專利名稱：基于特征的數(shù)控加工過程控制和優(yōu)化系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于特征的數(shù)控加工過程控制和優(yōu)化系統(tǒng)，尤其涉及離線/在線的數(shù)控加工過程控制和優(yōu)化，屬于CAD (Computer Aided Design,計算機(jī)輔助設(shè)計)/CAPP(Computer Aided Process Planning,計算機(jī)輔助工藝工程設(shè)計)/CAM (Computer AidedManufacturing,計算機(jī)輔助制造)/CNC (Computer Numerical Control,計算機(jī)數(shù)字控制)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著數(shù)控加工行業(yè)的不斷發(fā)展以及用戶要求的不斷提高，數(shù)控加工行業(yè)面向的加工對象越來越趨向于小批次、難加工零件，其對加工精度與生產(chǎn)周期的要求也越來越高。由于數(shù)控加工過程的工況趨向于復(fù)雜，對加工過程的控制提出了更高的要求。尤其是在航空結(jié)構(gòu)件的加工上，由于航空結(jié)構(gòu)件大多為大型整體零部件，加工特征冗雜繁多，因此對數(shù)控加工技術(shù)的要求就更高，一旦加工出現(xiàn)問題，將同時影響到加工成本以及加工效率。在航空件的實(shí)際生產(chǎn)過程中，有些結(jié)構(gòu)件的加工周期要長達(dá)一個半月，雖然在加工過程中雖然有人為的控制，但是并不能時時掌握零件狀況。一旦加工過程出現(xiàn)機(jī)床故障、零件變形或刀位點(diǎn)丟失問題，面臨的是無法挽回的損失，所以一種在線控制、實(shí)時監(jiān)測的方法對于數(shù)控加工領(lǐng)域來說是必要的。目前的在線檢測技術(shù)大部分停留在對加工零件尺寸的實(shí)時監(jiān)測上，對現(xiàn)有的技術(shù)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，陳曉梅等在學(xué)術(shù)期刊《電子機(jī)械工程》2006, 22 (3)，P52-56上發(fā)表的論文“數(shù)控加工尺寸在線檢測技術(shù)的研究與應(yīng)用”，介紹了一種尺寸在線檢測系統(tǒng)的應(yīng)用情況和實(shí)施方法，并闡述了精密零件加工尺寸誤差補(bǔ)償途徑。但是僅僅依靠零件尺寸監(jiān)測并根據(jù)零件的尺寸進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)整顯然滿足不了當(dāng)今數(shù)控行業(yè)的發(fā)展需求。在線監(jiān)測技術(shù)大部分是對刀具狀態(tài)的監(jiān)測，Sukhomay Pal · P. Stephan Heyns等發(fā)表在《JOURNAL OF INTELLIGENT MANUFACTURING)) 2011 (22) P491 - 504 上的學(xué)術(shù)論文“Tool wear monitoring and selection of optimum cutting conditions withprogressive tool wear effect and input uncertainties，，介紹了刀具磨損監(jiān)測方法，并基于監(jiān)測的信息來優(yōu)化切削條件。但刀具的磨損只是監(jiān)測一方面，對于復(fù)雜的加工過程需考慮到刀具狀態(tài)、機(jī)床狀態(tài)和各種中間加工狀態(tài)，并對整個數(shù)控加工過程進(jìn)行優(yōu)化控制以達(dá)到零件加工精度與生產(chǎn)周期的要求。目前的在線監(jiān)測系統(tǒng)沒有將離線工藝準(zhǔn)備和在線優(yōu)化控制進(jìn)行結(jié)合且在線監(jiān)測缺少零件特征的幾何與工藝信息，難以進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測；同時，沒有幾何與工藝信息也難以對加工過程進(jìn)行在線刀軌精確補(bǔ)償。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的數(shù)控加工過程中在線優(yōu)化控制和離線工藝準(zhǔn)備不能有機(jī)結(jié)合，在線檢測的數(shù)據(jù)不能及時反饋到離線文件中，離線的數(shù)據(jù)難以對在線檢測提供幫助的問題，發(fā)明一種基于特征的數(shù)控加工過程控制和優(yōu)化系統(tǒng)，同時提供一種數(shù)控加工過程控制與優(yōu)化方法，不僅將零件的特征定義的更加全面，采用的在線監(jiān)測手段更加多元化，在基于特征的基礎(chǔ)上，針對不同特征采取不同的控制策略，保證了加工質(zhì)量的同時，更是進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了加工智能化。本發(fā)明的技術(shù)方案之一是
一種基于特征的數(shù)控加工過程控制和優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)主要包含離線控制模塊、在線控制與優(yōu)化模塊和策略庫模塊共三個模塊，離線控制模塊主要通過計算機(jī)完成基于特征的數(shù)控編程、構(gòu)建特征的中間加工狀態(tài)、生成檢測與監(jiān)測文件、創(chuàng)建特征的幾何與工藝信息；在線控制與優(yōu)化模塊包含兩個CPU與存儲器，一個是供插補(bǔ)用的CNC的內(nèi)部CPU與存儲器，另外一個是供檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)計算用的外部CPU與存儲器，其中離線生成的數(shù)控程序傳輸并存儲到CNC的內(nèi)部存儲器，中間狀態(tài)信息、檢測與監(jiān)測文件、特征的幾何與工藝信息傳輸并存儲在外部存儲器，在線控制與優(yōu)化模塊根據(jù)離線控制模塊離線生成的數(shù)控加工程序進(jìn)行插補(bǔ)進(jìn)而驅(qū)動主軸運(yùn)動，加工過程中根據(jù)監(jiān)測文件的規(guī)劃利用傳感器進(jìn)行加工狀態(tài)的監(jiān)測，將監(jiān)測的數(shù)據(jù)實(shí)時傳入外部CPU和存儲器進(jìn)行分析與處理，將特征的幾何信息與工藝信息一起作為分析的依據(jù)，基于特征的監(jiān)測信號安全域是監(jiān)測信號分析的參照，將處理的結(jié)果傳入內(nèi)部CPU與存儲器進(jìn)行執(zhí)行，按照檢測文件的規(guī)劃對工步或工序進(jìn)行檢測，將檢測到的數(shù)據(jù)傳入外部CPU和存儲器進(jìn)行分析與處理，將處理的結(jié)果傳入內(nèi)部CPU進(jìn)行執(zhí)行；策略庫模塊主要包含斷刀報警策略、過載預(yù)警策略、刀具磨損補(bǔ)償策略和刀軌自動補(bǔ)償策略。所述的離線控制模塊能進(jìn)行
(1)基于特征的數(shù)控編程生成特征的數(shù)控程序，對每個特征的數(shù)控程序進(jìn)行標(biāo)識；
(2)構(gòu)建特征的中間加工狀態(tài)構(gòu)建每一個加工操作加工后形成的理論形狀與尺寸，作為在線檢測數(shù)據(jù)的對比依據(jù)；
(3)生成檢測與監(jiān)測文件基于特征規(guī)劃所需檢測與監(jiān)測的特征、檢測與監(jiān)測的順序以及檢測與監(jiān)測的策略，檢測文件的格式為檢測特征標(biāo)識、檢測點(diǎn)、檢測方法、檢測點(diǎn)的路徑；監(jiān)測文件的格式為監(jiān)測特征的標(biāo)識、監(jiān)測策略；
(4)創(chuàng)建特征的幾何與工藝信息特征的幾何信息為特征的驅(qū)動幾何，用來加工過程中重新生成刀軌，工藝信息為切削參數(shù)信息，是刀軌調(diào)整與過程監(jiān)測的數(shù)據(jù)依據(jù)。所述的在線控制與優(yōu)化模塊還能進(jìn)行
(1)監(jiān)測利用振動傳感器和力傳感器監(jiān)測加工過程中的振動變化和切削力變化，得到監(jiān)測信號；
(2)檢測利用坐標(biāo)檢測儀和厚度檢測儀檢測加工工序或工步后的加工狀態(tài)，得到檢測結(jié)果數(shù)據(jù)；利用刀具磨損檢測儀對刀具磨損進(jìn)行檢測；
(3)信息分析與處理利用外部存儲器存儲監(jiān)測和檢測得到的信號和數(shù)據(jù)，利用外部CPU計算分析加工狀態(tài)；
(4)根據(jù)分析結(jié)果、特征的幾何與工藝信息以及策略庫中的調(diào)整策略，自動進(jìn)行補(bǔ)償、停機(jī)、刀軌策略調(diào)整等在線調(diào)整以完成在線控制與優(yōu)化；
(5)將外部CPU的分析計算結(jié)果反饋到內(nèi)部CPU進(jìn)行調(diào)整加工。所述的策略庫模塊能根據(jù)不同的加工狀態(tài)做出過載報警、斷刀報警、刀具磨損自動補(bǔ)償和刀軌自動補(bǔ)償，不同的特征對應(yīng)不同的策略。本發(fā)明的技術(shù)方案之二是
一種基于特征的數(shù)控加工方法，其特征是它包括以下步驟
步驟一、特征數(shù)控編程；基于零件的特征對零件進(jìn)行快速規(guī)范編程技術(shù)，依據(jù)結(jié)構(gòu)件的特點(diǎn)，定義結(jié)構(gòu)件的特征為槽、筋、孔、輪廓四大類特征，并依次按照零件槽腔輪廓粗加工、筋精加工、槽精加工、孔精加工、輪廓精加工的順序依次生成零件的數(shù)控加工程序，每個加工特征相應(yīng)的數(shù)控程序用特征的標(biāo)識符號和序號標(biāo)識，通過標(biāo)識號調(diào)用特征的檢測信息和監(jiān)測信息文件，數(shù)控程序中還包含檢測程序，加工過程中可自動將刀具更換為檢測裝置如探頭;
步驟二、構(gòu)建特征的中間狀態(tài)；首先構(gòu)建中間狀態(tài)的理論面，基于零件的CAD模型的最終狀態(tài)選擇所需進(jìn)行中間加工狀態(tài)檢測的面，判斷所選面是三軸加工面還是五軸加工面，若是三軸加工的面，沿該面的外法向方向?qū)⒃撁嫫靡粋€加工余量的值形成中間加工狀態(tài)的理論面；若是五軸加工的面，利用加工該面并形成中間狀態(tài)的加工操作的刀具掃略所形成的面作為中間加工狀態(tài)的理論面；根據(jù)檢測要求，沿精加工刀軌離散出一系列點(diǎn)，把離散點(diǎn)向中間狀態(tài)的理論面投影，形成中間狀態(tài)檢測點(diǎn)，計算每個檢測點(diǎn)所在位置的中間狀態(tài)的理論厚度；
步驟三、生成檢測與監(jiān)測文件；規(guī)劃需要檢測和監(jiān)測的特征，生成檢測文件；監(jiān)測文件則包含了監(jiān)測策略，主要包括所用傳感器的類型、傳感器的安裝及信號的收集和分析；數(shù)控程序檢測信息和監(jiān)測信息都以特征進(jìn)行組織，特征的標(biāo)識號按照步驟一所示方法標(biāo)識；通過特征的標(biāo)識號可以獲取數(shù)控程序加工的特征位置，然后監(jiān)測程序根據(jù)監(jiān)測文件在不同的特征啟用不同的監(jiān)測設(shè)備；
步驟四、創(chuàng)建特征的幾何與工藝信息，特征的幾何信息主要包括驅(qū)動幾何信息、中心坐標(biāo)、法向、轉(zhuǎn)角直徑、槽特征深度、所能允許的最大刀具直徑，特征的工藝信息包括走刀策略、主軸轉(zhuǎn)速、切深、切寬、進(jìn)給速度、下刀角度；
步驟五、加工過程中用力傳感器和振動傳感器收集加工中的切削力信號和振動信號，其中力傳感器安裝在工件毛坯下方，振動傳感器吸附主軸不轉(zhuǎn)動部位；
步驟六、斷刀報警策略，斷刀瞬間功率、振動迅速提升，振動傳感器信號變化明顯，同時機(jī)床功率瞬間加大，此時發(fā)出斷刀報警信號立即停機(jī)；過載報警策略當(dāng)機(jī)床轉(zhuǎn)速過高、機(jī)體過熱、電流過大則出現(xiàn)過載現(xiàn)象應(yīng)立即停機(jī)；
步驟七、加工過程中實(shí)時監(jiān)控加工狀態(tài)，通過收集的切削力信號和振動信號，應(yīng)用小波分析等時頻分析方法提取與刀具磨損、破損、斷刀等密切相關(guān)的特征量，以這些特征量的變化判別系統(tǒng)的加工狀態(tài)，根據(jù)不同的加工狀態(tài)做出相應(yīng)的及時響應(yīng)；因?yàn)楸O(jiān)測過程與特征進(jìn)行相關(guān)，所以監(jiān)測的信號與特征也相關(guān)，基于特征的信號安全域是信號分析的參照，安全域主要包括頻率峰值、時域頻率信號突變值、頻域信號能量譜密度等，信號分析過程考慮特征的幾何信息和工藝信息并以信號的加工狀態(tài)辨識提高準(zhǔn)確率；
步驟八、在機(jī)床上不影響加工的位置固定一個刀具磨損檢測儀，根據(jù)檢測文件的規(guī)劃，根據(jù)數(shù)控程序，刀具自動運(yùn)動到刀具磨損檢測儀進(jìn)行磨損檢測，得到磨損量，并判斷刀具是否可以繼續(xù)使用或者是否需要刀具補(bǔ)償；
步驟九、在線狀態(tài)下，利用坐標(biāo)檢測儀和厚度檢測儀檢測加工工序或工步后的加工狀態(tài)，按照特征的檢測數(shù)據(jù)利用接觸式探頭作為坐標(biāo)檢測儀對特征檢測點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)檢測，并利用超聲波厚度檢測儀作為厚度檢測儀對特征進(jìn)行厚度檢測，得到檢測結(jié)果數(shù)據(jù)，基于特征對檢測結(jié)果進(jìn)行分析，分析是否出現(xiàn)加工變形等。分析的方法是利用檢測結(jié)果與中間狀態(tài)模型進(jìn)行對比。
步驟十、通過測量檢測點(diǎn)處工件的實(shí)際位置與厚度，得到加工變形與加工誤差，根據(jù)公差要求以及刀具磨損量，自適應(yīng)調(diào)整刀軌；步驟十一、通過步驟十得到的檢測數(shù)據(jù)，結(jié)合策略庫的指導(dǎo)要求通過外部CPU分析調(diào)整精加工刀軌并重新生成NC代碼，將結(jié)果傳入機(jī)床內(nèi)部CPU執(zhí)行調(diào)整后的刀軌，并重復(fù)步驟七實(shí)時監(jiān)測加工過程狀態(tài)，根據(jù)不同的加工狀態(tài)做出過載報警、斷刀報警、刀具磨損自動補(bǔ)償、刀軌自動補(bǔ)償。本發(fā)明的有益效果是(I)本發(fā)明通過設(shè)置內(nèi)外兩個存儲器從而使機(jī)床具備了更快的處理速度，可以保證從發(fā)現(xiàn)問題到機(jī)床調(diào)整的快速反饋。
(2)離線控制與在線控制的結(jié)合可以進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)控加工系統(tǒng)，提高了數(shù)控加工過程的執(zhí)行效率。
(3)將幾何信息與工藝信息基于特征進(jìn)行表達(dá)并傳入CNC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了 CAD/CAM/ CNC的集成。
(4)因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)應(yīng)用的編程、驅(qū)動幾何的創(chuàng)建、中間狀態(tài)的構(gòu)建都是基于特征的， 因此其基于特征的控制策略更加全面，即便加工復(fù)雜零件，也可以比較好的調(diào)整機(jī)床，極大的保證了加工質(zhì)量，減少了零件報廢率，實(shí)現(xiàn)了加工智能化。


圖I本發(fā)明的基于特征的數(shù)控加工過程控制和優(yōu)化系統(tǒng)的框架及流程圖。
圖2為構(gòu)建特征中間狀態(tài)示意。
圖3為檢測文件截圖。
圖4為刀軌調(diào)整示意。
圖中I代表中間狀態(tài)加工檢測面，2代表中間加工狀態(tài)理論面，3代表在精加工刀軌上離散的檢測點(diǎn)列，4代表精加工刀軌上離散的檢測點(diǎn)列在中間加工狀 態(tài)理論面上的投影點(diǎn)列；5表示實(shí)際檢測位置,6表示檢測點(diǎn)，7表示調(diào)整后刀位點(diǎn),8代表原始刀位點(diǎn),9 代表檢測面法向，10表示中間狀態(tài)實(shí)際加工狀態(tài)，11表示中間狀態(tài)理論位置，12表示修改后的刀軌。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
實(shí)施例一。
如圖1-4所示。
一種基于特征的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工方法，包括以下各步驟步驟一、特征數(shù)控編程是基于零件的特征對零件進(jìn)行快速規(guī)范編程技術(shù)，依據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的特點(diǎn)，定義飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的特征為槽、筋、孔、輪廓四大類特征，并依次按照零件槽腔輪廓粗加工、筋精加工、槽精加工、孔精加工、輪廓精加工的順序依次生成零件的數(shù)控加工程序，每個加工特征相應(yīng)的數(shù)控程序用特征的標(biāo)識符號和序號標(biāo)識，例如第一個槽特征標(biāo)記為P001。通過標(biāo)識號調(diào)用特征的檢測信息和監(jiān)測信息文件。數(shù)控程序中還包含檢測程序，加工過程中可自動將刀具更換為檢測裝置如探頭。步驟二、構(gòu)建特征的中間狀態(tài)首先構(gòu)建中間狀態(tài)的理論面，基于零件的CAD模型的最終狀態(tài)選擇所需進(jìn)行中間加工狀態(tài)檢測的面，判斷所選面是三軸加工面還是五軸加工面，若是三軸加工的面，沿該面的外法向方向?qū)⒃撁嫫靡粋€加工余量的值形成中間加工 狀態(tài)的理論面；若是五軸加工的面，利用加工該面并形成中間狀態(tài)的加工操作的刀具掃略所形成的面作為中間加工狀態(tài)的理論面。如圖2所示，選擇一槽內(nèi)型面為檢測面，該面為三軸加工面，沿該面的外法向方向?qū)⒃撁嫫靡粋€加工余量的值形成中間加工狀態(tài)的理論面。根據(jù)檢測要求，沿精加工刀軌離散出一系列點(diǎn)，把離散點(diǎn)向中間狀態(tài)的理論面投影，形成中間狀態(tài)檢測點(diǎn)。計算每個檢測點(diǎn)所在位置的中間狀態(tài)的理論厚度。步驟三、生成檢測與監(jiān)測文件。規(guī)劃需要檢測和監(jiān)測的特征，對圖2的內(nèi)型面生成檢測文件，內(nèi)容和格式如圖3所示。監(jiān)測文件則包含了監(jiān)測策略，主要包括所用傳感器的類型、傳感器的安裝及信號的收集和分析。數(shù)控程序檢測信息和監(jiān)測信息都以特征進(jìn)行組織，特征的標(biāo)識號按照步驟一所示方法標(biāo)識。通過特征的標(biāo)識號可以獲取數(shù)控程序加工的特征位置，然后監(jiān)測程序根據(jù)監(jiān)測文件在不同的特征啟用不同的監(jiān)測設(shè)備。步驟四、創(chuàng)建特征的幾何與工藝信息，以槽特征為例，特征的幾何信息主要包括槽特征的驅(qū)動幾何信息、腹板的中心坐標(biāo)、腹板的法向、轉(zhuǎn)角直徑、槽特征深度、所能允許的最大刀具直徑等，特征的工藝信息包括走刀策略、主軸轉(zhuǎn)速、切深、切寬、進(jìn)給速度、下刀角度等。以上信息都以特征進(jìn)行組織。.特征以步驟I所述的方式進(jìn)行唯一標(biāo)識。步驟五、加工過程中用力傳感器和振動傳感器收集加工中的切削力信號和振動信號，其中力傳感器安裝在工件毛坯下方，振動傳感器吸附主軸不轉(zhuǎn)動部位。步驟六、斷刀報警策略，斷刀瞬間功率、振動迅速提升，振動傳感器信號變化明顯，同時機(jī)床功率瞬間加大，此時發(fā)出斷刀報警信號立即停機(jī)。過載報警策略當(dāng)機(jī)床轉(zhuǎn)速過高、機(jī)體過熱、電流過大則出現(xiàn)過載現(xiàn)象應(yīng)立即停機(jī)。步驟七、加工過程中實(shí)時監(jiān)控加工狀態(tài)，通過收集的切削力信號和振動信號，應(yīng)用小波分析等時頻分析方法提取與刀具磨損、破損、斷刀等密切相關(guān)的特征量，以這些特征量的變化判別系統(tǒng)的加工狀態(tài)，根據(jù)不同的加工狀態(tài)做出相應(yīng)的及時響應(yīng)。因?yàn)楸O(jiān)測過程與特征進(jìn)行相關(guān)，所以監(jiān)測的信號與特征也相關(guān)，信號分析過程可考慮特征的幾何信息和工藝信息，可以為信號的加工狀態(tài)辨識提高準(zhǔn)確率。步驟八、在機(jī)床上不影響加工的位置固定一個刀具磨損檢測儀，根據(jù)檢測文件的規(guī)劃，根據(jù)數(shù)控程序，刀具自動運(yùn)動到刀具磨損檢測儀進(jìn)行磨損檢測，得到磨損量，并判斷刀具是否可以繼續(xù)使用或者是否需要刀具補(bǔ)償；
步驟九、利用坐標(biāo)檢測儀和厚度檢測儀檢測加工工序或工步后的加工狀態(tài)，按照特征的檢測數(shù)據(jù)利用接觸式探頭作為坐標(biāo)檢測儀對特征檢測點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)檢測，并利用超聲波厚度檢測儀作為厚度檢測儀對特征進(jìn)行厚度檢測，得到檢測結(jié)果數(shù)據(jù)，基于特征對檢測結(jié)果進(jìn)行分析，分析是否出現(xiàn)加工變形等。分析的方法是利用檢測結(jié)果與中間狀態(tài)模型進(jìn)行對比。步驟十、通過測量檢測點(diǎn)處工件的實(shí)際位置與厚度，得到加工變形與加工誤差，根據(jù)公差要求，自適應(yīng)調(diào)整刀軌，如圖4所示，11為理論中間加工狀態(tài)，而實(shí)際中間加工狀態(tài)是10，產(chǎn)生了一定的加工變形。通過比較實(shí)際檢測位置5和步驟二中理論檢測點(diǎn)6得到加工變形和加工誤差，并在公差允許范圍內(nèi)調(diào)整刀位點(diǎn)，同時刀軌的調(diào)整考慮刀具的磨損量。圖中8為原始刀位點(diǎn)，調(diào)整后到刀位點(diǎn)7，形成新的特征刀軌。步驟十一、通過步驟八得到的檢測數(shù)據(jù)，結(jié)合策略庫的指導(dǎo)要求通過外部CPU分析調(diào)整精加工刀軌并重新生成NC代碼，將結(jié)果傳入機(jī)床內(nèi)部CPU執(zhí)行調(diào)整后的刀軌，并重復(fù)步驟七實(shí)時監(jiān)測加工過程狀態(tài)，根據(jù)不同的加工狀態(tài)做出過載報警、斷刀報警、刀具磨損自動補(bǔ)償、刀軌自動補(bǔ)償。實(shí)施例二。如圖I。一種基于特征的數(shù)控加工過程控制和優(yōu)化系統(tǒng)，它包括
一離線控制模塊；離線控制模塊主要通過計算機(jī)完成基于特征的數(shù)控編程、構(gòu)建特征的中間加工狀態(tài)、生成檢測與監(jiān)測文件、創(chuàng)建特征的幾何與工藝信息；在線控制與優(yōu)化模塊包含兩個CPU與存儲器，一個是供插補(bǔ)用的CNC的內(nèi)部CPU與存儲器，另外一個是供檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)計算用的外部CPU與存儲器，其中離線生成的數(shù)控程序傳輸并存儲到CNC的內(nèi)部存儲器，中間狀態(tài)信息、檢測與監(jiān)測文件、特征的幾何與工藝信息傳輸并存儲在外部存儲器。所述的離線控制模塊的主要功能和需完成的任務(wù)包括
(1)基于特征的數(shù)控編程生成特征的數(shù)控程序，對每個特征的數(shù)控程序進(jìn)行標(biāo)識；
(2)構(gòu)建特征的中間加工狀態(tài)構(gòu)建每一個加工操作加工后形成的理論形狀與尺寸，作為在線檢測數(shù)據(jù)的對比依據(jù)；
(3)生成檢測與監(jiān)測文件基于特征規(guī)劃所需檢測與監(jiān)測的特征、檢測與監(jiān)測的順序以及檢測與監(jiān)測的策略，檢測文件的格式為檢測特征標(biāo)識、檢測點(diǎn)、檢測方法、檢測點(diǎn)的路徑；監(jiān)測文件的格式為監(jiān)測特征的標(biāo)識、監(jiān)測策略；
(4)創(chuàng)建特征的幾何與工藝信息特征的幾何信息為特征的驅(qū)動幾何，用來加工過程中重新生成刀軌，工藝信息為切削參數(shù)信息，是刀軌調(diào)整與過程監(jiān)測的數(shù)據(jù)依據(jù)。一在線控制與優(yōu)化模塊；在線控制與優(yōu)化模塊包含兩個CPU與存儲器，一個是供插補(bǔ)用的CNC的內(nèi)部CPU與存儲器，另外一個是供檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)計算用的外部CPU與存儲器，其中離線生成的數(shù)控程序傳輸并存儲到CNC的內(nèi)部存儲器，中間狀態(tài)信息、檢測與監(jiān)測文件、特征的幾何與工藝信息傳輸并存儲在外部存儲器，在線控制與優(yōu)化模塊根據(jù)離線控制模塊離線生成的數(shù)控加工程序進(jìn)行插補(bǔ)進(jìn)而驅(qū)動主軸運(yùn)動，加工過程中根據(jù)監(jiān)測文件的規(guī)劃利用傳感器進(jìn)行加工狀態(tài)的監(jiān)測，將監(jiān)測的數(shù)據(jù)實(shí)時傳入外部CPU和存儲器進(jìn)行分析與處理，將特征的幾何信息與工藝信息一起作為分析的依據(jù)，基于特征的監(jiān)測信號安全域是監(jiān)測信號分析的參照，將處理的結(jié)果傳入內(nèi)部CPU與存儲器進(jìn)行執(zhí)行，按照檢測文件的規(guī)劃對工步或工序進(jìn)行檢測，將檢測到的數(shù)據(jù)傳入外部CPU和存儲器進(jìn)行分析與處理，將處理的結(jié)果傳入內(nèi)部CPU進(jìn)行執(zhí)行。在線控制與優(yōu)化模塊的主要功能和需完成的任務(wù)有
(1)監(jiān)測利用振動傳感器和力傳感器監(jiān)測加工過程中的振動變化和切削力變化，得到監(jiān)測信號；
(2)檢測利用坐標(biāo)檢測儀和厚度檢測儀檢測加工工序或工步后的加工狀態(tài)，得到檢測結(jié)果數(shù)據(jù)；
(3)信息分析與處理利用外部存儲器存儲監(jiān)測和檢測得到的信號和數(shù)據(jù)，利用外部CPU計算分析加工狀態(tài)；(4)根據(jù)分析結(jié)果、特征的幾何與工藝信息以及策略庫中的調(diào)整策略，自動進(jìn)行補(bǔ)償、 停機(jī)、刀軌策略調(diào)整等在線調(diào)整以完成在線控制與優(yōu)化；(5)將外部CPU的分析計算結(jié)果反饋到內(nèi)部CPU進(jìn)行調(diào)整加工。
一策略庫模塊策略庫模塊主要包含基于特征的刀軌生成策略庫和在線調(diào)整策略庫。所述的策略庫模塊能根據(jù)不同的加工狀態(tài)做出過載報警、斷刀報警、刀具磨損自動補(bǔ)償和刀軌自動補(bǔ)償。刀軌生成策略庫里包含不同特征的不同刀軌策略。
本發(fā)明未涉及部分與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種基于特征的數(shù)控加工過程控制和優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)主要包含離線控制模塊、在線控制與優(yōu)化模塊和策略庫模塊共三個模塊，離線控制模塊主要通過計算機(jī)完成基于特征的數(shù)控編程、構(gòu)建特征的中間加工狀態(tài)、生成檢測與監(jiān)測文件、創(chuàng)建特征的幾何與工藝信息；在線控制與優(yōu)化模塊包含兩個CPU與存儲器，一個是供插補(bǔ)用的CNC的內(nèi)部CPU與存儲器，另外一個是供檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)計算用的外部CPU與存儲器，其中離線生成的數(shù)控程序傳輸并存儲到CNC的內(nèi)部存儲器，中間狀態(tài)信息、檢測與監(jiān)測文件、特征的幾何與工藝信息傳輸并存儲在外部存儲器，在線控制與優(yōu)化模塊根據(jù)離線控制模塊離線生成的數(shù)控加工程序進(jìn)行插補(bǔ)進(jìn)而驅(qū)動主軸運(yùn)動，加工過程中根據(jù)監(jiān)測文件的規(guī)劃利用傳感器進(jìn)行加工狀態(tài)的監(jiān)測，將監(jiān)測的數(shù)據(jù)實(shí)時傳入外部CPU和存儲器進(jìn)行分析與處理，將特征的幾何信息與工藝信息一起作為分析的依據(jù)，基于特征的監(jiān)測信號安全域是監(jiān)測信號分析的參照，將處理的結(jié)果傳入內(nèi)部CPU與存儲器進(jìn)行執(zhí)行，按照檢測文件的規(guī)劃對工步或工序進(jìn)行檢測，將檢測到的數(shù)據(jù)傳入外部CPU和存儲器進(jìn)行分析與處理，將處理的結(jié)果傳入內(nèi)部CPU進(jìn)行執(zhí)行，策略庫模塊主要包含斷刀報警策略、過載預(yù)警策略、刀具磨損補(bǔ)償策略和刀軌自動補(bǔ)償策略。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于特征的數(shù)控加工過程控制和優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于所述的離線控制模塊包括(1)基于特征的數(shù)控編程生成特征的數(shù)控程序，對每個特征的數(shù)控程序進(jìn)行標(biāo)識；(2)構(gòu)建特征的中間加工狀態(tài)構(gòu)建每一個加工操作加工后形成的理論形狀與尺寸，作為在線檢測數(shù)據(jù)的對比依據(jù)；(3)生成檢測與監(jiān)測文件基于特征規(guī)劃所需檢測與監(jiān)測的特征、檢測與監(jiān)測的順序以及檢測與監(jiān)測的策略，檢測文件的格式為檢測特征標(biāo)識、檢測點(diǎn)、檢測方法、檢測點(diǎn)的路徑；監(jiān)測文件的格式為監(jiān)測特征的標(biāo)識、監(jiān)測策略；(4)創(chuàng)建特征的幾何與工藝信息特征的幾何信息為特征的驅(qū)動幾何，用來加工過程中重新生成刀軌，工藝信息為切削參數(shù)信息，是刀軌調(diào)整與過程監(jiān)測的數(shù)據(jù)依據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于特征的數(shù)控加工過程控制和優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于所述的在線控制與優(yōu)化模塊用于(1)監(jiān)測利用振動傳感器和力傳感器監(jiān)測加工過程中的振動變化和切削力變化，得到監(jiān)測信號；(2)檢測利用坐標(biāo)檢測儀和厚度檢測儀檢測加工工序或工步后的加工狀態(tài)，得到檢測結(jié)果數(shù)據(jù)；利用刀具磨損檢測儀對刀具磨損進(jìn)行檢測；(3)信息分析與處理利用外部存儲器存儲監(jiān)測和檢測得到的信號和數(shù)據(jù)，利用外部CPU計算分析加工狀態(tài)；(4)根據(jù)分析結(jié)果、特征的幾何與工藝信息以及策略庫中的調(diào)整策略，自動進(jìn)行補(bǔ)償、停機(jī)、刀軌策略調(diào)整等在線調(diào)整以完成在線控制與優(yōu)化；(5)將外部CPU的分析計算結(jié)果反饋到內(nèi)部CPU進(jìn)行調(diào)整加工，外部CPU以及存儲器與內(nèi)部CPU以及存儲器的信息傳遞按照局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行傳輸。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于特征的數(shù)控加工過程控制和優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于所述的策略庫模塊能基于特征根據(jù)不同的加工狀態(tài)做出過載報警、斷刀報警、刀具磨損自動補(bǔ)償和刀軌自動補(bǔ)償，不同的特征對應(yīng)不同的策略。
5.一種基于特征的數(shù)控加工過程控制和優(yōu)化方法，其特征是它包括以下步驟步驟一、特征數(shù)控編程；基于零件的特征對零件進(jìn)行快速規(guī)范編程技術(shù)，依據(jù)結(jié)構(gòu)件的特點(diǎn)，定義結(jié)構(gòu)件的特征為槽、筋、孔、輪廓四大類特征，并依次按照零件槽腔輪廓粗加工、筋精加工、槽精加工、孔精加工、輪廓精加工的順序依次生成零件的數(shù)控加工程序，每個加工特征相應(yīng)的數(shù)控程序用特征的標(biāo)識符號和序號標(biāo)識，通過標(biāo)識號調(diào)用特征的檢測信息和監(jiān)測信息文件，數(shù)控程序中還包含檢測程序，加工過程中可自動將刀具更換為檢測裝置如探頭;步驟二、構(gòu)建特征的中間狀態(tài)；首先構(gòu)建中間狀態(tài)的理論面，基于零件的CAD模型的最終狀態(tài)選擇所需進(jìn)行中間加工狀態(tài)檢測的面，判斷所選面是三軸加工面還是五軸加工面，若是三軸加工的面，沿該面的外法向方向?qū)⒃撁嫫靡粋€加工余量的值形成中間加工狀態(tài)的理論面；若是五軸加工的面，利用加工該面并形成中間狀態(tài)的加工操作的刀具掃略所形成的面作為中間加工狀態(tài)的理論面；根據(jù)檢測要求，沿精加工刀軌離散出一系列點(diǎn)，把離散點(diǎn)向中間狀態(tài)的理論面投影，形成中間狀態(tài)檢測點(diǎn)，計算每個檢測點(diǎn)所在位置的中間狀態(tài)的理論厚度；步驟三、生成檢測與監(jiān)測文件；規(guī)劃需要檢測和監(jiān)測的特征，生成檢測文件；監(jiān)測文件則包含了監(jiān)測策略，主要包括所用傳感器的類型、傳感器的安裝及信號的收集和分析；數(shù)控程序檢測信息和監(jiān)測信息都以特征進(jìn)行組織，特征的標(biāo)識號按照步驟一所示方法標(biāo)識；通過特征的標(biāo)識號可以獲取數(shù)控程序加工的特征位置，然后監(jiān)測程序根據(jù)監(jiān)測文件在不同的特征啟用不同的監(jiān)測設(shè)備；步驟四、創(chuàng)建特征的幾何與工藝信息，特征的幾何信息主要包括驅(qū)動幾何信息、中心坐標(biāo)、法向、轉(zhuǎn)角直徑、槽特征深度、所能允許的最大刀具直徑，特征的工藝信息包括走刀策略、主軸轉(zhuǎn)速、切深、切寬、進(jìn)給速度、下刀角度；步驟五、加工過程中用力傳感器和振動傳感器收集加工中的切削力信號和振動信號，其中力傳感器安裝在工件毛坯下方，振動傳感器吸附主軸不轉(zhuǎn)動部位；步驟六、斷刀報警策略，斷刀瞬間功率、振動迅速提升，振動傳感器信號變化明顯，同時機(jī)床功率瞬間加大，此時發(fā)出斷刀報警信號立即停機(jī)；過載報警策略當(dāng)機(jī)床轉(zhuǎn)速過高、機(jī)體過熱、電流過大則出現(xiàn)過載現(xiàn)象應(yīng)立即停機(jī)；步驟七、加工過程中實(shí)時監(jiān)控加工狀態(tài)，通過收集的切削力信號和振動信號，應(yīng)用小波分析等時頻分析方法提取與刀具磨損、破損、斷刀等密切相關(guān)的特征量，以這些特征量的變化判別系統(tǒng)的加工狀態(tài)，根據(jù)不同的加工狀態(tài)做出相應(yīng)的及時響應(yīng)；因?yàn)楸O(jiān)測過程與特征進(jìn)行相關(guān)，所以監(jiān)測的信號與特征也相關(guān)，基于特征的信號安全域是信號分析的參照，安全域主要包括頻率峰值、時域頻率信號突變值、頻域信號能量譜密度等，分析過程考慮特征的幾何信息和工藝信息并以信號的加工狀態(tài)辨識提高準(zhǔn)確率；步驟八、在機(jī)床上不影響加工的位置固定一個刀具磨損檢測儀，根據(jù)檢測文件的規(guī)劃，根據(jù)數(shù)控程序，刀具自動運(yùn)動到刀具磨損檢測儀進(jìn)行磨損檢測，得到磨損量，并判斷刀具是否可以繼續(xù)使用或者是否需要刀具補(bǔ)償；步驟九、在線狀態(tài)下，利用坐標(biāo)檢測儀和厚度檢測儀檢測加工工序或工步后的加工狀態(tài)，按照特征的檢測數(shù)據(jù)利用接觸式探頭作為坐標(biāo)檢測儀對特征檢測點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)檢測，并利用超聲波厚度檢測儀作為厚度檢測儀對特征進(jìn)行厚度檢測，得到檢測結(jié)果數(shù)據(jù)，基于特征對檢測結(jié)果進(jìn)行分析，分析是否出現(xiàn)加工變形等，分析的方法是利用檢測結(jié)果與中間狀態(tài)模型進(jìn)行對比；步驟十、通過測量檢測點(diǎn)處工件的實(shí)際位置與厚度，得到加工變形與加工誤差，根據(jù)公差要求以及刀具磨損量，自適應(yīng)調(diào)整刀軌；步驟十一、通過步驟十得到的檢測數(shù)據(jù)，結(jié)合策略庫的指導(dǎo)要求通過外部CPU分析調(diào)整精加工刀軌并重新生成NC代碼，將結(jié)果傳入機(jī)床內(nèi)部CPU執(zhí)行調(diào)整后的刀軌，并重復(fù)步驟七實(shí)時監(jiān)測加工過程狀態(tài)，根據(jù)不同的加工狀態(tài)做出過載報警、斷刀報警、刀具磨損自動補(bǔ)償、刀軌自動補(bǔ)償。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于特征的數(shù)控加工過程控制和優(yōu)化系統(tǒng)及方法。該系統(tǒng)包括離線控制、在線控制與優(yōu)化和策略庫三大模塊。離線控制通過計算機(jī)完成基于特征的數(shù)控編程、構(gòu)建特征的中間加工狀態(tài)、生成檢測與監(jiān)測文件、創(chuàng)建驅(qū)動幾何等功能，并將生成的數(shù)據(jù)傳到機(jī)床。在線控制與優(yōu)化模塊通過檢測與監(jiān)測設(shè)備將加工過程中得到的零件信息實(shí)時反饋到機(jī)床外部存儲器上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對加工過程出現(xiàn)的問題發(fā)出警報，并根據(jù)預(yù)先定義的控制策略進(jìn)行補(bǔ)償、停機(jī)等在線調(diào)整以完成在線控制與優(yōu)化。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了CAM/CNC的集成，在線檢測與監(jiān)測實(shí)現(xiàn)了數(shù)控加工過程的自適應(yīng)性與智能化，基于特征的控制策略保證了加工質(zhì)量，降低了零件報廢率，提高了生產(chǎn)效率。
文檔編號G05B19/4097GK102929210SQ201210477959
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月22日
發(fā)明者李迎光, 劉長青, 郝小忠, 劉旭, 王偉, 黎明 申請人:南京航空航天大學(xué)