CN105904012B - 一种带有形变实时补偿的薄壁件铣削系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有形变实时补偿的薄壁件铣削系统，包括机床、刚性底盘、立柱、固定支架、激光位移传感器、位移补偿控制器、功率放大器和计算机。本发明在待加工薄板通过立柱固定在刚性底盘上安装安装于机床加工槽中，采用激光位移传感器检测薄板的形变位移，通过位移补偿控制器利用贝叶斯估计算法预测加工轨迹，得到切削深度补偿信号，并输出控制命令对机床主轴的进给进行控制。本发明可以实时的检测铣削过程中薄壁件的形变，预测未来加工路径上薄壁件的形变，并通过对机床Z轴的实时控制进而对薄板铣削加工的Z向形变进行补偿，保证加工路径上对薄壁件相同的铣削深度，从而大幅度提高薄壁件的铣削加工的表面质量及精度。

Description

一种带有形变实时补偿的薄壁件铣削系统

技术领域

本发明属于薄壁件铣削领域，更具体的涉及一种带有形变实时补偿的薄壁件铣削系统。

背景技术

制造业在世界工业化进程中始终发挥着主体作用，一个国家经济的崛起很大程度上取决于制造业的发展。薄壁件已广泛运用于航空航天领域，其制造能力和水平代表了国家制造业的核心竞争力。薄壁件以尺寸大(如长桁、大梁、壁板等)，结构形状复杂(如具有各种形式的槽腔结构、下陷、加强筋及凸缘，带有变斜角、空间复杂曲面等)，薄壁结构(壁板、整体框、肋等)、材料去除率高(部分零件可达90％以上)，尺寸及位置精度要求高，零件表面质量要求高，零件品种规格多但批量较小等为特征。

在数控铣削过程中，由于切削力和其他不确定载荷的作用，工艺系统会发生振动，但现有研究表明，由于刀具的作用力，使得在薄壁件在铣削过程中由于受到刀具挤压在Z轴方向薄板发生的形变位移远远大于振动位移，这会严重影响工件的加工表面质量和精度，制约加工工艺的发展。严重制约了薄壁件铣削加工的效率，降低了其表面质量。

现有专利公开了一种薄壁叶片精密铣削加工变形补偿方法，申请号为：201210364066X，公布号为：CN102880756A，，该方法采取针对薄板叶片的三维模型进行重构建模方式，复杂薄壁叶片的重构运算量大，对补偿的实时性补偿有显著影响。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种带有形变实时补偿的薄壁件铣削系统，旨在解决现有技术中薄壁零件铣削时容易出现的严重影响加工表面质量和精度的薄壁件形变问题。

本发明技术方案为：

一种带有形变实时补偿的薄壁件铣削系统，包括位移补偿控制器、数/模接口、功率放大器、机床Z轴，薄板、位移传感器、模/数接口；其中：

所述的薄板为待加工件，通过四个刚性立柱固定在刚性底盘上，安装于机床加工槽中；

机床Z轴垂直于薄板并且位于其上方；所述的位移传感器通过固定支架安装在机床Z轴上，并通过信号线与位移补偿控制器的模/数接口连接，用于检测铣削过程中薄板的形变位移，将采集的位移信号输入位移补偿控制器；

所述的位移补偿控制器包含形变位移估算模块，用于将实时采集回的薄板在Z方向的形变位移量，经模/数接口送入形变位移估算模块，计算出下一步主轴刀具在Z轴方向切削深度的补偿控制量，并通过数/模接口输出，经功率放大器后，驱动机床Z轴电机，从而带动机床Z轴运动，进行加工补偿；

工作时，将要加工的薄板固定，调整刀具的位置，启动系统，铣削开始；系统一方面对薄板进行铣削，一方采集形变位移数据，送入位移补偿控制器中计算出下一步主轴刀具切削深度补偿量后传给Z轴电机，从而实现形变的实时预先补偿。

进一步的，所述控制器中形变位移估算模块按下式计算下一时刻的薄板的绝对形变值

其中，是从装置工作开始，记录到当前的k个薄板形变位移值y＝{y₁，…，y_k}中，抽取的最近连续M个数据构成的状态向量；M的选取根据计算量和精确度综合权衡，一般取值20到50之间；Θ＝[a_M a_M-1…a₁]^T，为状态向量对估算下一时刻数据影响的加权系数矩阵，Θ中a_i，i＝1…M是采用贝叶斯估计算法得到的。

更进一步的，所述加权系数矩阵Θ中各个分量，按下式计算:

a_i＝∫x·π_(x|y)dx

其中，根据主观概率法，发现采用贝塔分布作为先验分布时候往往很实用，而且在数学处理方面处理很方便，所以x服从贝塔分布π_(x):

式中Γ为伽玛函数，a_i独立计算，可通过已测得的k个数据y推算得到α、β的值；

其中：

式中是数据y相对于加权系数a_i的似然函数；表示y取值为单个样本y_j的概率，σ²为样本y的方差；

计算出各个a_i，即得到加权系数矩阵Θ。

进一步的，所述薄板为铝合金薄板。

工作时，在机床Z轴的切削轨迹上，调整刀具的位置，铣削开始：主轴运动，刀具从边缘切入薄板，由于薄板刚性差，所以铣削进行时相会产生远大于Z向的振动位移的形变，激光位移传感器跟随Z轴运动并测量薄板Z方向的形变位移信号并转换为电压信号，然后将电压信号通过模/数接口输入到位移补偿控制器中，经过位移补偿控制器中形变位移估算模块处理后，得到Z轴电机的薄板形变补偿信号，然后通过数/模接口输出到功率放大器输出薄板形变的补偿信号给Z轴电机，改变Z轴在薄板Z方向上的切削深度，从而实现薄板在加工路径过程中Z方向形变的实时补偿。

本发明设计的补偿装置，通过对加工过程中薄板形变信号的采集与处理，进而对薄板在Z轴向的加工形变进行补偿，该装置能够基于已检测到的数据提前预估下一步的数据，计算量及程序复杂度不高，操作成本低，但是效果明显，能够准确的预测下一步的误差提前补偿，大幅提高薄壁件铣削加工时的表面质量和精度。本发明提出的装置还具有响应速度快，实时性好等优点。

附图说明

图1为形变实时补偿的薄壁件铣削系统的整体结构框图；

图2为形变实时补偿的薄壁件铣削系统的补偿原理图；

图3为具体实施例中的实际效果图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-位移补偿控制器，2-数/模接口，3-功率放大器，4-机床Z轴，5-薄板，6-位移传感器，7-模/数接口，8-未加补偿的加工轨迹，9-算法补偿薄板形变后的主轴刀头的运动轨迹，10-形变补偿后的加工工件，11-未加补偿的加工工件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

薄壁件由于具有尺寸大、结构形状复杂、材料去除率高、位置精度要求高等特点，以及在铣削时会存在切削力使得薄板产生形变位移远远大于振动位移，这会严重影响工件的加工表面质量和精度。

本发明提出的薄壁件形变的实时补偿装置可以实时跟随铣削加工点的移动，通过对薄板Z向形变位移的测量，控制机床主轴的切削深度，从而对薄壁件的铣削形变进行精确的实时补偿，提高加工表面质量和效率。

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

在本发明实施例中，薄壁件形变的实时补偿装置用于实时的补偿铣削在加工过程中形变，并采用柔性铝合金薄板作为薄壁件的代表，所选的铝合金薄板为矩形，长为70cm，宽为53cm，厚度为3mm；该系统包括机床(含主轴刀具和刀柄)，立柱，薄板，位移传感器选用激光位移传感器，Dspace1103实时仿真系统，安装有dSPACE软件的计算机。

其中位移补偿控制器1由Dspace实时仿真系统(Dspace1103，该系统包括模/数和数/模接口、Dspace主板)与计算机组合实现。Dspace实时仿真系统需通过PCI总线连接计算机，在计算机中利用Matlab软件实现贝叶斯算法，利用dSPACE软件实现计算机与Dspace实时仿真系统的通信与交互，将算法嵌入Dspace主板进行运算处理，从而实现形变位移估算模块。

其中上述各器件的整体位置关系为：薄板5通过立柱安装在刚性底盘放置于机床加工槽，立式机床Z轴4垂直于薄板5并位于其上方，激光位移传感器6通过支架安装在机床Z轴4上。

具体的，铝合金薄板5的四个角通过四个刚性立柱安装在刚性底盘上，并固定在机床的加工槽内；立式铣床的Z轴4垂直于铝合金薄板5并位于其上方，激光位移传感器6通过刚性支架固定在机床Z轴4上，保证激光位移传感器6能跟随刀具的运动轨迹，实时测量薄板5在铣削过程中的Z向形变位移；上述的激光位移传感器5实时测量的薄板形变位移信号转换为电信号，其输出端连接到Dspace实时仿真系统模/数接口7，通过Dspace主板运算由计算机写入的贝叶斯算法实现权利3要求中的位移补偿计算功能。

具体的，工作时，权利要求3所述贝叶斯估计算法在Dspace实时仿真系统及计算机组成的形变位移控制器中实时在线处理，进行计算出下一步薄板的形变位移得到形变补偿信号，通过数/模接口2实时将信号传输给功率放大器3，产生对Z轴4的进给控制信号，调整对薄板5的切削深度，完成对薄板5的形变位移的实时补偿。

下面结合附图对本发明的实施例做进一步详细的介绍：

本发明中机床的运动原理如图2所示：机床Z轴4刀具在沿着切削路径的运动过程中，薄板5发生形变，从而使得薄板表面不平整，激光位移传感器6检测到Z向形变信号后，经过控制器处理，调整Z轴的垂直进给，刀头的切削深度，在移动的过程中实时保证对薄板Z向形变的补偿，提高加工表面质量和效率。

首先，设备调试：铣削开始前，需对激光位移传感器6进行调试，保证激光位移传感器的测量数据正确；此外，刀具不加补偿正常铣削薄板5，此时得到一个加工件如图2中工件11所示，加工件记为W1。

然后，铣削开始：控制主轴刀头接触到铝合金薄板5并开始铣削，由于刀具挤压柔性的薄板，使其产生远大于振动位移的Z向形变位移；使用激光位移传感器6将实时测量的位移信号转换为电信号，通过模/数接口7输入到Dspace仿真系统中，在Dspace仿真系统与计算机实现的形变位移估算模块中处理，预测获得加工路径上下一时刻的薄板的形变值，如图3所示，加工过程中形变位移(从图中可看出其远大于振动位移)能够被所设计的贝叶斯估计算法比较准确得预测，从而获得刀具切削深度的补偿值，通过Dspace仿真系统的数/模接口2实时输出到功率放大器3，对机床Z轴4进行驱动；这样主轴刀头在水平方向沿切削轨迹切削的同时，控制信号调整机床Z轴的垂直运动补偿薄板的Z向形变，获得如图3所示的补偿后的位移效果。图3中可以看出加工过程中，存在明显的位移形变误差最大0.7mm,而振动只有0.04mm，所以补偿形变是必须的，在形变实时补偿的薄壁件铣削系统的作用下成功的补偿了薄板的形变，最终获得如图2所示的工件10，加工件记为W2。

通过对比铣削测试时(无补偿控制)所获得的加工件W1与采用实时补偿装置铣削的加工件W2可知，本发明所提出的实时补偿装置可以有效的实时补偿薄壁件在铣削中形变，获得的加工件表面更平整，提高了薄壁件的铣削加工表面质量和精度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种带有形变实时补偿的薄壁件铣削系统，其特征在于：包括位移补偿控制器(1)、数/模接口(2)、功率放大器(3)、机床Z轴(4)，薄板(5)、位移传感器(6)、模/数接口(7)；其中：

所述的薄板(5)为待加工件，通过四个刚性立柱固定在刚性底盘上，安装于机床加工槽中；

机床Z轴(4)垂直于薄板(5)并且位于其上方；所述的位移传感器(6)通过固定支架安装在机床Z轴(4)上，并通过信号线与位移补偿控制器(1)的模/数接口(7)连接，用于检测铣削过程中薄板(5)的形变位移，将采集的位移信号输入位移补偿控制器(1)；

所述的位移补偿控制器(1)包含形变位移估算模块，用于将实时采集回的薄板(5)在Z方向的形变位移量，经模/数接口送入形变位移估算模块，计算出下一步主轴刀具在Z轴方向切削深度的补偿控制量，并通过数/模接口(2)输出，经功率放大器(3)后，驱动机床Z轴电机，从而带动机床Z轴(4)运动，进行加工补偿；其中：所述控制器中形变位移估算模块按下式计算下一时刻的薄板的绝对形变值

其中，是从装置工作开始，记录到当前的k个薄板形变位移值y＝{y₁，…，y_k}中，抽取的最近连续M个数据构成的状态向量；M的选取根据计算量和精确度综合权衡，一般取值20到50之间；Θ＝[a_M a_M-1 … a₁]^T，为状态向量对估算下一时刻数据影响的加权系数矩阵，Θ中a_i，i＝1…M是采用贝叶斯估计算法得到的；

所述加权系数矩阵Θ中各个分量，按下式计算:

a_i＝∫x·π_(x|y)dx

其中，x服从贝塔分布π_(x)，

${\mathrm{\π}}_{\left(x\right)}=\frac{\mathrm{\Γ}(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}{\mathrm{\Γ}\left(\mathrm{\α}\right)\·\mathrm{\Γ}\left(\mathrm{\β}\right)}{x}^{\mathrm{\α}-1}{(1-x)}^{\mathrm{\β}-1},0\≤x\≤1,\mathrm{\α}>0,\mathrm{\β}>0,$

式中Γ为伽玛函数，计算每个独立的a_i，可通过已测得的k个数据y推算得到α、β；

其中： ${\mathrm{\π}}_{\left(x\right|y)}=\frac{p_{\left(y\right|x)}\·{\mathrm{\π}}_{\left(x\right)}}{\∫p_{\left(y\right|x)}\·{\mathrm{\π}}_{\left(x\right)}dx},$

式中是数据y相对于加权系数a_i的似然函数；表示y取值为单个样本y_j的概率，σ²为样本y的方差；

计算出各个a_i，即得到加权系数矩阵Θ；

工作时，将要加工的薄板固定，调整刀具的位置，启动系统，铣削开始；系统一方面对薄板进行铣削，一方采集形变位移数据，送入位移补偿控制器中计算出下一步主轴刀具切削深度补偿量后传给Z轴电机，从而实现形变的实时预先补偿。

2.根据权利要求1所述的薄壁件铣削系统，其特征在于：所述薄板为铝合金薄板。