CN103439919A - 基于动态特征模型的cad/cam/cnc闭环控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于动态特征模型的CAD/CAM/CNC闭环控制方法，其特征是它以XML作为离线CAD/CAM的数据表达以及传输的载体，通过建立服务软件单元和特征软件单元作为在线CNC控制平台，以动态特征模型作为离线工艺准备与在线加工控制的集成手段；以多线程编程的方式以及有限状态机的方法实现多算法的并行以及触发；以共享内存的方法作为服务软件以及特征软件单元与数控系统核心进行实时通信的手段。本发明有效地实现了CAD/CAM/CNC闭环控制，有利于提高控制水平。
Description
技术领域
本发明涉及一种数控加工技术，尤其是一种数控加工过程中CAD（Computer Aided Design）/CAM（Computer Aided Manufacturing）/CNC（Computerized Numerical Control）闭环控制方法，具体地说是一种基于动态特征模型的CAD/CAM/CNC数控加工闭环控制方法。
背景技术
数控加工由于其自动化与高效率越来越广泛的被应用在制造业。随着复杂加工工件尤其是飞机机构件、叶盘、叶片等具有高精度要求并且容易变形的出现，数控加工过程的控制变得更加困难。在数控加工过程中，制造资源在持续地发生变化，比如机床和刀具的性能，切削参数和工件的几何与属性在切削过程中都在动态的变化，这些变化给精确的及时的质量控制带来了很大的挑战。另外，加工过程中的动态工况如工件变形、刀具失效、主轴热变形、颤振等问题也增加了加工过程的控制难度。因此，需要新的技术来解决以上问题。
基于特征实现从CAD到CNC的闭环控制可以有效解决以上问题。以特征为载体可以有效地集成工艺知识和经验，提高工艺决策的自动化水平。传统静态特征多是基于零件的最终加工状态定义的，只适用于简单零件。在目前的数控加工信息模型中，STEP-NC是最近十多年提出并且被广泛研究的一个国际标准，为几何信息与工艺信息的集成以及信息的双向流动提供了很好的载体，但是STEP-NC在表达加工过程动态信息以及加工过程中的实时信息反馈方面还不尽如意人。对于形状、工艺、工况复杂的零件，不仅要考虑特征几何的中间状态，还要综合考虑加工过程中的工艺、工况参数，参数的动态安全域值以及超出域值的调整策略，称为动态特征。本发明以高价值、高精度复杂结构件的CAD/CAM/CNC闭环控制为目标，基于动态特征模型，解决数控加工过程闭环控制过程中的关键技术问题，进而有效提高数控加工质量与效率。
发明内容
本发明的目的是针对现有的数控加工闭环控制过程方法中不能使CAD/CAM/CNC有效集成而影响加工质量和效率的问题，发明一种基于动态特征模型的CAD/CAM/CNC闭环控制方法。
本发明的技术方案是：
一种基于动态特征模型的CAD/CAM/CNC闭环控制方法，包括以下步骤：
首先，定义几何信息、工艺信息XML（eXtensive Makeup Language）文件格式，定义NC（Numerical Control）程序格式；
其次，在CAD/CAM软件环境下进行特征识别，提取加工特征的几何及其属性信息，进而进行工艺决策，然后基于特征识别结果与工艺决策结果进行基于特征的数控编程，将加工特征的加工操作的驱动几何及属性信息、工艺信息分别输出到相应的XML文件，将刀轨信息以特征组织的ISO6983的格式输出到传统NC程序中；
第三，定义在线服务软件单元和特征软件单元，其中服务软件单元接收来自外部传感器的监测信号与检测数据，并进行分析，特征软件单元进行动态特征数据的存储、动态检测工艺规划以及数据记录，定义各软件单元的内部算法与变量，制定在线服务软件单元与特征软件单元之间的协作机制以及各软件单元内部多算法之间的协作以及触发机制；
第四，将XML中的信息映射到特征软件单元的内部变量中；
第五，基于动态特征建立加工特征中间状态与检测、监测信息映射关系，以此映射关系作为实时信号分析、在线检测结果分析的依据；
第六，进行加工过程信号的采集与数据分析，基于动态特征模型进行加工-检测-监测一体化的数控加工过程控制，基于信号分析结果实现加工过程监测对检测的触发、监测对加工参数调整的触发，以共享内存的实现特征软件单元对数控系统的实时控制；
第七，将加工过程中监测的信号进行处理，将信号的关键参数以及实际切削参数以基于特征的形式反馈至工艺部门，进而作为追溯数控加工过程以及提高后续工件加工质量与效率的依据。
所述的几何信息XML文件格式为：几何信息以加工操作的驱动几何方式存在，每个几何元素都属于加工操作的一个驱动几何元素，即用来生成刀轨的几何，包括点、线和面；每个加工操作都用特征的唯一标识号标记，同时，每个加工操作所隶属的工步以及工序也被标记，几何信息的总体组织是分级结形式。
所述的将XML中的信息映射到特征软件单元的内部变量中的方法是：以面向对象的编程方式，在特征软件单元中为每一个特征生成一个实例，将各XML中的几何信息与工艺分别映射至相应的变量。
所述的在线服务软件单元与特征软件单元之间的协作机制的实现方法是：在线服务软件单元与特征软件单元在一个软件的进程中，以多线程编程的方式并行运行，设置全局变量即当前加工特征的标识号作为两者之间通讯的桥梁，定义全局变量包括监测信号的关键参数实现服务软件单元到特征软件单元的信息传递；在特征软件单元定义界面线程，接受来自服务软件的触发消息。
所述的软件单元内部多算法之间的协作以及触发机制的实现方法是：通过多线程实现各算法的并行运行，定义有限状态机，实现各算法之间的动态触发与加工状态转移。
所述的基于动态特征建立加工特征中间状态与检测、监测信息映射关系的实现方法是：定义特征中间加工过程，将中间加工过程的信息包括特征类型、切削参数信息以及关键几何信息与监测信号的关键参数信息建立联系，即定义各特征的不同中间加工过程所对应的监测信号的关键参数的安全阈值；定义特征加工过程中间几何状态，将中间几何的信息包括特征类型、特征的几何属性以及最终加工状态的公差要求与检测数据的公差类型、公差许可值进行关联，即定义各中间几何状态所对应的公差。
所述的将信号的关键参数与切削参数以基于特征的形式反馈至工艺部门的实现方法是：以.TXT文档的格式进行数据记录，以特征的唯一标识号进行标记，按照一定的离散时间记录监测信号的关键参数与实际的切削参数，每个特征的加工时间也同时被记录，将记录的.TXT文档传递至工艺部门，工艺部门根据特征标识与特征的加工时间可还原并分析相应特征的加工状况、实际切削状况，以此进行切削参数等优化。
本发明的有益效果：
本发明具有表达信息丰富、支持自主决策与信息的双向流动，可以实现数控加工过程的闭环控制。在线CNC可以基于动态特征模型自主决策，判断加工过程中出现的问题，本发明采用多线程开发方法以及有限状态机的方法使得多算法的能够并行运行并能相互触发。基于特征记录的加工过程中的监测数据分析能够反馈至工艺部门，能够提高工艺水平。
附图说明
图1为本发明的闭环控制流程图。
图2为几何信息XML文件。
图3为工艺信息XML文件。
图4为NC程序。
图5为有限状态机转移图。
图2-4中：1为驱动几何信息，2为加工参数信息，3为监测信息，4为特征标识。
图5中：TagM 1,i,...=0表示所有的监测设备都不启用，维持加工状态；TagM i=1表示启用第i个监测设备进行加工状态监测；TagS=0表示监测的加工状态正常，维持监测；TagS=1表示监测状态1，切削参数不正常，进入切削参数调整状态；TagS=2表示监测到加工状态出现问题，需要停下来进行检测，加工状态转移到检测状态；TagS=3表示出现加工故障，需要紧急停机；TagA=0表示切削参数调整中或者没有建议的切削参数；TagA=1表示有优化的切削参数，传递至数控系统进行执行；TagI=0表示检测数据获取中；TagI=1表示检测数据获取完成，需要进行检测数据分析；TagD=0表示检测数据分析中；TagD=1表示依据检测分析结果需要进行刀轨调整；TagD=1表示根据检测分析结果可以继续加工，状态转移至加工状态；TagT=0表示加工刀轨调整中；TagT=0表示加工刀轨调整完成，可以利用新刀轨进行加工；TagE=0表示停机分析处理中；TagE=1表示需要调整刀轨才能进一步加工；TagE=2表示故障排除可以进一步加工，状态转移至加工状态。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-5所示。
一种基于动态特征模型的CAD/CAM/CNC闭环控制方法，其框架及流程图如图1所示，它包括以下步骤：
首先，定义几何信息、工艺信息XML文件格式，定义NC程序格式；
其次，在CAD/CAM软件环境下进行特征识别，提取加工特征的几何及其属性信息，进而进行工艺决策，然后基于特征识别结果与工艺决策结果进行基于特征的数控编程，将加工特征的加工操作的驱动几何及属性信息、工艺信息分别输出到相应的XML文件，将刀轨信息以特征组织的ISO6983的格式输出到传统NC程序中；
第三，定义在线服务软件单元和特征软件单元，软件单元在开放式数控系统的计算机平台上进行开发，本实施例基于Windows XP进行开发。其中服务软件单元接收来自外部传感器的监测信号与检测数据，并进行分析。监测的传感器一般采用振动传感器、切削力传感器，通过串行通讯方式与计算机进行通讯，利用时频域分析方法进行数据分析，本例采用小波变换的方法，提取信号的关键参数包括方差、峰值、均值、自相关函数值、功率谱等，如图1右侧所示。特征软件单元进行动态特征数据的存储、动态检测工艺规划以及数据记录。定义各软件单元的内部算法与变量，制定在线服务软件单元与特征软件单元之间的协作机制以及各软件单元内部多算法之间的协作以及触发机制；服务软件单元主要是信息输入与输出算法、信号分析与处理算法，特征软件单元的算法主要是信息输入输出算法、动态检测工艺规划算法、刀轨调整算法，变量主要是相应的几何信息与工艺信息，以及特征标识。
第四，将XML中的信息映射到特征软件单元的内部变量中；
第五，基于动态特征建立加工特征中间状态与检测、监测信息映射关系，以此映射关系作为实时信号分析、在线检测结果分析的依据；
第六，进行加工过程信号的采集与数据分析，基于动态特征模型进行加工-检测-监测一体化的数控加工过程控制，基于信号分析结果实现加工过程监测对检测的触发、监测对加工参数调整的触发，以共享内存的方式实现特征软件单元对数控系统的实时控制；
第七，将加工过程中监测的信号进行处理，将信号的关键参数以及实际切削参数以基于特征的形式反馈至工艺部门，进而作为追溯数控加工过程以及提高后续工件加工质量与效率的依据。
其中：
几何信息XML文件格式为：几何信息以加工操作的驱动几何方式存在，每个几何元素都属于加工操作的一个驱动几何元素，即用来生成刀轨的几何，包括点、线和面；每个加工操作都用特征的唯一标识号标记，同时，每个加工操作所隶属的工步以及工序也被标记，几何信息的总体组织是分级结构形式。如图2所示。
工艺信息包括加工参数信息如切深、切宽、主轴转速、进给速度等，加工资源信息如机床、装夹、刀具等，监测信息如所需要的监测设备。如图3所示。
NC程序仍采用传统的ISO6983格式，但是在此基础上，为NC程序进行标记，即标记出相应NC代码段所加工的特征，如图4所示。
将XML中的信息映射到特征软件单元的内部变量中的方法是：以面向对象的编程方式，在特征软件单元中为每一个特征生成一个实例，将各XML中的几何信息与工艺分别映射至相应的变量。
在线服务软件单元与特征软件单元之间的协作机制的实现方法是：在线服务软件单元与特征软件单元在一个软件的进程中，以多线程编程的方式并行运行，设置全局变量即当前加工特征的标识号作为两者之间通讯的桥梁，定义全局变量包括监测信号的关键参数实现服务软件单元到特征软件单元的信息传递；在特征软件单元定义界面线程，接受来自服务软件的触发消息。所述的软件单元内部多算法之间的协作以及触发机制的实现方法是：通过多线程实现各算法的并行运行，定义有限状态机，实现各算法之间的动态触发与加工状态转移。如图5所示。（注：图5中的虚线表示该过程不是真正的状态转移，因为连接的两个状态同时在运行。）
基于动态特征建立加工特征中间状态与检测、监测信息映射关系的实现方法是：定义特征中间加工过程，将中间加工过程的信息包括特征类型、切削参数信息以及关键几何信息与监测信号的关键参数信息建立联系，即定义各特征的不同中间加工过程所对应的监测信号的关键参数的安全阈值；定义特征加工过程中间几何状态，将中间几何的信息包括特征类型、特征的几何属性以及最终加工状态的公差要求与检测数据的公差类型、公差许可值进行关联，即定义各中间几何状态所对应的公差。所述的安全域值与工件状态的公差都是根据加工经验或者试验获得。以槽特征腹板加工为例，与监测和检测相关的几何属性主要是腹板的厚度，因为不同腹板的厚度所能承载的切削力以及加工的中间状态所需满足的精度要求不同。
将信号的关键参数与切削参数以基于特征的形式反馈至工艺部门的实现方法是：以.TXT文档的格式进行数据记录，以特征的唯一标识号进行标记，按照一定的离散时间记录监测信号的关键参数与实际的切削参数，每个特征的加工时间也同时被记录，将记录的.TXT文档传递至工艺部门，工艺部门根据特征标识与特征的加工时间可还原并分析相应特征的加工状况、实际切削状况，以此进行切削参数等优化。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (7)
1.一种基于动态特征模型的CAD/CAM/CNC闭环控制方法，其特征是它包括以下步骤：
首先，定义几何信息、工艺信息XML文件格式，定义NC程序格式；
其次，在CAD/CAM软件环境下进行特征识别，提取加工特征的几何及其属性信息，进而进行工艺决策，然后基于特征识别结果与工艺决策结果进行基于特征的数控编程，将加工特征的加工操作的驱动几何及属性信息、工艺信息分别输出到相应的XML文件，将刀轨信息以特征组织的ISO6983的格式输出到传统NC程序中；
第三，定义在线服务软件单元和特征软件单元，其中服务软件单元接收来自外部传感器的监测信号与检测数据，并进行分析，特征软件单元进行动态特征数据的存储、动态检测工艺规划以及数据记录，定义各软件单元的内部算法与变量，制定在线服务软件单元与特征软件单元之间的协作机制以及各软件单元内部多算法之间的协作以及触发机制；
第四，将XML中的信息映射到特征软件单元的内部变量中；
第五，基于动态特征建立加工特征中间状态与检测、监测信息映射关系，以此映射关系作为实时信号分析、在线检测结果分析的依据；
第六，进行加工过程信号的采集与数据分析，基于动态特征模型进行加工-检测-监测一体化的数控加工过程控制，基于信号分析结果实现加工过程监测对检测的触发、监测对加工参数调整的触发，以共享内存的方式实现特征软件单元对数控系统的实时控制；
第七，将加工过程中监测的信号进行处理，将信号的关键参数以及实际切削参数以基于特征的形式反馈至工艺部门，进而作为追溯数控加工过程以及提高后续工件加工质量与效率的依据。
2.根据权利要求1所述的基于动态特征模型的CAD/CAM/CNC闭环控制方法，其特征是所述的几何信息XML文件格式为：几何信息以加工操作的驱动几何方式存在，每个几何元素都属于加工操作的一个驱动几何元素，即用来生成刀轨的几何，包括点、线和面；每个加工操作都用特征的唯一标识号标记，同时，每个加工操作所隶属的工步以及工序也被标记，几何信息的总体组织是分级结形式。
3.根据权利要求1所述的基于动态特征模型的CAD/CAM/CNC闭环控制方法，其特征是所述的将XML中的信息映射到特征软件单元的内部变量中的方法是：以面向对象的编程方式，在特征软件单元中为每一个特征生成一个实例，将各XML中的几何信息与工艺分别映射至相应的变量。
4.根据权利要求1所述的基于动态特征模型的CAD/CAM/CNC闭环控制方法，其特征是所述的在线服务软件单元与特征软件单元之间的协作机制的实现方法是：在线服务软件单元与特征软件单元在一个软件的进程中，以多线程编程的方式并行运行，设置全局变量即当前加工特征的标识号作为两者之间通讯的桥梁，定义全局变量包括监测信号的关键参数实现服务软件单元到特征软件单元的信息传递；在特征软件单元定义界面线程，接受来自服务软件的触发消息。
5.根据权利要求1所述的基于动态特征模型的CAD/CAM/CNC闭环控制方法，其特征是所述的软件单元内部多算法之间的协作以及触发机制的实现方法是：通过多线程实现各算法的并行运行，定义有限状态机，实现各算法之间的动态触发与加工状态转移。
6.根据权利要求1所述的基于动态特征模型的CAD/CAM/CNC闭环控制方法，其特征是所述的基于动态特征建立加工特征中间状态与检测、监测信息映射关系的实现方法是：定义特征中间加工过程，将中间加工过程的信息包括特征类型、切削参数信息以及关键几何信息与监测信号的关键参数信息建立联系，即定义各特征的不同中间加工过程所对应的监测信号的关键参数的安全阈值；定义特征加工过程中间几何状态，将中间几何的信息包括特征类型、特征的几何属性以及最终加工状态的公差要求与检测数据的公差类型、公差许可值进行关联，即定义各中间几何状态所对应的公差。
7.根据权利要求1所述的基于动态特征模型的CAD/CAM/CNC闭环控制方法，其特征是所述的将信号的关键参数与切削参数以基于特征的形式反馈至工艺部门的实现方法是：以.TXT文档的格式进行数据记录，以特征的唯一标识号进行标记，按照一定的离散时间记录监测信号的关键参数与实际的切削参数，每个特征的加工时间也同时被记录，将记录的.TXT文档传递至工艺部门，工艺部门根据特征标识与特征的加工时间可还原并分析相应特征的加工状况、实际切削状况，以此进行切削参数等优化。
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