[發明專利]基于特征的數控加工過程控制和優化系統及方法

有效

• 申請號: 201210477959.5
• 申請日: 2012-11-22
• 公開（公告）號: CN102929210A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發明（設計）人: 李迎光;劉長青;郝小忠;劉旭;王偉;黎明
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G05B19/4097
• 分類號: G05B19/4097
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司 32218
• 代理人: 瞿網蘭

1.一種基于特征的數控加工過程控制和優化系統，其特征在于，該系統主要包含離線控制模塊、在線控制與優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完成基于特征的數控編程、構建特征的中間加工狀態、生成檢測與監測文件、創建特征的幾何與工藝信息；在線控制與優化模塊包含兩個CPU與存儲器，一個是供插補用的CNC的內部CPU與存儲器，另外一個是供檢測與監測數據計算用的外部CPU與存儲器，其中離線生成的數控程序傳輸并存儲到CNC的內部存儲器，中間狀態信息、檢測與監測文件、特征的幾何與工藝信息傳輸并存儲在外部存儲器，在線控制與優化模塊根據離線控制模塊離線生成的數控加工程序進行插補進而驅動主軸運動，加工過程中根據監測文件的規劃利用傳感器進行加工狀態的監測，將監測的數據實時傳入外部CPU和存儲器進行分析與處理，將特征的幾何信息與工藝信息一起作為分析的依據，基于特征的監測信號安全域是監測信號分析的參照，將處理的結果傳入內部CPU與存儲器進行執行，按照檢測文件的規劃對工步或工序進行檢測，將檢測到的數據傳入外部CPU和存儲器進行分析與處理，將處理的結果傳入內部CPU進行執行，策略庫模塊主要包含斷刀報警策略、過載預警策略、刀具磨損補償策略和刀軌自動補償策略。

2.根據權利要求1所述的基于特征的數控加工過程控制和優化系統，其特征在于所述的離線控制模塊包括：

（1）基于特征的數控編程：生成特征的數控程序，對每個特征的數控程序進行標識；

（2）構建特征的中間加工狀態：構建每一個加工操作加工后形成的理論形狀與尺寸，作為在線檢測數據的對比依據；

（3）生成檢測與監測文件：基于特征規劃所需檢測與監測的特征、檢測與監測的順序以及檢測與監測的策略，檢測文件的格式為：檢測特征標識、檢測點、檢測方法、檢測點的路徑；監測文件的格式為：監測特征的標識、監測策略；

（4）創建特征的幾何與工藝信息：特征的幾何信息為特征的驅動幾何，用來加工過程中重新生成刀軌，工藝信息為切削參數信息，是刀軌調整與過程監測的數據依據。

3.根據權利要求1所述的基于特征的數控加工過程控制和優化系統，其特征在于所述的在線控制與優化模塊用于：

（1）監測：利用振動傳感器和力傳感器監測加工過程中的振動變化和切削力變化，得到監測信號；

（2）檢測：利用坐標檢測儀和厚度檢測儀檢測加工工序或工步后的加工狀態，得到檢測結果數據；利用刀具磨損檢測儀對刀具磨損進行檢測；

（3）信息分析與處理：利用外部存儲器存儲監測和檢測得到的信號和數據，利用外部CPU計算分析加工狀態；

（4）根據分析結果、特征的幾何與工藝信息以及策略庫中的調整策略，自動進行補償、停機、刀軌策略調整等在線調整以完成在線控制與優化；

（5）將外部CPU的分析計算結果反饋到內部CPU進行調整加工，外部CPU以及存儲器與內部CPU以及存儲器的信息傳遞按照局域網網絡協議進行傳輸。

4.根據權利要求1所述的基于特征的數控加工過程控制和優化系統，其特征在于所述的策略庫模塊能基于特征根據不同的加工狀態做出過載報警、斷刀報警、刀具磨損自動補償和刀軌自動補償，不同的特征對應不同的策略。

5.一種基于特征的數控加工過程控制和優化方法，其特征是它包括以下步驟：

步驟一、特征數控編程；基于零件的特征對零件進行快速規范編程技術，依據結構件的特點，定義結構件的特征為槽、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控加工程序，每個加工特征相應的數控程序用特征的標識符號和序號標識，通過標識號調用特征的檢測信息和監測信息文件，數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、構建特征的中間狀態；首先構建中間狀態的理論面，基于零件的CAD模型的最終狀態選擇所需進行中間加工狀態檢測的面，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將該面偏置一個加工余量的值形成中間加工狀態的理論面；若是五軸加工的面，利用加工該面并形成中間狀態的加工操作的刀具掃略所形成的面作為中間加工狀態的理論面；根據檢測要求，沿精加工刀軌離散出一系列點，把離散點向中間狀態的理論面投影，形成中間狀態檢測點，計算每個檢測點所在位置的中間狀態的理論厚度；?

步驟三、生成檢測與監測文件；規劃需要檢測和監測的特征，生成檢測文件；監測文件則包含了監測策略，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；數控程序檢測信息和監測信息都以特征進行組織，特征的標識號按照步驟一所示方法標識；通過特征的標識號可以獲取數控程序加工的特征位置，然后監測程序根據監測文件在不同的特征啟用不同的監測設備；

步驟四、創建特征的幾何與工藝信息，特征的幾何信息主要包括驅動幾何信息、中心坐標、法向、轉角直徑、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、主軸轉速、切深、切寬、進給速度、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，同時機床功率瞬間加大，此時發出斷刀報警信號立即停機；過載報警策略：當機床轉速過高、機體過熱、電流過大則出現過載現象應立即停機；

步驟七、加工過程中實時監控加工狀態，通過收集的切削力信號和振動信號，應用小波分析等時頻分析方法提取與刀具磨損、破損、斷刀等密切相關的特征量，??以這些特征量的變化判別系統的加工狀態，根據不同的加工狀態做出相應的及時響應；因為監測過程與特征進行相關，所以監測的信號與特征也相關，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辨識提高準確率；

步驟八、在機床上不影響加工的位置固定一個刀具磨損檢測儀，根據檢測文件的規劃，根據數控程序，刀具自動運動到刀具磨損檢測儀進行磨損檢測，得到磨損量，并判斷刀具是否可以繼續使用或者是否需要刀具補償；

步驟九、在線狀態下，利用坐標檢測儀和厚度檢測儀檢測加工工序或工步后的加工狀態，按照特征的檢測數據利用接觸式探頭作為坐標檢測儀對特征檢測點進行坐標檢測，并利用超聲波厚度檢測儀作為厚度檢測儀對特征進行厚度檢測，得到檢測結果數據，基于特征對檢測結果進行分析，分析是否出現加工變形等，分析的方法是利用檢測結果與中間狀態模型進行對比；?

步驟十、通過測量檢測點處工件的實際位置與厚度，得到加工變形與加工誤差，根據公差要求以及刀具磨損量，自適應調整刀軌；

步驟十一、通過步驟十得到的檢測數據，結合策略庫的指導要求通過外部CPU分析調整精加工刀軌并重新生成NC代碼，將結果傳入機床內部CPU執行調整后的刀軌，并重復步驟七實時監測加工過程狀態，根據不同的加工狀態做出過載報警、斷刀報警、刀具磨損自動補償、刀軌自動補償。