CN102385347A - 用于异形螺旋曲面加工的智能数控编程系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于异形螺旋曲面加工的智能数控编程系统；主要包括数据接口模块、数据库资源、智能规划模块、编程模块和仿真校验模块，各模块之间通过电连接；数据接口模块用于辅助操作者输入或选择必要的数据并利用这些数据自动生成螺旋曲面类零件的几何模型；数据库资源是内置的数据库，用以存储螺旋曲面及其数控加工的相关信息，是智能规划模块和编程模块的重要支撑模块；智能规划模块根据待加工螺旋曲面的几何信息，对其数控加工方法和具体工艺进行规划和计算；编程模块用于生成具体异形螺旋曲面的数控加工程序；仿真校验模块的作用是保证数控程序的正确性；降低编程难度、提高工作效率。

Description

用于异形螺旋曲面加工的智能数控编程系统

技术领域

本发明属于数控加工技术领域，尤其涉及到一种用于异形螺旋曲面加工的智能数控编程系统。

背景技术

在螺杆泵、螺杆压缩机、橡塑挤出机等机械设备中，螺旋面作为关键零件的核心要素而存在，具体形状和成形方法因用途和宿主零件而千差万别，但却直接关系着这些设备的工作效率、精度、能耗甚至整机性能。为了满足产品质量、效率、能耗等方面以及特殊行业的需要，工业中出现了各式各样以异型螺杆或叶片为核心零件的螺杆机械，通过特殊的螺旋曲面实现特殊工艺要求，例如改变排量和压缩比。这些螺旋曲面成形机理各异，螺杆型线也复杂多样，加之牙型、直径、导程等方面的变化因素，给螺杆的加工带来很大的困难。为保证螺旋曲面的加工精度，通常采用精密的数控加工方法。在数控加工过程中涉及的工作主要包括数控编程和控制加工两个阶段，其中数控编程由技术人员在数控机床或者相应的编程系统上进行，是数控加工的必要和关键工作；控制加工由数控机床及其操作者实施，通过执行数控程序实现零件的加工。

对于异型、复杂螺旋曲面的加工方法可以分为两大类。第一类是把其当作一般曲面在多轴联动的高档通用数控机床上加工，具体方法与其它类型的复杂曲面类似，不再赘述；另一类是针对螺旋面特点而采用专用方法或在专门机床上加工，适合螺杆类零件的高效加工。对于异型螺杆类零件的高效数控加工早期主要采用成形铣削法。这种加工方法对切削刀具的要求较高，螺杆螺旋面的型线完全由刀具的刃形来保证，使得成形铣刀的设计与制造十分困难，难以适用于复杂和精密异型螺杆的加工。因此，近些年逐渐出现了无瞬心包络法、内旋风包络铣削法等加工螺旋曲面的新方法。运用这些新方法加工螺旋曲面时，刀刃与工件曲面之间的包络轨迹呈复杂的空间关系，计算非常复杂。因此，如何进行精确的计算并编写出准确的数控程序是获得精度和表面质量俱佳的螺杆工件的关键所在。

随着异型螺杆类零件数控加工方法的研究，异型螺杆类零件的数控编程技术变得越来越重要。理论上，加工中可以采用标准刀具，通过自动编程系统或者CAD/CAM(计算机辅助设计/制造)系统的精确计算和数控系统的准确控制来实现复杂的运动，从而包络加工出螺旋曲面的形状。这也是提高加工精度和效率、降低劳动强度和难度、降低消耗、提升竞争力的有效途径。但由于这类零件具有特殊、多样、复杂的曲面形状和特殊的加工方法，对于其螺旋曲面的加工一般需要专门的计算和编程系统，而无法由普通CAD/CAM软件完成。国内学者对此进行了大量研究，这些研究对异形螺杆的造型、包络加工原理、刀轨计算、代码生成等提供了理论基础，并实现了某些零件的加工，具有重要的理论指导意义和参考价值。但由于这些方法涉及诸多新技术、计算复杂，异型螺旋曲面数控加工程序的编制困难，一般工程技术人员即使了解该方法，在现有技术条件下也无法完成数控编程工作。上述研究虽然也提供了一定的实现技术，但其主要目的是为了验证最新理论研究成果，虽然为解决异形螺旋曲面加工问题提供了重要的理论指导和参考，却尚未形成适用于一般工程技术人员的自动化数控编程系统或工具。另外，上述研究成果基本上都是针对某一行业的某类型螺杆的加工技术研究，无法满足生产实际中新产品开发的需要。

综上所述，现有技术大多都是针对特定类型的零件和特定的加工方法的，应用范围有限，自动化程度低、效率低，对编程人员的要求高，很难适用于企业中尤其是中小企业中的数控加工技术人员。随着异型螺旋曲面的应用范围越来越广、质量要求越来越高，现有技术已难以适应生产实际的需要。

发明内容

本发明的目的就是为解决现有技术中存在的针对特定类型的零件和加工方法，应用范围受限制，自动化程度低、难以适应产品的生产需要的问题；提供一种用于异形螺旋曲面加工的智能数控编程系统；通过该系统的智能计算和自动编程，操作者只需要进行简单的操作就能完成异形螺旋曲面数控程序的编制工作，降低编程难度、提高工作效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于异形螺旋曲面加工的智能数控编程系统，主要包括数据接口模块、数据库资源、智能规划模块、编程模块和仿真校验模块，各模块之间通过电连接；数据接口模块用于辅助操作者输入或选择必要的数据并利用这些数据自动生成螺旋曲面类零件的几何模型；数据库资源是内置的数据库，用以存储螺旋曲面及其数控加工的相关信息，是智能规划模块和编程模块的重要支撑模块；智能规划模块根据待加工螺旋曲面的几何信息，对其数控加工方法和具体工艺进行规划和计算；编程模块用于生成具体异形螺旋曲面的数控加工程序；仿真校验模块的作用是保证数控程序的正确性。

数据接口模块主要用于自动生成曲面部分的几何模型。

数据库资源是内置的数据库，包括几何模型、工艺模型和编程规范模块。

数据库资源中的几何模型包括异形螺旋曲面的分类、基本特征、参数等几何信息。

工艺模型包括加工方法、机床类型、刀具等工艺信息。

仿真校验模块通过模拟数控程序的执行状况，检验是否存在刀轨错误、碰撞问题。

本发明的使用及工作原理：本发明提供了一种用于异形螺旋曲面加工的智能数控编程系统，它通过数据接口模块接受加工参数的输入，在数据库资源的支持下，由几何建模、工艺规划、刀具轨迹计算等模块自动规划螺旋曲面加工的工艺方案，计算刀轨路径和工艺参数，并生成数控加工程序，以便在数控机床上高效、高质量地加工出异形螺旋曲面。本发明可以集成于数控系统中，也可以作为独立的编程系统使用、以生成标准数控加工程序，然后利用该数控程序在通用机床上加工出螺旋曲面，主要模块包括：数据接口模块、数据库资源、智能规划模块、编程模块和仿真校验模块。其中数据接口模块用于接受操作者的输入并生成螺旋曲面类零件的几何模型，作为后续工作的基础，具体方式是：系统提供一个图形化界面，帮助用户选择和输入异形螺旋曲面的类型、几何参数和型值点数据等，然后系统自动生成待加工螺旋曲面的几何模型。数据库资源是一个内置的数据库，用以存储螺旋曲面及其数控加工的相关信息，包括异形螺旋曲面的几何信息模型(分类、基本特征、参数等)、工艺模型(加工方法、机床类型、刀具等)、编程规范(G代码规范，不同厂家的数控系统在编程规范方面有所不同)等，是智能规划和编程模块的重要支撑模块。智能规划模块根据待加工螺旋曲面的几何信息进行数控加工工艺的规划和计算，是系统的核心功能模块。它的基本任务是：根据异形曲面的几何模型查询数据库并决定应采用的数控加工工艺方案，包括工艺方法(如车削、包络铣削、旋风铣削等)、机床类型、刀具、加工方式等)，得到操作者确认后进一步计算数控加工时的刀轨路径。然后，编程模块根据工艺规划的结果和编程规范生成具体的数控程序。最后，为了保证数控程序的正确性，由仿真校验模块模拟数控程序的执行状况，检验是否存在刀轨错误、碰撞等问题。若仿真效果如预期效果一致则进行数控加工，否则重新进行刀轨计算。

本发明的数据接口模块为操作人员提供一个人机交互界面，通过该界面操作人员可利用键盘和鼠标方便地输入异形螺旋曲面的类型、几何参数和型值点数据、技术要求等设计信息。系统内部将异形螺旋曲面根据其形状特征分为若干种类型(如变螺距、变直径、变槽形螺旋曲面；直线截形、曲线截形、复杂型线、复杂型线类螺旋曲面；单线、双线、多线螺旋曲面等)，每一类的几何模型连同其数控加工的基本工艺模型存于数据库资源中。另外，本发明的数据接口模块还具有螺旋曲面的三维建模功能，数据输入完成后，该功能模块根据具体操作者输入的参数建立螺旋曲面的三维模型，供操作者直观地判断设计参数的输入是否正确，得到确定后系统将自动进入智能规划阶段。

智能规划模块负责完成异形螺旋曲面加工中的决策性和计算性任务，包括工艺方案规划、刀轨计算、加工参数优化三个子模块。在操作者确认输入的设计信息无误后，系统将综合分析螺旋曲面的设计信息并调用数据库资源对其进行加工工艺的规划：综合分析设计信息、查询数据库资源中的案例和规则后选择相适应的工艺方案(包括加工方法、机床类型、刀具类型等)，进而针对具体工艺方案进行刀具轨迹计算。刀具轨迹计算完成以后，系统会根据操作者提供的优化目标(加工成本最低、加工时间最短、加工质量最优等)进行加工参数优化。

完成上述工作后，由编程模块根据编程规范，生成可运行于选定数控机床上的螺旋曲面加工代码。在进行数控加工之前，系统可进行仿真校验，若仿真效果如预期效果一致则进行数控加工，否则重新进行刀轨计算。编程模块和仿真校验模块都可以在现有技术的基础上实现。

本发明的有益效果：

1.本发明可以高效、高质量地生成数控加工所需要的G代码数控程序，编程效率高；

2.自动化程度高，系统能自动完成一系列相关的复杂计算；使用和操作简单，易学易用，操作者只需要通过系统提供的人机界面作简单的选择和输入工作；

3.操作者可以将新案例加入到数据库模块中，扩展系统的功能，可以较广泛地支持多种螺旋曲面的数控加工。

附图说明：

图1为本发明一种用于异形螺旋曲面加工的智能数控编程系统的总体结构及流程框图。

具体实现方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一种用于异形螺旋曲面加工的智能数控编程系统，结合图1，主要包括数据接口模块、数据库资源、智能规划模块、编程模块和仿真校验模块，各模块之间通过电连接；；数据接口模块用于辅助操作者输入或选择必要的数据并利用这些数据自动生成螺旋曲面的几何模型；数据库资源是内置的数据库，用以存储螺旋曲面及其数控加工的相关信息，是智能规划模块和编程模块的重要支撑模块；智能规划模块根据待加工螺旋曲面的几何信息，对其数控加工方法和具体工艺进行规划和计算；编程模块用于生成具体异形螺旋曲面的数控加工程序；仿真校验模块的作用是保证数控程序的正确性。数据接口模块主要用于自动生成曲面部分的几何模型。数据库资源是内置的数据库包括几何模型、工艺模型和编程规范模块。数据库资源是内置的数据库模块包括异形螺旋曲面的分类、基本特征、参数等几何信息模型、加工方法、机床类型、刀具等工艺模型、编程规范。仿真校验模块通过模拟数控程序的执行状况，检验是否存在刀轨错误、碰撞问题。

上述虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种用于异形螺旋曲面加工的智能数控编程系统，其特征是，主要包括数据接口模块、数据库资源、智能规划模块、编程模块和仿真校验模块，各模块之间通过电连接；数据接口模块用于辅助操作者输入和选择必要的数据并利用这些数据自动生成螺旋曲面类零件的几何模型；数据库资源是内置的数据库，用以存储螺旋曲面及其数控加工的相关信息，是智能规划模块和编程模块的重要支撑模块；智能规划模块根据待加工螺旋曲面的几何信息，对其数控加工方法和具体工艺进行规划和计算；编程模块用于生成具体异形螺旋曲面的数控加工程序；仿真校验模块的作用是保证数控程序的正确性。

2.如权利要求1所述的用于异形螺旋曲面加工的智能数控编程系统，其特征是，所述数据接口模块主要用于自动生成曲面部分的几何模型。

3.如权利要求1所述的用于异形螺旋曲面加工的智能数控编程系统，其特征是，所述数据库资源是内置的数据库，包括几何模型、工艺模型和编程规范模块。

4.如权利要求3所述的用于异形螺旋曲面加工的智能数控编程系统，其特征是，所述几何模型包括异形螺旋曲面的分类、基本特征、参数几何信息。

5.如权利要求3所述的用于异形螺旋曲面加工的智能数控编程系统，其特征是，所述工艺模型包括加工方法、机床类型、刀具工艺信息。

6.如权利要求1所述的用于异形螺旋曲面加工的智能数控编程系统，其特征是，所仿真校验模块通过模拟数控程序的执行状况，检验是否存在刀轨错误、碰撞问题。

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