CN107807610A - 一种基于特征库的复杂曲面零件机械臂加工系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于特征库的复杂曲面零件机械臂加工系统和方法，属于复杂曲面机械臂铣削加工新技术领域。该系统包括：特征数据库、工艺规划和特征匹配模块、代码转换接口、信息处理模块、加工仿真模块、实际加工模块。该方法包括步骤：对复杂曲面零件特征进行分析和提取，从特征数据库中匹配相似的信息，制定加工工艺流程和设置相应的加工工艺参数；对待加工复杂曲面零件的加工过程进行数字化仿真分析；通过实际加工模块对待加工复杂曲面零件进行机械臂铣削加工。该方法和系统利用机械臂直接进行复杂曲面零件的铣削加工，建立了完整的、具有普适性的复杂曲面铣削加工工艺流程和数据链，实现了复杂曲面类零件的高效率加工。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于特征库的复杂曲面零件机械臂加工系统和方法，属于复杂曲面机械臂铣削加工新技术领域。
背景技术
复杂曲面机械零件应用领域广泛，但是现有的复杂曲面零件铣削加工工艺复杂、加工精度低、加工效率低，因此提高复杂曲面铣削加工效率、有效配置加工制造资源、对加工制造工艺过程进行优化、增强加工环节管控能力、降低加工成本和信息化成本等均向云制造模式下复杂曲面加工提出了迫切需求。随着智能制造、云制造和工业机器人等技术的研究发展，通过机械臂铣削加工实现针对具有不同体型、复杂面型、高曲率变化等特征的复杂曲面零件的高效率加工是提高复杂曲面加工的重要手段，是实现复杂曲面高效率加工的发展趋势。但是现有针对机械臂直接进行铣削加工的研究较少，机械臂铣削加工工艺过程中信息数据链不完整，而且传统的多轴数控铣削加工中通过CAM技术生成的刀轨文件无法直接应用于机械臂加工环境，现有机械臂加工研究中，只能针对专一型号或面型的复杂曲面零件进行铣削加工，难以实现针对不同型号和面型的普适性铣削加工，因此机械臂直接进行复杂曲面铣削加工的技术问题亟待解决。
发明内容
本发明提供了一种基于特征库的复杂曲面零件机械臂加工系统和方法，以解决机械臂铣削加工工艺过程中信息数据链不完整、CAM系统与机械臂加工语言接口缺乏、机械臂普适性铣削加工困难的问题。
本发明采取如下方案：
一种基于特征库的复杂曲面零件机械臂加工方法，其特征在于，包括步骤：
（1）建立待加工复杂曲面零件数字化模型，分析该复杂曲面零件特征，计算并提取待加工复杂曲面零件的特征数据；
（2）通过工艺规划和特征匹配模块对待加工复杂曲面零件从特征数据库中匹配相似的信息，制定加工工艺流程和设置相应的加工工艺参数；
（3）通过加工仿真模块对待加工复杂曲面零件的加工过程进行数字化仿真分析，生成经过代码转换和参数优化后的机械臂加工刀轨文件；
（4）通过实际加工模块对待加工复杂曲面零件进行机械臂铣削加工。
其中特征数据库的建立过程包括步骤：
a在对多种类型的复杂曲面特征进行分析的基础上，利用特征点、特征线和特征面对复杂曲面特征进行描述；
b将特征点、特征线和特征面的特征参数表示为型面特征数据，进一步为复杂曲面添加包括序号、名称、类型、材料在内的基本信息，并将参数化的型面特征数据和基本信息以文件形式保存；
c为复杂曲面添加对应的加工工艺数据，具体为根据复杂曲面加工经验或实验研究所得的复杂曲面加工过程最优化工艺方案和相关参数设置经验，将包括最优加工工艺方案、最优工艺参数、最优工装信息、最优刀具信息、最优机床信息在内的加工过程相关的最优数据添加至复杂曲面的数据信息中，构成复杂曲面的加工工艺数据；
d将多个复杂曲面零件的特征数据整合在一起，构建成为特征数据库。
特征数据包括复杂曲面的基本信息、型面特征数据、加工工艺特征数据，复杂曲面的基本信息如：序号、名称、类型等，型面特征数据如：特征点、特征线和特征面的特征参数、曲率变化程度、外边界特征、型面刚度等，加工工艺特征数据如：最优加工方法、工艺参数信息、加工刀具信息、加工机床信息等。
其中，步骤2中对匹配相似的信息，制定加工工艺流程和设置相应的加工工艺参数包括步骤：
a对待加工零件的型面特征参数进行匹配，具体为提取待加工零件型面的特征点、特征线、特征面的特征参数，进一步利用常用的相似度计算方法在特征数据库中检索并匹配特征参数相似的复杂曲面的型面特征数据，进一步提取所匹配到的复杂曲面的基本信息，如：编号、名称、类型等；
b对待加工零件的加工工艺参数进行匹配，具体为根据所匹配的复杂曲面的基本信息映射出对应的加工工艺数据，进一步根据待加工零件的加工特性与加工需求信息如：零件材料、尺寸、粗糙度、行位公差等，在加工工艺数据中利用常用的近义词检索技术检索并匹配待加工零件加工过程所需的最优工艺方案和加工参数信息，如：主轴转速、切削率、进给量、刀具信息、机床信息、夹具信息等。
其中，步骤3中对加工过程进行数字化仿真分析包括步骤：
a依据工艺方案和加工参数预设，在加工仿真模块对零件的包括粗加工、半精加工、精加工等过程在内的加工过程进行数字化加工仿真，进一步生成加工刀轨文件；
b利用代码转换接口将加工刀轨文件中的G代码转换为机械臂加工语言，进一步利用信息处理模块的仿真验证、参数优化功能对刀轨数据进行参数修正与优化处理，进一步输出机械臂加工刀轨文件；
c在加工仿真模块根据机械臂加工刀轨文件对复杂曲面进行加工仿真验证，对出现故障的加工环节进行参数修改和过程优化；
其中将G代码转换为机械臂加工语言是在代码转换接口利用常用的欧拉角变化法对切削过程中刀轴矢量的控制过程进行坐标变化，以达到改变坐标参数、防止干涉、去除多余坐标、避开奇异点、提高走刀效率的刀轨优化目的。
本发明还提供一种基于特征库的复杂曲面零件机械臂加工系统，其特征在于，包括：特征数据库、工艺规划和特征匹配模块、代码转换接口、信息处理模块、加工仿真模块、实际加工模块；
其中，特征数据库是多个具有代表性的复杂曲面的特征数据的集合，负责为特征数据匹配过程提供相似的复杂曲面特征数据信息，并且为加工工艺方案的制定，以及加工类型、刀具类型、机床类型、切削参数等零件铣削加工过程相关的工艺参数和方法的选择提供参考依据，特征数据库中的特征数据一方面可以通过测试试验获取不同类型复杂曲面特性数据，另一方面可以通过将复杂曲面零件的长期加工过程中积累的经验数据中获取相对应的复杂曲面特征数据；
工艺规划和特征匹配模块负责对待加工零件进行特征数据匹配，并依据所匹配的复杂曲面特征数据进行复杂曲面机械臂铣削加工工艺规划和加工参数预设；
代码转换接口负责将利用CAM系统生成的加工刀轨文件中的G代码转换为机械臂加工系统可识别的机器语言；
信息处理模块负责对机械臂加工刀轨文件进行参数优化和仿真验证，从而将通过代码转换后的刀轨文件进行优化，以优化机械臂铣削加工过程，避免发生干涉、过切、漏切、运动冗余等问题，进一步输出机械臂加工刀轨文件；
加工仿真模块负责根据机械臂加工刀轨文件在仿真环境下对机械臂加工过程进行加工仿真和分析验证，从而对切削过程中存在问题或故障的加工环节进行参数修正和过程优化，以减少实际加工过程中的问题，提高加工效率和零件加工质量；
实际加工模块负责在加工仿真过程的优化结果满足需求的情况下对复杂曲面零件进行机械臂铣削加工，从而得到零件成品。
本发明的有益效果是：本发明通过建立并应用复杂曲面特征数据库，为复杂曲面机械臂加工过程的加工工艺规划、加工参数选取、刀具选取、机床选取等提供最优方案和参数设置，解决了传统CAM系统与机械臂加工语言接口不兼容的问题，为针对复杂曲面类零件的机械臂加工提供了完整的加工工艺过程、信息数据链以及信息传递与数据转换方法，提供了机械臂对多种复杂曲面零件的普适性加工方法和系统，提高了复杂曲面零件铣削加工效率，同时创建复杂曲面零件特征数据库的方式提高了复杂曲面零件加工过程中具有重要价值但不易保存和表示的经验数据和实验数据的应用效率。
附图说明
图1为基于特征库的复杂曲面零件机械臂加工系统结构图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：如图1所示，一种基于特征库的复杂曲面零件机械臂加工系统，包括：特征数据库、工艺规划和特征匹配模块、代码转换接口、信息处理模块、加工仿真模块和实际加工模块。
其中，特征数据库是多个具有代表性的复杂曲面的特征数据的集合，负责为特征数据匹配过程提供相似的复杂曲面特征数据信息，并且为加工工艺方案的制定，以及加工类型、刀具类型、机床类型、切削参数等零件铣削加工过程相关的工艺参数和方法的选择提供参考依据，特征数据库中的特征数据一方面可以通过测试试验获取不同类型复杂曲面特性数据，另一方面可以通过将复杂曲面零件的长期加工过程中积累的经验数据中获取相对应的复杂曲面特征数据；
工艺规划和特征匹配模块负责对待加工零件进行特征数据匹配，并依据所匹配的复杂曲面特征数据进行复杂曲面机械臂铣削加工工艺规划和加工参数预设；
代码转换接口负责将利用CAM系统生成的加工刀轨文件中的G代码转换为机械臂加工系统可识别的机器语言；
信息处理模块负责对机械臂加工刀轨文件进行参数优化和仿真验证，从而将通过代码转换后的刀轨文件进行优化，以优化机械臂铣削加工过程，避免发生干涉、过切、漏切、运动冗余等问题，进一步输出机械臂加工刀轨文件；
加工仿真模块负责根据机械臂加工刀轨文件在仿真环境下对机械臂加工过程进行加工仿真和分析验证，从而对切削过程中存在问题或故障的加工环节进行参数修正和过程优化，以减少实际加工过程中的问题，提高加工效率和零件加工质量；
实际加工模块负责在加工仿真过程的优化结果满足需求的情况下对复杂曲面零件进行机械臂铣削加工，从而得到零件成品。
实施例2：依据实施例1中的系统对复杂曲面零件进行机械臂加工的方法包括：通过匹配相似的面型特征数据获得复杂曲面的基本信息，再通过基本信息获取复杂曲面的加工工艺数据；在工艺规划和特征匹配模块中对待加工复杂曲面零件进行特征分析，根据待加工零件的型面特征数据匹配复杂曲面，并映射对应的加工工艺数据，根据加工工艺数据制定加工工艺方案，并对加工类型、刀具类型、机床类型、切削参数等零件铣削加工过程相关的工艺参数和方法进行设定；加工仿真模块中根据工艺方案对待加工零件模型进行毛坯参数、加工刀具信息、机床信息和工装信息、切削参数等信息的设置，进行刀规计算和加工过程仿真，生成加工刀轨文件；通过代码转换接口，将利用CAM系统生成的加工刀轨文件中的G代码转换为机械臂加工系统可识别的机器语言；将代码转换后的刀轨文件传递到信息处理模块进行参数优化，将优化后的刀轨文件传递至加工仿真模块进行仿真验证，若仿真结果不满足需求，则在信息处理模块对加工刀轨文件参数做进一步修改和优化，直至仿真结果满足需求，则输出机械臂加工刀轨文件；根据机械臂加工刀轨文件，通过实际加工模块对复杂曲面零件的毛坯进行机械臂铣削加工，从而得到零件成品。
实施例3：特征数据包括复杂曲面的基本信息、型面特征数据、加工工艺特征数据，复杂曲面的基本信息如：序号、名称、类型等，型面特征数据如：特征点、特征线和特征面的特征参数、曲率变化程度、外边界特征、型面刚度等，加工工艺特征数据如：最优加工方法、工艺参数信息、加工刀具信息、加工机床信息等。
其中特征数据库的建立过程包括步骤：
a在对多种类型的复杂曲面特征进行分析的基础上，利用特征点、特征线和特征面对复杂曲面特征进行描述；
b将特征点、特征线和特征面的特征参数表示为型面特征数据，进一步为复杂曲面添加包括序号、名称、类型、材料在内的基本信息，并将参数化的型面特征数据和基本信息以文件形式保存；
c为复杂曲面添加对应的加工工艺数据，具体为根据复杂曲面加工经验或实验研究所得的复杂曲面加工过程最优化工艺方案和相关参数设置经验，将包括最优加工工艺方案、最优工艺参数、最优工装信息、最优刀具信息、最优机床信息在内的加工过程相关的最优数据添加至复杂曲面的数据信息中，构成复杂曲面的加工工艺数据；
d将多个复杂曲面零件的特征数据整合在一起，构建成为特征数据库。
Claims (7)
1.一种基于特征库的复杂曲面零件机械臂加工系统，其特征在于，包括特征数据库、工艺规划和特征匹配模块、代码转换接口、信息处理模块、加工仿真模块和实际加工模块；
所述特征数据库是多个具有代表性的复杂曲面的特征数据的集合，用于为特征数据匹配过程提供相似的复杂曲面特征数据信息，并且为加工工艺方案的制定以及零件铣削加工相关的工艺参数和方法的选择提供参考依据；
所述工艺规划和特征匹配模块用于对待加工零件进行特征数据匹配，并依据所匹配的复杂曲面特征数据进行复杂曲面机械臂铣削加工工艺规划和加工参数设置；
所述代码转换接口负责将利用CAM系统生成的加工刀轨文件转换为机械臂加工系统可识别的机器语言；
所述信息处理模块用于对机械臂加工刀轨文件进行参数优化和仿真验证，从而将通过代码转换后的刀轨文件进行优化，以优化机械臂铣削加工过程，进一步输出机械臂加工刀轨文件；
所述加工仿真模块用于在仿真环境下根据机械臂加工刀轨文件对机械臂加工过程进行仿真，从而对切削过程中存在问题或故障的加工环节进行参数修正和过程优化；
所述实际加工模块用于在加工仿真过程的优化结果满足需求的情况下对复杂曲面零件进行机械臂铣削加工，从而得到零件成品。
2.根据权利要求1所述的基于特征库的复杂曲面零件机械臂加工系统，其特征在于，所述特征数据包括复杂曲面的基本信息、型面特征数据和加工工艺特征数据，其中基本信息包括序号、名称、类型、材料；型面特征数据包括特征点、特征线和特征面；加工工艺数据包括加工工艺流程，以及包括刀具参数、主轴转速、进给速度、机床型号、夹具和装夹方式在内的加工工艺参数。
3.根据权利要求1或2所述的基于特征库的复杂曲面零件机械臂加工系统，其特征在于，所述特征数据库的建立过程如下：
a在对多种类型的复杂曲面特征进行分析的基础上，利用特征点、特征线和特征面对复杂曲面特征进行描述；
b将特征点、特征线和特征面的特征参数表示为型面特征数据，进一步为复杂曲面添加包括序号、名称、类型、材料在内的基本信息，并将参数化的型面特征数据和基本信息以文件形式保存；
c为复杂曲面添加对应的加工工艺数据，具体为根据复杂曲面加工过程最优化工艺方案和相关参数设置经验，将加工过程相关的最优数据添加至复杂曲面的数据信息中，构成复杂曲面的加工工艺数据；
d将多个复杂曲面零件的特征数据整合在一起，构建成为特征数据库。
4.一种基于特征库的复杂曲面零件机械臂加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）建立待加工复杂曲面零件数字化模型，分析该复杂曲面零件特征，计算并提取待加工复杂曲面零件的特征数据；
（2）通过工艺规划和特征匹配模块对待加工复杂曲面零件从特征数据库中匹配相似的信息，制定加工工艺流程和设置相应的加工工艺参数；
（3）通过加工仿真模块对待加工复杂曲面零件的加工过程进行数字化仿真分析，生成经过代码转换和参数优化后的机械臂加工刀轨文件；
（4）通过实际加工模块对待加工复杂曲面零件进行机械臂铣削加工。
5.根据权利要求4所述的基于特征库的复杂曲面零件机械臂加工方法，其特征在于，所述步骤2的具体流程如下：
a对待加工零件的型面特征参数进行匹配，具体为提取待加工零件的的特征点、特征线和特征面的特征参数，利用相似度计算方法在特征数据库中检索并匹配特征参数相似的复杂曲面的型面特征数据，进一步提取所匹配到的复杂曲面的基本信息；
b对待加工零件的加工工艺数据进行匹配，具体为根据特征数据库中所匹配的复杂曲面的基本信息映射出对应的加工工艺数据，在加工工艺数据中利用近义词检索技术检索并匹配待加工零件的加工工艺流程和加工工艺参数。
6.根据权利要求4所述的基于特征库的复杂曲面零件机械臂加工方法，其特征在于，所述步骤3的具体流程如下：
a加工仿真模块依据工艺方案，对零件的加工过程进行数字化加工仿真，进一步生成加工刀轨文件；
b代码转换接口将加工刀轨文件中的G代码转换为机械臂加工语言，利用信息处理模块的仿真验证、参数优化功能对刀轨数据进行参数修正与优化处理，输出优化后的机械臂加工刀轨文件；
c加工仿真模块根据优化后的机械臂加工刀轨文件进行仿真验证，若仿真结果不满足需求，则在信息处理模块对加工刀轨文件参数做进一步修改和优化，直至仿真结果满足需求，则输出机械臂加工刀轨文件。
7.根据权利要求6所述的基于特征库的复杂曲面零件机械臂加工方法，其特征在于，所述步骤b中将G代码转换为机械臂加工语言是在代码转换接口利用常用的欧拉角变化法对切削过程中刀轴矢量的控制过程进行坐标变化，以达到变化坐标参数、防止干涉、去除多余坐标、避开奇异点、提高走刀效率的刀轨优化目的。
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