的，而必須采集到有關工件表面輪廓的大量信息。由于測量速度的要求，常規的接觸式測量裝置很難勝任這一任務，而其他高精度快速測量儀器又因價格昂貴而無法普及應用，因此必須采取別的途徑。

　　為解決上述大范圍尋位時遇到的困難，可采取宏觀與微觀相結合的遞階尋位方案。這一方案的基本思想是，將變換矩陣。分解為宏觀粗變換陣Tr和微觀精變換陣TF兩部分

3 軟件尋位加工的控制方法

　　通過上述尋位過程獲取工件實際狀態信息后，如何利用這一信息對加工過程進行實時控制，實現適應工件現實的位姿自適應加工，是軟件尋位加工中所要解決的另一關鍵問題。下面以銑削加工為例，針3種具體情況給出其實現過程。

　　3.1 基于三坐標機床的加工控制

　　在采用三坐標數控銑床進行軟件尋位加工時，可采用基于尋位信息的實時軌跡生成方法對加工過程進行控制。其基本思想是，用尋位過程求得的T-1矩陣將被加工零件的幾何信息變換到加工坐標系下，然后據此實時生成刀具運動軌跡，控制機床運動來完成零件的加工。下面，以加工自由曲面為例來討論這一方法。

　　3.2 基于五坐標機床的加工控制

　　五坐標數控機床是最有利于實現軟件尋位加工的設備。這是因為，五坐標機床可提供兩自由度旋轉功能，使得在許多情況下可以采用普通銑刀代替球頭銑刀進行加工，因而可大幅度提高加工效率。此外，采用五坐標機床后，刀具可沿任意方向進給，非常有利于加工斜孔和斜面，因此有效提高了軟件尋位加工的適應范圍。

　　當被加工表面為曲面時，基于五坐標機床的軟件尋位加工控制與三坐標機床相類似，只不過此時可以利用刀具的姿態控制功能，使刀具軸線與被加工表面法線方向保持最佳關系，從而提高加工質量和效率，并避免加工過程中的干涉。

　　使用五坐標機床除有利于加工復雜曲面外，所帶來的更大好處是可以方便地實現復雜孔系零件的軟件尋位加工。下面以常見的雙轉臺五坐標數控機床為例，介紹這類零件的軟件尋位加工控制過程。首先，用通用緊固夾持元件或裝置將工件固定于數控轉臺上（無須精確定位）；然后，啟動傳感裝置獲取工件表面信息，求解工件實際狀態，得到變換矩陣T；進一步，根據變換矩陣T提供的工件實際狀態信息，對工件安裝時產生的姿態偏差進行校正，即通過控制轉臺運動使工件被加工表面與機床主軸垂直，或使被加工孔的軸線與機床主軸平行；最后，按三坐標加工方法控制機床運行，即可加工出該表面及其上的孔（或孔系）。

　　重復上述過程，對工件其他表面和其上的孔也按同樣方法加工，即可加工出整個零件。

　　3.3 基于六坐標虛擬軸機床的加工控制

　　新型六坐標虛擬軸機床的基本結構如圖1所示。該機床采用由6根驅動桿加動靜平臺等組成的并聯閉鏈結構，可在工件固定的情況下，對機床主軸進行六自由度控制。利用該機床的這一特點，可以方便地實現軟件尋位加工控制，其實現過程如下。

　　首先，通過傳感裝置獲取工件表面信息，并根據前面介紹的方法求解工件實際狀態，即求出變換矩陣T。然后，用T-1對機床主軸單元的位姿原點進行變換，使其與工件的實際位姿相適應.由于主軸單元固定于動平臺上，其位姿由6根驅動桿的長度所決定，因此對主軸的位姿變換可通過對6根驅動桿動端點（與動平臺的連接點）的坐標變換來實現。

4 加工實例

　　為了驗證本文所提出的軟件尋位加工技術的效果，我們自行研制了基于軟件尋位的銑削加工實驗系統。該系統由工件加工主體、擬人化信息感知系統、智能化分析決策和信息處理系統、全數字化控制與驅動系統等組成。其中，加工主體以三坐標數控銑床為基礎構成，加工特殊零件時可加裝數控轉臺，各直線和旋轉運動坐標均由全閉環數字式交流伺服系統驅動。信息感知系統包括視覺系統和觸覺系統2個子系統，其作用是以宏微觀相結合、無接觸與有接觸并舉的方式獲取被加工工件的有關信息。信息處理系統由1臺Pentium。計算機及軟件系統等組成，用于處理視覺和觸覺信息并求解工件實際狀態（工件在工作臺上的位置與姿態）。?？刂乞寗酉到y由工控PC計算機平臺、控制軟件、現場總線網絡系統、接口及驅動裝置等組成，用于完成整個系統的控制任務。

　　在該系統上進行了多種零件的實際加工實驗。圖2所示為加工出的典型曲面零件的照片。經測量，零件各尺寸精度、形位精度均滿足設計要求.由于尋位加工系統不需采用精密夾具，因而節省了夾具設計、制造、裝調等所需的大量準備時間，使單件小批零件的總加工周期比采用夾具的常規定位加工方法縮短了50%以上。

5 結論

　　在采用軟件尋位加工技術的制造系統中，既不需要使用精密夾具對工件進行定位，也不需要由操作者在現場對工件進行位置找正，即可加工出符合要求的零件。這種新的制造技術具有有效縮短制造周期、快速響應市場需求的良好效果。對于曲面類難以精確定位的零件，其效果更加明顯。