CN104360636B - 一种面向镜像铣削的双通道协调运动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种面向镜像铣削的双通道协调运动控制方法，包括双通道内外工作头同步控制，基于同一个筒状圆柱工件的内外表面规划内立柱铣削头与外立柱夹具头的工作区域和加工程序，并实现内外立柱)工作头同步控制；双通道内铣外撑分步控制，在镜像铣削体系内实现外撑夹具头与内铣削主轴头的分步协调运动控制；双通道镜像测量控制，铣削前通过外撑夹具测量工件厚度并离线补偿内铣削头的铣削程序，铣削中通过外撑夹具测量工件铣削背面偏移并实时补偿内铣削头刀尖相对的下刀位置。该方法实现了各自工作头与支撑头协调运动控制，能实现三系统并行镜像铣削时的自适应铣削，响应速度快，可应用于同一个筒状圆柱面薄壁工件三并行系统镜像数控铣削机床。
Description
技术领域
本发明涉及机械数控铣削加工技术领域，具体是一种面向筒状圆柱面薄壁工件镜像铣削的双通道协调运动控制方法。
背景技术
研究表明，在三并行系统加工同一个圆柱面工件前，需根据镜像方法统一建模各系统工作头坐标系，保证各系统工作头轴线与圆柱径向重合，保证三系统旋转坐标系完全一致；在三并行系统镜像加工中，各自的加工步调须保持一致，须统一规划并同步控制各系统内外通道有效加工区域、重叠加工区域，以及各系统工作头进入重叠区域的时序，避免出现边界区域加工不到或邻近系统互相碰撞等问题。实际加工中，每个系统的B轴控制圆柱工件内表面铣削、A轴控制圆柱工件外表面支撑与测量，每个系统实际移动区域130°方可以保证边界被加工或测量到；其中，每个B轴所在内立柱占据70°，三个B轴余下可自由移动角度和为150°，每个B轴50°自由空间远不够用。实际A轴所在外立柱占据35°，每个A轴余下自由空间为85°，可满足要求。在实际加工中针对每个系统B轴的所需加工区域，需要动态规划B轴互斥区域，但此时不能抛开A轴独立控制，实际控制中需要保证AB轴任一轴被互斥后，另一轴不得移动。因此，需建立AB轴相互对应和关联的互斥区域动态管理机制。
申请号为CN201410219874，公开号为CN104001974A，名称为“用于大型薄壁构件铣削的并联转动‐平动解耦加工装备”的中国专利中，描述了一种机械加工技术领域的用于大型薄壁构件铣削的并联转动‐平动解耦加工装备，包括：固定基座、带有三自由度并联铣削机构的加工侧移动平台、带有三自由度并联支撑机构的支撑侧移动平台和构件夹持机构，其中：加工侧移动平台和支撑侧移动平台分别同向滑动设置于固定基座的两端，构件夹持机构固定设置于固定基座上且位于加工侧移动平台和支撑侧移动平台之间。
薄壁筒状圆柱工件的原型在制作过程中不能保证全部区域厚度一致，如直接加工根据理论模型获取的铣削程序则可能出现各种过切和欠切，因此很有必要在加工前通过外立柱夹具头上安装的厚度测量装置逐点获取实际厚度值，并逆算出实际工件模型，进而得到真实可执行铣削加工程序。另外，由于薄壁筒状圆柱工件必须经过外立柱支撑撑紧后才能被内立柱铣削加工，加工中会存在严重装夹变形，此时由外立柱在撑紧工件背面的同时提供动态形变测量十分必要，可实现铣削头加工深度自适应调整，进而保证铣削质量。
现有数控系统本身未提供上述各种功能，此时需要根据实际加工设计一套内外通道统一与同步互斥的坐标系管理、提前厚度测量和实时形变测量补偿机制，以实现加工目标。
发明内容
本发明要解决的技术问题是给薄壁筒状圆柱工件三系统并行镜像铣削，提供一种以薄壁工件铣削质量控制为目标，基于内外通道统一与同步互斥的坐标系管理，结合超声波厚度测量离线补偿、激光传感器实时测量位置补偿，实现了内外通道协调运动控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是
一种面向筒状圆柱面工件镜像铣削的运动控制方法，包括双通道内外工作头同步控制、双通道内铣外撑分步控制、双通道镜像测量控制；
(1)双通道内外工作头同步控制是通过同一个圆柱坐标系在不同半径上建立的内外加工空间，规划内外工作头各自的工作区间、自由区间和互斥区间，并建立相互对应和关联的动态管理机制；
其中，内立柱装备铣削主轴头铣削圆柱内表面，外立柱装备浮动外支撑、超声波厚度测量传感器、激光测量位移传感器提供辅助加工、离线厚度测量和实时工件形变测量功能，通过内外立柱之间坐标系镜像关系实现对内立柱加工坐标系位置定位与补偿；
内立柱中，B轴为旋转轴，Z轴为左右移动轴，Y轴为上下移动轴；外立柱中，A轴为旋转轴，W轴为左右移动轴，V轴为上下移动轴；内立柱所属YZB轴坐标系基于圆柱工件对称映射，在加工指定区域过程中内立柱的YZB和外立柱的VWA坐标系同步控制；内外立柱的B\A轴同心同向360°旋转，B轴半径小于A轴，平行安装的Y\V轴同向同行程，同轴线安装的Z\W轴相向运动；A轴坐标覆盖B轴并实现重合，Y\V轴控制内外工作头在同一水平线，Z\W轴的动作依据厚度测量、铣削支撑、激光标定分别控制；
(2)单系统双通道内铣外撑分步控制
在圆柱工件内外表面同圆心不同半径的坐标系空间内，统一系统内立柱上铣削头的加工坐标系和外立柱上夹具头的加工坐标系；根据薄壁工件铣削前先由外立柱夹具头撑紧铣削区背面、铣完再松开支撑的原则，通过专用工艺软件生成内外通道两个工作头分步运动程序：首先控制外立柱夹具头坐标系进入工件加工区域背面的中心撑紧工件，再控制内立柱铣削头坐标系进刀和下刀执行铣削加工；
(3)单系统双通道镜像测量控制
包含铣削前的超声波薄壁工件厚度测量控制和铣削中的激光测距工件形变偏置补偿控制，两种测量装置均安装在外立柱夹具头上，其采样数据通过镜像处理成为内立柱铣削工作头铣削程序的计算参量，经滤波和平滑处理后得到加工程序；
依据超声波薄壁工件厚度测量控制在外立柱坐标系的安装偏置，规划测量程序，根据内外立柱相对圆柱工件内外表面的镜像关系处理测量所得数据，得出内立柱铣削头进刀位置；在铣削中激光测距工件形变偏置补偿控制体系里，采用内外工作头同轴线相对偏置方法，把外立柱激光采样的距离数据转换为内立柱铣削头刀尖坐标偏置补偿量。
进一步的，如上所述的一种面向筒状圆柱面工件镜像铣削的运动控制方法，激光测距工件形变偏置补偿控制中，在内外立柱双通道联合铣削与测量控制时，每进入一个新的铣削过程前，先由外通道控制外立柱撑紧在内立柱铣削区域的背面，再由内通道控制Z轴上的刀具进入下刀区域，下刀开始时：外通道启动激光测控模块进入实时激光测量补偿流程，PLC通知激光串口测量进程读取激光传感器通过串口反馈的数据，经处理后得到工件铣削下刀点背面的位置，PLC根据此位置计算出Z轴下刀深度调整量；NC内核周期性均匀偏置Z轴坐标系零点实现Z轴补偿，离开铣削后关闭实时激光测量补偿并恢复原来的坐标系。
进一步的，如上所述的一种面向筒状圆柱面工件镜像铣削的运动控制方法，超声波薄壁工件厚度测量控制流程中，先通过工艺软件测量模块获得外立柱厚度测量程序，在CNC执行外立柱厚度测量中：HMI通过串口读取厚度测量数据，经处理后{厚度，坐标值}的数列保存到测量结果文件，测量软件解析测量结果文件生成内立柱铣削与外立柱浮动支撑双通道联合加工程序。
在现有数控系统上，本发明具有如下有益效果：该方法可在实现三系统安全有序加工全部区域的同时，实现薄壁筒段工件加工深度提前控制、加工形变实时动态补偿，可保证圆柱工件内表面全尺寸安全加工，可应用于薄壁筒段工件内表面并行系统镜像铣削机床。
附图说明
图1内外立柱双通道坐标系示意图。
图2激光测量实时补偿控制流图。
图3超声波厚度测量补偿示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本实施例中，一种面向筒状圆柱面工件镜像铣削的运动控制方法，包括双通道内外工作头同步控制、双通道内铣外撑分步控制、双通道镜像测量控制；
(1)双通道内外工作头同步控制是通过同一个圆柱坐标系在不同半径上建立的内外加工空间，规划内外工作头各自的工作区间、自由区间和互斥区间，并建立相互对应和关联的动态管理机制；
其中，内立柱装备铣削主轴头铣削圆柱内表面，外立柱装备浮动外支撑、超声波厚度测量传感器、激光测量位移传感器提供辅助加工、离线厚度测量和实时工件形变测量功能，通过内外立柱之间坐标系镜像关系实现对内立柱加工坐标系位置定位与补偿；
如图1所示，内立柱中，B轴为旋转轴，Z轴为左右移动轴，Y轴为上下移动轴；外立柱中，A轴为旋转轴，W轴为左右移动轴，V轴为上下移动轴；内立柱所属YZB轴坐标系基于圆柱工件对称映射，在加工指定区域过程中内立柱的YZB和外立柱的VWA坐标系同步控制；内外立柱的B\A轴同心同向360°旋转，B轴半径小于A轴，平行安装的Y\V轴同向同行程，同轴线安装的Z\W轴相向运动；A轴坐标覆盖B轴并实现重合，Y\V轴控制内外工作头在同一水平线，Z\W轴的动作依据厚度测量、铣削支撑、激光标定分别控制；在实际加工中内外立柱B\A轴可达运动区域为-5～+125°(以系统一为例)，内外立柱本身分别占据70°和35°旋转空间，则B\A轴各需在最小值和最大值方向分别留出70°和35°互斥区域，考虑70°*2>130°，则内立柱B轴执行动态互斥，而外立柱A轴亦同步执行动态互斥，可保证正常加工。
(2)单系统双通道内铣外撑分步控制
在圆柱工件内外表面同圆心不同半径的坐标系空间内，统一系统内立柱上铣削头的加工坐标系和外立柱上夹具头的加工坐标系；根据薄壁工件铣削前先由外立柱夹具头撑紧铣削区背面、铣完再松开支撑的原则，通过专用工艺软件生成内外通道两个工作头分步运动程序：首先控制外立柱夹具头坐标系进入工件加工区域背面的中心撑紧工件，再控制内立柱铣削头坐标系进刀和下刀执行铣削加工；
(3)单系统双通道镜像测量控制
包含铣削前的超声波薄壁工件厚度测量控制和铣削中的激光测距工件形变偏置补偿控制，两种测量装置均安装在外立柱夹具头上，其采样数据通过镜像处理成为内立柱铣削工作头铣削程序的计算参量，经滤波和平滑处理后得到加工程序；
依据超声波薄壁工件厚度测量控制在外立柱坐标系的安装偏置，规划测量程序，根据内外立柱相对圆柱工件内外表面的镜像关系处理测量所得数据，得出内立柱铣削头进刀位置；在铣削中激光测距工件形变偏置补偿控制体系里，采用内外工作头同轴线相对偏置方法，把外立柱激光采样的距离数据转换为内立柱铣削头刀尖坐标偏置补偿量。
如图2所示，激光测距工件形变偏置补偿控制中，在内外立柱双通道联合铣削与测量控制时，每进入一个新的铣削过程前，先由外通道控制外立柱撑紧在内立柱铣削区域的背面，再由内通道控制Z轴上的刀具进入下刀区域，下刀开始时：外通道启动激光测控模块进入实时激光测量补偿流程，PLC通知激光串口测量进程读取激光传感器通过串口反馈的数据，经处理后得到工件铣削下刀点背面的位置，PLC根据此位置计算出Z轴下刀深度调整量；NC内核周期性均匀偏置Z轴坐标系零点实现Z轴补偿，离开铣削后关闭实时激光测量补偿并恢复原来的坐标系。
如图3所示，超声波薄壁工件厚度测量控制流程中，先通过工艺软件测量模块获得外立柱厚度测量程序，在CNC执行外立柱厚度测量中：HMI通过串口读取厚度测量数据，经处理后{厚度，坐标值}的数列保存到测量结果文件，测量软件解析测量结果文件生成内立柱铣削与外立柱浮动支撑双通道联合加工程序。
本发明方法所述的镜像铣削测控，即对每个系统的外支撑和内铣削双工作头基于筒段工件建立对称坐标系，外支撑的A轴与内铣削头的B轴同向旋转，且角度统一划分；外支撑的W轴和内铣削头的Z轴轴心一致且方向相反，均把接近筒段工件的方向设为负向；外支撑的V轴与内铣削头的Y轴轴心并行，进给方向一致，均把向上的方向设置为正向。在测控镜像铣削代码生成中，首先控制外立柱支撑头坐标系进入工件加工区域背面的中心撑紧工件，再控制内立柱铣削头坐标系进刀和下刀执行铣削加工；在超声波厚度测量控制中，一直控制外立柱支撑头坐标系和辅助碰头从工件背面测量工件厚度，内立柱不用移动，参考外立柱实际工件直径3338mm，厚度一般为12mm，厚度波动不超过5mm，一圈所得角度最大偏差0.5373°，具体到一个区域(每6°一个区域)则角度误差为0.008955°，具体操作时的角度偏差＝(当前厚度值-12mm)/5mm*0.008955°。
本技术发明无误差积累，响应速度快，能有效降低工件形变对铣削效果的影响，可应用于数控薄壁工件铣削机床。
Claims (3)
1.一种面向筒状圆柱面工件镜像铣削的运动控制方法，其特征在于：
包括双通道内外工作头同步控制、双通道内铣外撑分步控制、双通道镜像测量控制；
(1)双通道内外工作头同步控制是通过同一个圆柱坐标系在不同半径上建立的内外加工空间，规划内外工作头各自的工作区间、自由区间和互斥区间，并建立相互对应和关联的动态管理机制；
其中，内立柱装备铣削主轴头铣削圆柱内表面，外立柱装备浮动外支撑、超声波厚度测量传感器、激光测量位移传感器提供辅助加工、离线厚度测量和实时工件形变测量功能，通过内外立柱之间坐标系镜像关系实现对内立柱加工坐标系位置定位与补偿；
内立柱中，B轴为旋转轴，Z轴为左右移动轴，Y轴为上下移动轴；外立柱中，A轴为旋转轴，W轴为左右移动轴，V轴为上下移动轴；内立柱所属YZB轴坐标系基于圆柱工件对称映射，在加工指定区域过程中内立柱的YZB和外立柱的VWA坐标系同步控制；内外立柱的B\A轴同心同向360°旋转，B轴半径小于A轴，平行安装的Y\V轴同向同行程，同轴线安装的Z\W轴相向运动；A轴坐标覆盖B轴并实现重合，Y\V轴控制内外工作头在同一水平线，Z\W轴的动作依据厚度测量、铣削支撑、激光标定分别控制；
(2)单系统双通道内铣外撑分步控制
在圆柱工件内外表面同圆心不同半径的坐标系空间内，统一系统内立柱上铣削头的加工坐标系和外立柱上夹具头的加工坐标系；根据薄壁工件铣削前先由外立柱夹具头撑紧铣削区背面、铣完再松开支撑的原则，通过专用工艺软件生成内外通道两个工作头分步运动程序：首先控制外立柱夹具头坐标系进入工件加工区域背面的中心撑紧工件，再控制内立柱铣削头坐标系进刀和下刀执行铣削加工；
(3)单系统双通道镜像测量控制
包含铣削前的超声波薄壁工件厚度测量控制和铣削中的激光测距工件形变偏置补偿控制，两种测量装置均安装在外立柱夹具头上，其采样数据通过镜像处理成为内立柱铣削工作头铣削程序的计算参量，经滤波和平滑处理后得到加工程序；
依据超声波薄壁工件厚度测量控制在外立柱坐标系的安装偏置，规划测量程序，根据内外立柱相对圆柱工件内外表面的镜像关系处理测量所得数据，得出内立柱铣削头进刀位置；在铣削中激光测距工件形变偏置补偿控制体系里，采用内外工作头同轴线相对偏置方法，把外立柱激光采样的距离数据转换为内立柱铣削头刀尖坐标偏置补偿量。
2.如权利要求1所述的一种面向筒状圆柱面工件镜像铣削的运动控制方法，其特征在于：激光测距工件形变偏置补偿控制中，在内外立柱双通道联合铣削与测量控制时，每进入一个新的铣削过程前，先由外通道控制外立柱撑紧在内立柱铣削区域的背面，再由内通道控制Z轴上的刀具进入下刀区域，下刀开始时：外通道启动激光测控模块进入实时激光测量补偿流程，PLC通知激光串口测量进程读取激光传感器通过串口反馈的数据，经处理后得到工件铣削下刀点背面的位置，PLC根据此位置计算出Z轴下刀深度调整量；NC内核周期性均匀偏置Z轴坐标系零点实现Z轴补偿，离开铣削后关闭实时激光测量补偿并恢复原来的坐标系。
3.如权利要求1所述的一种面向筒状圆柱面工件镜像铣削的运动控制方法，其特征在于：超声波薄壁工件厚度测量控制流程中，先通过工艺软件测量模块获得外立柱厚度测量程序，在CNC执行外立柱厚度测量中：HMI通过串口读取厚度测量数据，经处理后{厚度，坐标值}的数列保存到测量结果文件，测量软件解析测量结果文件生成内立柱铣削与外立柱浮动支撑双通道联合加工程序。
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