开放式智能铣削加工系统及基于该系统的铣削加工方法

摘要

开放式智能铣削加工系统及基于该系统的铣削加工方法，属于机械加工领域。本发明为了解决现有采用离线算法进行优化的铣削加工系统，其离线优化的加工参数不能维持加工目标总是最优的问题。本发明包括三向压电式测力仪传感器、A/D转换电路、工业PC机、PCI数据采集卡、铣削控制器、SoftSERCANS通讯卡、输入输出模块和n个伺服驱动器，实时采集工件与刀具间相互作用产生的切削力，并由铣削控制器获取进给倍率，进而获取新的进给速度作为刀具下一个进给速度，确定机床的下一位置，并将该位置指令由铣削控制器通过SoftSERCANS通讯卡和输入输出模块传至相应的伺服驱动器，控制相应的刀具运动，实现加工过程的智能控制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种开放式智能铣削加工系统及基于该系统的铣削加工方法，属于机械加 工领域。

背景技术

实现加工过程的自动化、智能化一直是现代制造技术发展的两个主要目标。在传统的 金属切削加工过程中，为了防止机床过载和保护刀具，以及消除各种不确定因素的影响， 切削用量往往是通过查有关机械加工工艺手册凭经验确定，为确保加工过程稳定，加工中 往往只允许对关键参数(如进给速度、主轴转速等)设定一次。这使得加工时间延长，并 且由于切削力的波动造成了刀具的变形，由于切削负荷造成了过早的刀具磨损，降低了工 件加工质量。目前，为提高加工效率，加工参数通常通过离线算法进行优化，由于在实际 加工过程中加工工况不断变化(如刀具磨损、热量产生、过程扰动等)，使离线优化的加 工参数不能维持加工目标总是最优，并且在加工过程中关键参数也不能实时被调整，从而 影响数控加工的效率。

发明内容

本发明目的是为了解决现有采用离线算法进行优化的铣削加工系统，其离线优化的加 工参数不能维持加工目标总是最优，并且在加工过程中关键参数也不能实时被调整，从而 影响数控加工的效率的问题，提供了一种开放式智能铣削加工系统及基于该系统的铣削加 工方法。

本发明所述开放式智能铣削加工系统，它包括三向压电式测力仪传感器、A/D转换电 路、工业PC机、PCI数据采集卡、铣削控制器、SoftSERCANS通讯卡、输入输出模块和 n个伺服驱动器，n为大于1的自然数，

PCI数据采集卡、铣削控制器和SoftSERCANS通讯卡设置在工业PC机上，

三向压电式测力仪传感器采集工件与刀具间相互作用产生的切削力，三向压电式测力 仪传感器的信号输出端与A/D转换电路的输入端相连，A/D转换电路的输出端与PCI数 据采集卡的输入端相连，PCI数据采集卡的输出端与铣削控制器的输入端相连，铣削控制 器的控制信号输入输出端与SoftSERCANS通讯卡的第一输入输出端相连，SoftSERCANS 通讯卡的第二输入输出端与输入输出模块的控制信号输入输出端相连，输入输出模块的每 个驱动输入输出端连接一个伺服驱动器。

铣削控制器包括控制模块、人机接口模块、任务协调模块、译码模块、插补与加减速 模块和轴运动模块，上述各个模块采用软件编程实现，模块间采用API接口实现连接；

人机接口模块接收外部输入的系统参数设定命令、机床工作命令和零件加工NC程序 文件，人机接口模块的输出端与任务协调模块的第一输入端相连，任务协调模块的第二输 入端与PCI数据采集卡的输出端相连，任务协调模块的译码输入输出端与译码模块的输 入输出端相连，任务协调模块的调用数据输入输出端与控制模块的调用输入输出端相连， 任务协调模块的运动指令输出端与插补与加减速模块的运动指令输入端相连，控制模块的 进给倍率输出端与插补与加减速模块的进给倍率输入端相连，插补与加减速模块的速度指 令输出端与轴运动模块的输入端相连，轴运动模块的控制信号输入输出端与 SoftSERCANS通讯卡的第一输入输出端相连。

基于上述的开放式智能铣削加工系统的铣削加工方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、切削加工任务的设定：铣削控制器的人机接口模块接收零件加工NC程序文 件，并通过任务协调模块分配给译码模块进行译码，译码后形成的切削加工任务返回给任 务协调模块；

步骤二、任务协调模块根据切削加工任务下达运动指令给插补与加减速模块，再通过 轴运动模块从加工铣削控制器输出，该运动指令用于控制伺服驱动器进而控制刀具进行切 削运动；

步骤三、三向压电式测力仪传感器实时采集工件与刀具间相互作用产生的切削力，并 经过A/D转换电路将模拟量切削力转换成数字量切削力，所述数字量切削力由PCI数据 采集卡采集后发送给铣削控制器；

步骤四、铣削控制器的控制模块根据接收到的数字量切削力获取进给倍率ξ，进而获 取新的进给速度，所述新的进给速度作为刀具下一个进给速度；

步骤五、插补与加减速模块根据步骤四获取的新的进给速度确定机床的下一位置，并 将该位置指令由铣削控制器通过SoftSERCANS通讯卡和输入输出模块传至相应的伺服驱 动器，控制相应的刀具运动；

重复执行步骤二至步骤五，直至完成步骤一中零件加工NC程序文件设定的加工任 务。

本发明的有益效果：本发明所述开放式智能铣削加工系统能够在加工过程中实现同步 采集工件和刀具间相互作用产生的切削力，通过分析、处理采集的切削力，并调用集成至 控制模块中控制算法实现对数控加工参数(进给速度、主轴转速)的实时调整，实现加工 过程的智能控制。

数据采集基于RTX驱动实现，与插补线程具有相同的硬实时环境，可将其最小采集周 期降到100纳秒，并且该采集方式还具有确保高优先级的任务(如插补任务)首先执行， 并不被低优先级程序(如界面显示)中断、对所有的任务直接控制、可以保证任意线程的 最差响应时间为50μs等的优点。

本发明数控系统具有开放的体系结构，能够支持多种硬件和编程语言，与传统的封闭 式数控设备相比，具有可移植、可扩展、可重构、系统的设计不依赖硬件体系结构的特点。 由于控制器中各模块通过函数编程实现接口通讯，因此通过扩展部分智能函数，可增加控 制器的其他智能特性，以扩展相关领域提出的新算法。

附图说明

图1是本发明所述开放式智能铣削加工系统的结构示意图；

图2是铣削控制器的结构示意图；

图3是加工过程控制指令在铣削控制器中的传递过程的示意图；

图4是进给倍率的修调流程示意图；

图5是基于切削力的进给倍率模糊控制器结构原理框图；

图6是现有普通控制器加工时主切削力变化曲线；

图7是现有普通控制加工时进给速度变化曲线；

图8是采用本发明所述开放式智能铣削加工系统加工时主切削力变化曲线；

图9是采用本发明所述开放式智能铣削加工系统加工时进给速度变化曲线；

图10是隶属度函数。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述开放式智能铣削加 工系统，它包括三向压电式测力仪传感器1、A/D转换电路2、工业PC机3、PCI数据采 集卡4、铣削控制器5、SoftSERCANS通讯卡6、输入输出模块7和n个伺服驱动器8，n 为大于1的自然数，

PCI数据采集卡4、铣削控制器5和SoftSERCANS通讯卡6设置在工业PC机3上，

三向压电式测力仪传感器1采集工件与刀具间相互作用产生的切削力，三向压电式测 力仪传感器1的信号输出端与A/D转换电路2的输入端相连，A/D转换电路2的输出端 与PCI数据采集卡4的输入端相连，PCI数据采集卡4的输出端与铣削控制器5的输入端 相连，铣削控制器5的控制信号输入输出端与SoftSERCANS通讯卡6的第一输入输出端 相连，SoftSERCANS通讯卡6的第二输入输出端与输入输出模块7的控制信号输入输出 端相连，输入输出模块7的每个驱动输入输出端连接一个伺服驱动器8。

本实施方式以数控软件包为基础，建立应用于五轴铣床的开放式数控系统，支持模糊 智能线性插补加工等数控功能。其软件平台为：RTX实时扩展采用美国Venturcom公司的 RTX6.5.1，Windows操作系统采用Windows XP；硬件平台为：三向压电式测力仪传感器1； 工业PC机3采用CPU为Pentium IV 3.0 GHZ、内存为1GB的艾讯(AXIOMTEK)工作站； PCI数据采集卡4；SoftSERCANS通讯卡6采用通过PCI总线与PC机3连接的通讯卡、并 通过SERCOS光纤环与外围设备连接；外围设备为：六套由SERCOS接口伺服驱动器和交流 伺服电机组成的数控设备、赛洋数控公司的矩阵加密数控面板。

在PCI数据采集卡4第一次插入工业PC机3的PCI插槽后，首先应将Windows下的 PCI设备转换为RTX下的PCI设备。打开设备管理器，在设备管理器中更新采集卡的硬件 驱动方式，将PCI设备从Windows支持转换为RTX支持，具体步骤为：在RTX Properties 控制面板的Plug and Play菜单下，选中PCI1710数据采集卡，右键单击并选中Add RTX  INF Support，再单击apply以使RtxPnp.inf文件支持选中的设备。

为了避免系统中其它任务对数据采集实时性、数据采集容量等的影响，该系统采用在 RTX环境下采集数据。此时由于厂商为板卡提供的驱动函数已不能直接调用，只能由用户 运用RTX的函数对板卡寄存器进行操作。在安装好VC之后安装RTX，会在Projects选项 中自动添加RTX AppWizard这一项。通过在该环境下进行驱动程序开发，可以生成相应 的开发软件框架，然后添加相应的代码即可。然后将开发的驱动程序以函数的形式添加至 驱动器的任务协调模块。

在加工前，实现A/D转换的电荷放大器必须预热20分钟以上，以消除采集系统的漂 移误差。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，三向压电式测力仪传感器 1采用Kistler公司生产的9257B型测力仪。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，PCI数据采集卡4采用台 湾研华公司生产的PCI1710数据采集卡。

具体实施方式四：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一 步说明，铣削控制器5包括控制模块5-1、人机接口模块5-2、任务协调模块5-3、译码模 块5-4、插补与加减速模块5-5和轴运动模块5-6，上述各个模块采用软件编程实现，模块 间采用API接口实现连接；

人机接口模块5-2接收外部输入的系统参数设定命令、机床工作命令和零件加工NC 程序文件，人机接口模块5-2的输出端与任务协调模块5-3的第一输入端相连，任务协调 模块5-3的第二输入端与PCI数据采集卡4的输出端相连，任务协调模块5-3的译码输入 输出端与译码模块5-4的输入输出端相连，任务协调模块5-3的调用数据输入输出端与控 制模块5-1的调用输入输出端相连，任务协调模块5-3的运动指令输出端与插补与加减速 模块5-5的运动指令输入端相连，控制模块5-1的进给倍率输出端与插补与加减速模块5-5 的进给倍率输入端相连，插补与加减速模块5-5的速度指令输出端与轴运动模块5-6的输 入端相连，轴运动模块5-6的控制信号输入输出端与SoftSERCANS通讯卡6的第一输入 输出端相连。

API(application program interface)接口就是函数接口。

译码模块5-4解析零件加工NC程序文件，提取加工程序中的各种信息，生成包含运 动信息的运动段指令和逻辑控制指令，并通过双端队列传送至任务协调模块5-3。

任务协调模块5-3主要进行任务分配，负责系统内各模块的协调与实时调度，完成加 工过程切削参数的采集和滤波等处理。

所述人机接口模块5-2、译码模块5-4完成非实时性任务，采用微软的COM组件技术 开发，插补与加减速模块5-5、轴运动模块5-6和控制模块5-1属于实时性任务，采用RTDLL 动态连接库技术进行开发。任务协调模块5-3亦属于实时性任务，采用RTX进行开发。各 模块接口API是模块向用户提供服务的唯一接口，是模块之间进行交互的途径。

具体实施方式五：本实施方式对实施方式四作进一步说明，所述系统参数设定命令包 括设定刀具起刀点、设定机床运动模式命令；所述机床工作命令包括控制模块5-1启动命 令、开始译码命令和开始执行零件加工的数控程序命令。

具体实施方式六：下面结合图1至图10说明本实施方式，基于实施方式五所述的开 放式智能铣削加工系统的铣削加工方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、切削加工任务的设定：铣削控制器5的人机接口模块5-2接收零件加工NC 程序文件，并通过任务协调模块5-3分配给译码模块5-4进行译码，译码后形成的切削加 工任务返回给任务协调模块5-3；

步骤二、任务协调模块5-3根据切削加工任务下达运动指令给插补与加减速模块5-5， 再通过轴运动模块5-6从加工铣削控制器5输出，该运动指令用于控制伺服驱动器8进而 控制刀具进行切削运动；

步骤三、三向压电式测力仪传感器1实时采集工件与刀具间相互作用产生的切削力， 并经过A/D转换电路2将模拟量切削力转换成数字量切削力，所述数字量切削力由PCI 数据采集卡4采集后发送给铣削控制器5；

步骤四、铣削控制器5的控制模块5-1根据接收到的数字量切削力获取进给倍率ξ， 进而获取新的进给速度，所述新的进给速度作为刀具下一个进给速度；

步骤五、插补与加减速模块5-5根据步骤四获取的新的进给速度确定机床的下一位 置，并将该位置指令由铣削控制器5通过SoftSERCANS通讯卡6和输入输出模块7传至 相应的伺服驱动器8，控制相应的刀具运动；

重复执行步骤二至步骤五，直至完成步骤一中零件加工NC程序文件设定的加工任 务。

编译好图2所示的模块后，打开人机界面，将编制好的.txt形式的零件加工NC程 序文件(可以手工编程也可以自动编程)导入铣削控制器5。

然后，点击人机界面上的译码按钮，检查零件加工NC程序文件是否有语法错误，有 则报警，无则将零件加工NC程序文件以执行段的形式发送到任务协调模块5-3的双端队 列中进行保存。

点击人机界面上的加工开始按钮，任务协调模块5-3开始按照设定的插补周期，从双 端队列中开始按照顺序逐条读取运动指令。模块间的数据传送按照图3的流程传递。

加工过程中进给速度的调整是通过调整进给倍率的形式实现，具体流程参考图4说 明。

具体实施方式七：下面结合图4、图5和10说明本实施方式，本实施方式对实施方 式六作进一步说明，步骤四中进给倍率ξ按表1计算获取：

表1

NL——PL为划分的等级，等级为(-3～3)，分别代表负大至正大；

表中的E代表t时刻采集的切削力F_t与设定的理想阈值F的误差，即：E＝F_t-F，

误差论域E＝{-3，-2，-1，0，1，2，3}，

误差E按数组E[7]＝{-40，-25，-15，0，15，25，40}进行数值量化；

理想阈值F为100～300牛顿；

理想阈值的大小与加工工件的材料、所用刀具的材料、干湿切削、加工参数的设定等 有密切的关系。此处的阈值又称为理想切削力，即在整个加工过程中希望切削力维持的水 平。如本专利中的加工铝合金的阈值大小在不同实验条件下设定为100-300牛之间的某一 数值。

ΔE代表误差变化量，按下述公式获取：

其中，Δt为采集切削力的采样周期，

误差变化量论域ΔE＝{-3，-2，-1，0，1，2，3}，误差变化量ΔE按数组ΔE[7]＝{-80， -50，-30，0，30，50，80}进行量化；

计算进给倍率ξ的过程为：

步骤41、根据采集的切削力F_t计算出误差E和误差变化量ΔE；

步骤42、将步骤41获取的误差E和误差变化量ΔE进行模糊化处理，根据误差论域 E＝{-3，-2，-1，0，1，2，3}确定误差E的等级，根据误差变化量论域ΔE＝{-3，-2，-1， 0，1，2，3}确定误差变化量ΔE的等级；

步骤43、根据步骤42确定的误差E的等级和误差变化量ΔE的等级查表1，确定进 给速度应取的等级；

步骤44、根据隶属度函数

$\left(\begin{array}{cc}\mu \left(y\right)=\mathrm{ky}+l& y\le n\\ \mu \left(y\right)=1& y>n\end{array}\right)$

求出误差E所有等级的隶属度和误差变化量ΔE所有等级的隶属度，

步骤45、根据步骤43获取的进给速度应取值和步骤44获取误差E的隶属度和误差 变化量ΔE的隶属度，求出该进给速度等级下对应的隶属度，按照相同原理求出所有进给 速度等级对应的隶属度后，按照给定的进给速度FOP[7]＝{120％，100％，80％， 60％，40％，20％，0}的变化范围，并三角重心法求出在该隶属度下的量化值，其量化输出值 作为进给倍率ξ。

ξ值不是直接查出来的，而是按照表格设计的规则推理后计算出来的。下面举例说明：

设在某次实验中设定的理想阈值F为150牛，在某t时刻的切削力F_t为130牛，而它 的上一时刻采集到的切削力F_t-1为110牛，采集周期Δt为2毫秒，则t时刻：误差 E＝130-150＝-20；误差变化量ΔE＝((130-150)-(110-150))/2＝10；根据上面列出的数组E[7] 和ΔE[7]可见，误差E处于-15到-25之间，即等级NM和NS之间(用量化等级表示就是 -2～-1)，而误差变化量ΔE处于0到30之间，即等级C到PS之间(用量化等级表示就 是0～1)。参见图5，这个过程就叫做模糊化。而上面的表格就对应图5的规则，图10 对应图5的隶属度函数。

图5中的隶属度函数为

$\left(\begin{array}{cc}\mu \left(y\right)=\mathrm{ky}+l& y\le n\\ \mu \left(y\right)=1& y>n\end{array}\right)$

它是指误差论域E＝{-3，-2，-1，0，1，2，3}、误差变化量论域ΔE＝{-3，-2，-1，0， 1，2，3}对t时刻具体切削力模糊化后的隶属程度(范围为0-1)——分别对应图10的 横坐标、纵坐标。如此时误差E为NS，处于-2～-1，则此时它的隶属度根据选定的不同 函数(正态分布、三角分布；图10就属于三角分布)对应着一个0～1之间的数值。针对 本例，该隶属度按下述原理计算。

假设本例中误差为NS等级时的隶属度为{0，0.1，0.6，0，0，0，0}，则本例中 NS等级时的误差隶属度为：a0＝(-20-(-25))*((0.6-0.1)/(-15-(-25)))+0.1＝0.85。同理， 在其余等级(NL-PL)误差隶属度给定的条件下，可求出各自等级对应的该时刻切削力 的误差隶属度。

本例中误差变化量ΔE为PS，假设误差变化量为PS等级时的隶属度为{0，0，0，0.1， 0.7，0，0}，则本例中PS等级时的误差变化量隶属度为a1＝(10-0)*((0.7-0.1)/(30-0)) +0.1＝0.3。同理，在其余等级(NL-PL)误差变化量隶属度给定的条件下，可求出各自 等级对应的该时刻切削力的误差变化量隶属度。

按照表1所示的规则，求出进给速度所在等级对应的隶属度。例如，本例中误差为 NS、误差变化量为PS时，由查上表知：进给速度应取C。假设进给速度取C等级时给定 的隶属度为：{0，0，0，0.8，0，0，0}，则首先取误差NS、误差变化量PS等级的隶属 度(0.85，0.3)的最大值0.85，然后取该值与进给速度的隶属度值的乘积0.85*0.8＝0.68， 作为该切削力时刻在C等级下的进给速度隶属度。同理，按照表格、按照不同进给速度 等级设定的隶属度，可求出在该时刻切削力下对应的其余等级进给速度的隶属度值。

然后根据三角重心法，结合进给速度FOP[7]设定的进给倍率分档原则，求出在该切 削力时刻下对应的输出值，公式为：y_sum/B_sum，其中y_sum为该切削力时刻求得的进 给速度隶属度值，与对应的进给速度等级下的进给倍率(FOP[7]数组值)的乘积和，B_sum 为该切削力时刻所有进给速度等级下的隶属度值的和。例如本例中可表示为： [(60％*0.68)+...]/[0.68+...]，其中，省略号分别表示待求得的其余等级的隶属度与对应的 倍率乘积的和、待求得的其余等级的隶属度的和。

若此例中输出值为0.6，则即为所求的进给倍率ζ。

具体实施方式八：本实施方式对实施方式六作进一步说明，步骤五中的新的进给速度 v_next按如下公式获取：

v_next＝ξ×v_current，

其中，v_current为NC程序当前设定的进给速度，在译码时获得。

则下一时刻的机床位置坐标，通过将新计算的进给速度v_next带入加工中采用的不同 插补算法(如直线插补、圆弧插补、样条插补等)，可以计算出新的位置坐标(X，Y，Z，A，C)。

具体实施方式九：本实施方式是进行实验验证，本试验采用直径为6毫米的2刃硬质 合金铣刀对长度为120毫米的表面为阶梯形的铝合金进行了端面顺铣加工，包括普通的直 线插补加工和本发明开发的具有智能特性的控制器实行的直线插补加工。试验中通过改变 轴向切深来改变加工中的切削力，工件阶梯形中的四个最大轴向切深为15毫米、三个最 小轴向切深为10毫米，切削时设定的背吃刀量为0.7毫米，主轴转速为1000r/min，进 给速度为200mm/min。图6和图7为普通控制器加工参数的变化曲线，图8和图9为采用 本发明所述开放式智能铣削加工系统加工参数的变化情况。

通过实验可以看到，在整个加工范围内，普通控制器控制切削的进给速度始终保持在 设定的200mm/min，且不随切削工件几何特征的变化而变化。而智能控制器的进给速度幅 值能够根据切削工件轴向深度的变化实时的调整进给速度，具体表现为：刀具刚切入工件 时，由于切削力的突变(从零增大到约270牛)，进给速度幅值从空载时的约275mm/min 减少到约150mm/min，且相比于整个加工过程，进给速度处于低值。这是由于切削力从0 突然增大，控制器按照控制规则，对进给速度进行实时调整，以降低刀具的切削力冲击， 减少刀具磨损，有效保护了刀具。当切削至第5秒左右时，由于轴向切深减少，刀具与工 件间的主切削力减少，这时控制器根据模糊规则，自动提高切削进给速度，以保持切削力 的稳定，同时尽量提高加工效率。同样，在后述台阶加工中智能控制器都能按照切削力的 变化、根据制定的控制规则，及时提高或降低刀具的进给速度。在整个加工过程中普通控 制器的切削时间为36秒，而智能控制器切削同样工件耗时约28.66秒，提高效率20.39％。