CN108663991A - 一种面向镜像铣削加工的双通道同步加工方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向镜像铣削加工的双通道同步加工方法，用于在镜像加工工件表面时，对执行镜像加工的刀具与支撑体的双通道编程轨迹的同步段进行同步处理，包括如下步骤：步骤1：以双通道其中一个通道的同步段编程轨迹为主，根据两个通道同步的几何关系，计算出另一个通道的编程轨迹，再将主通道与从通道的编程轨迹分别进行样条拟合，得到双通道同步段的加工代码；步骤2：建立双通道同步段的加工代码之间的同步关系，以使双通道同步段的加工代码同步开始和结束执行。本发明在代码层面实现控制指令的协同同步，具有普适性，广泛适用于多种铣削机床结构。

Description

一种面向镜像铣削加工的双通道同步加工方法及设备

技术领域

本发明属于数控铣削机床领域，更具体地，涉及一种面向薄壁箱体镜像加工的双通道同步加工方法。

背景技术

数控系统通道指的是能够独立进行数控控制的单元结构。单通道数控系统在同一时间内一个通道只能执行一个任务控制一条运动链，而双通道数控系统指的是能在同一时间执行两个任务控制两条运动链的系统。

镜像铣削加工是一种针对航空航天大型薄壁类工件精确、绿色制造而专门开发的新型加工方式，用于替代传统的化铣工艺。镜像加工的基本原理是铣削工具和支撑体在工件两侧镜像对称分布。刀具在加工时，支撑体在刀具的对侧跟随运动并法向支撑防止工件变形。这种加工方式不仅能精确控制铣削的壁厚，还能实现精确的铣边、铣窗、铣孔，是薄壁件加工的整体解决方案。

申请号201410680675.5，授权公告号CN104360636B名为“一种面向镜像铣削的双通道协调运动控制方法”的中国专利中，描述了一种面向桶状圆柱面薄壁工件镜像加工的控制方法：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，其中双通道内外工作头同步控制前提条件是通过同一圆柱坐标系在不同半径上建立内外加工空间，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；大连理工“大型薄壁构件镜像加工系统协调控制研究”中提出基于Tricept混联机构的同步控制策略——镜像加工机构关节空间交叉耦合控制策略，在现有轨迹规划的基础上根据镜像加工系统中执行机构的组成给出同步目标的定义并推导镜像加工系统关节空间的同步误差，通过耦合算法分析处理反馈信号来改变关节控制的输入量，实现同步协调。

上述两个例子都是基于特定的机床结构提出的控制方法，不适于在其他机床上推广使用，因而具有较大局限性。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种面向镜像铣削加工的双通道同步加工方法，其目的在于从代码层级实现双通道同步控制，由此减少对机床自身结构的依赖，从而具备普适性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种面向镜像铣削加工的双通道同步加工方法，用于在镜像加工工件表面时，对执行镜像加工的刀具与支撑体的双通道编程轨迹的同步段进行同步处理，包括如下步骤：

步骤1：以双通道其中一个通道的同步段编程轨迹为主，根据刀具与支撑体的同步对顶关系，计算出另一个通道同步段的编程轨迹，再将双通道的编程轨迹进行样条拟合，得到双通道同步段的加工代码；

步骤2：建立双通道同步段的加工代码之间的同步关系，以使双通道同步段的加工代码同步开始和结束执行。

进一步地，双通道同步段的加工代码同步完成后，按照如下方法建立插补点：

设一个插补周期里的插补行程称为ΔX，当前插补段之间的插补行程总长度为S，则插补速度规划为V＝ΔX/K，双通道的插补周期相同且在每一个插补周期里对双通道的插补器共享插补速度规划从而同步产生插补点。

进一步地，步骤2中，双通道同步段的加工代码行数相同且行与行一一对应，而且在相互对应的行所表示的两个编程点上，刀具和支撑体满足对顶关系；对顶关系定义如下：

刀具顶在工件待加工表面的点为A1、支撑体顶在A1相对侧的工件支撑表面的点为A2，则A1和A2为互为对应的编程点，其位于G代码中的行相互对应；向量n1为工件待加工表面在A2处的法向量，支撑体在A2处的轴线与n1共线，A1位于n1与工件待加工表面的交点上，则A1、A2对顶。

进一步地，步骤2中，在双通道同步段中相互对应的同步加工代码之前设置同步标记，并通过双通道代码同步解释机制使双通道同步段的加工代码保持同步，双通道代码解释机制包括如下步骤：

2.1、解释一行加工代码；

2.2、判断加工代码是否全部解释完成，是，则结束代码解释；否则，进入步骤2.3；

2.3、判断本通道的代码是否解释到同步标记处，是，则进入步骤2.4；否则，进入步骤2.5；

2.4、判断另一通道是否解释到同步标记处，是，则进入步骤2.5；否则，返回步骤2.3或一直等待直至另一通道解释到同步标记处，然后进入步骤2.5；

2.5、判断双通道是否均处于同步段解释过程，是，则进入步骤2.6；否则，返回步骤2.1，进行下一行加工代码的解释；

2.6、对双通道同步段加工代码进行校验，判断双通道同步段加工代码是否完成同步，是，则返回步骤2.1，进行下一行加工代码的解释；否则，抛出异常，并对异常代码进行修正。

进一步地，该方法还包括如下同步校验机制：建立双通道同步段加工代码之间的加工代码数据块映射表，使任一通道内的每一行加工代码经解释后生成的加工代码数据块，在另一通道中都有唯一对应的另一个加工代码数据块；

步骤2.1中，每解释一行加工代码，则生成该行加工代码对应的代码数据块；

步骤2.6中，通过对比双通道当前生成的两个对代码数据块与代码数据映射表是否一致来验证当前加工代码是否同步，如果不一致则进入异常处理流程。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如前所述的任意一种方法。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种实时检测施工现场图像中多类实体对象的设备，包括如前所述的计算机可读存储介质以及处理器，处理器用于调用和处理计算机可读存储介质中存储的计算机程序。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

①在数控系统层面实现控制指令的协同同步具有普适性，适用于多种机床结构；

②同步段采用统一的速度规划，使双通道的同步运动更平顺；

③实现双通道插补点的实时同步，因此运动轨迹的同步精度高于现有其它同步方式。

附图说明

图1是本发明所提出的对顶关系的定义示意图；

图2是本发明的总体流程图；

图3是本发明的两个通道G代码示例；

图4是本发明同步处理前后两个通道编程轨迹的对比图；

图5是本发明双通道同步解释机制的工作流程图；

图6是本发明双通道同步段指令校验机制的工作流程图；

图7是本发明采用共享速度规划的方法实现双通道插补级运动同步架构图；

图8是本发明中根据主通道路径轨迹点生成从通道控制点路径的轨迹点示意图；

图9是本发明对主通道和从通道运动轨迹进行样条拟合图；

图10是本发明的两通道同步功能开关和通道间等待的示例；

图11是双通道插补级指令同步的示意图。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

同步运动是指两个通道控制的运动链按照一定的同步运行关系运动，而在镜像铣削中的同步运动，本发明提出一种“对顶”关系来描述，如图1为刀具刀尖点和支撑体控制点的编程轨迹，“对顶”关系解释如下：A1和A2为一对在工件内外表面互相对应的编程点(即插补点)，向量n1为工件内表面A2处的法向量，支撑体在A2处的轴线方向矢量与该处的法向量n1共线，对应的刀具刀尖点A1在法向量n1与上表面(工件外表面)的交点上，则A1、A2对顶。同理，B1和B2为一对在工件内外表面对应的插补点，向量n2为工件内表面B2处的法向量，支撑体在B2处的轴线方向矢量与该处的法向量n2共线，对应的的刀具刀尖点B1在法向量n2与工件外表面的交点上，则B1和B2对顶。

本发明实现的插补级同步运动是指在双通道插补过程中每个通道产生的插补点位置都同时和另一个通道插补点位置处于对顶关系。本发明是基于多通道数控系统提出一种普适性双通道同步加工方法，相较于背景技术中的两个基于机床结构出发的控制方法，本发明是在数控系统层级通过同步双通道的控制指令来达到插补级同步加工的目的。本发明提出的方法是针对数控系统的控制方法，可以适用于多种结构的机床，能保证双通道插补指令点的同步，且控制精度高于现有同步控制方法，实现镜像铣削加工双通道多轴插补级的协同控制。

本发明提出一种面向镜像铣削加工的双通道同步加工方法，主要包括：双通道轨迹的同步处理机制，双通道加工代码同步解释机制，双通道同步段指令校验机制，采用共享速度规划的方法实现双通道插补级运动同步架构。本发明提出的双通道插补级同步控制方法的总体流程如图2所示：

为了实现这一目的，本发明采取的技术方案包括：

步骤1：双通道轨迹的同步

使用轨迹同步处理器处理两条运动轨迹的同步段使其都保持对偶关系，将样条拟合步骤提出到系统外部实现。为了实现双通道轨迹上的同步，首先对两个通道同步段编程轨迹进行同步化处理，以其中一个编程轨迹为主根据同步几何关系计算出另一个编程轨迹，再将生成的两条编程轨迹进行样条拟合，从而得到两个通道同步的加工代码。

步骤2：双通道轨迹加工代码的同步

输入到数控系统的两个通道的G代码由同步段和非同步段构成，如图3所示。在同步段两个G代码首先要满足行数相同，其次要满足行与行的一一对应关系，而且在对应行的编程位置处两个通道的刀具和支撑体满足“对顶”关系。但是由于工艺软件生成的两个通道的运动轨迹在同步段的刀位点可能不满足同步的条件，即同步段刀位点数目可能不同，对应的刀位点处也可能不满足“对顶”关系，所以需要有一个双通道轨迹同步处理的机制，保证处理之后生成的两个通道的G代码在同步段满足要求。如图4为同步处理前后两个通道编程轨迹的对比。

本步骤的主要工作机制如下：

(1)双通道加工代码同步解释机制

两个通道的加工代码行数可能并不相同且同步段代码的行号不一定一致，保证在数控系统中同时开始执行加工代码，且在同步段起点两个通道的运动链末端满足对顶关系，并建立双通道同步段加工代码的同步关系，保证双通道加工代码起始的同步。

(2)双通道同步段指令校验机制

加工代码经过解释器解释后产生对应的代码数据块。解释器在对同步段加工代码进行解释时生成代码数据映射表，同步段代码任一通道的代码块数据都对应另一个通道确定的代码数据块。

建立同步段指令校验机制，通过对比对代码数据块与代码数据映射表是否一致来保证同步性，如果不一致则进入异常处理流程。

如图6为双通道同步段指令校验机制的流程图。

如图5所示，双通道轨迹加工代码的同步步骤如下：

2.1、解释一行加工代码，并生成该行加工代码对应的代码数据块；

2.2、判断加工代码是否全部解释完成，是，则结束代码解释；否则，进入步骤2.3；

2.3、判断本通道的代码是否解释到同步标记处，是，则进入步骤2.4；否则，进入步骤2.5；

2.4、判断另一通道是否解释到同步标记处，是，则进入步骤2.5；否则，返回步骤2.3或一直等待直至另一通道解释到同步标记处，然后进入步骤2.5；

2.5、判断双通道是否均处于同步段解释过程，是，则进入步骤2.6；否则，返回步骤2.1，进行下一行加工代码的解释；

2.6、建立双通道同步段加工代码之间的加工代码数据块映射表，使任一通道内的每一行加工代码经解释后生成的加工代码数据块，在另一通道中都有唯一对应的另一个加工代码数据块。

对双通道同步段加工代码进行校验，通过对比双通道当前生成的两个对代码数据块与代码数据映射表是否一致来验证当前加工代码是否同步，是，则返回步骤2.1，进行下一行加工代码的解释；否则，抛出异常，并对异常代码进行修正。

按照上述步骤完成双通道加工代码重构后，采用共享速度规划的方法实现双通道插补级运动同步架构。

实现双通道插补级同步通过以下两个步骤：共享速度规划，双通道的插补器协同。一个插补周期里的插补行程称为ΔX，当前插补段之间的插补行程总长度为S，则速度规划为V＝ΔX/K。双通道的插补周期相同且每一个插补周期里对两个通道的插补器进行沟通同步，共享速度规划同步产生插补点。如图7为采用共享速度规划的方法实现双通道插补级运动同步架构。

以下以一种半球形均匀薄壁件为例，详细介绍本发明的步骤：

步骤1：双通道加工轨迹的同步处理

经过几何建模和工艺分析可以得到两个通道的运动轨迹，由于两个通道的运动轨迹要满足同步关系，所以需要进行同步化处理，即以其中一个通道(称为主通道)的运动轨迹为主根据两个通道的同步几何关系生成另一个通道(称为从通道)的运动轨迹。通道路径根据需不需要同步分为两种：同步轨迹段和不同步轨迹段。从通道同步段路径的生成以主通道同步轨迹段为依据。为了使从通道生成的轨迹点满足与主通道轨迹点的同步关系，需要采用一定的方法进行处理。

如图8中，主通道同步轨迹段中的一个轨迹点A1，在A1点处工件外表面的法向量为n1，n1反向延长与内表面的交点为A2，A2即为与A1对应的从通道控制点轨迹的轨迹点。在A2处做内表面的法向量n2，此法向量即为从通道轴线的方向矢量n2。

此处得到的主通道和从通道的运动轨迹是由刀位点组成的，相邻刀位点之间由线段相连，由于轨迹中刀位点数量和密度都比较大使得相邻刀位点之间的线段长度很小，这在加工时会引起振动等问题，不利于提高加工质量。为此本发明采用样条拟合的方法对主通道和从通道的运动轨迹进行光顺处理。如图9所示，虚线为未拟合的两个通道的运动轨迹，实线为拟合之后得到的样条曲线，可以看出经过样条拟合之后，运动轨迹的光顺性有明显的改善。

步骤2：将步骤1同步处理得到的双通道轨迹转换成G代码传入数控系统，并进行G代码的同步。

双通道加工代码解释的同步机制如图5及图10，数控系统双通道的解释器加载经过同步处理之后的G代码，为了保证两个通道在解释同步行代码时同时开始，在同步段代码起始行前加入双通道同步解释的标记M140，当通道解释到该标记之后就会开启双通道协同解释功能。

由于两个通道同步段代码的起始行号不一定相同且执行时两个通道不一定同时执行到同步段的起始行，所以为保证同步段代码的同时开始执行需要加入通道间的等待功能。通过在两个通道的同步段起始行之前中加入等待标记，先执行到标记的通道等待另一个通道，当另一个通道执行到标记时，两个通道建立同步关系。示例见图10。

双通道同步段代码数据映射表及校验机制

根据建立的双通道同步关系生成代码数据映射表，同步段代码任一通道的代码块数据都对应另一个通道确定的代码数据块，实现同步段双通道代码块的一一对应。

在速度规划器和插补器执行过程中加入校验机制，与代码数据映射表对比两个通道正在执行的代码块是否满足同步关系，如果出现同步异常进入异常处理机制。

共享速度规划的方法实现双通道插补级运动同步

当校验通过后，插补器通过共享速度规划产生插补数据。

速度规划的作用是根据机床运动轴的物理限制和运动学关系等得到每个插补周期的实时进给速度。这个实时的进给速度具体来说就是每个插补周期的插补行程。数控系统会通过速度规划得到本插补周期的插补行程。

要保证加工过程中两个通道插补指令点的实时同步，就需要同步两个通道的插补过程。同步运动时从通道不进行速度规划而是共享主通道的速度规划数据。在每个插补周期中将两个通道的插补行程进行同步，从而保证在每个插补周期中两个通道都是同步运动。

在同步段执行过程中，一个插补周期里的插补行程称为ΔS,当前插补段之间的插补行程总长度为S,则共用的速度规划为V＝ΔS/S。两个通道在每个插补周期里的插补行程，分别称为ΔS1，ΔS2。两个通道每行代码所对应的加工轨迹长度分别为S1，S2。假设以通道1的速度规划为共享速度规划，则有ΔS＝ΔS1,S＝S1，通过共享一个速度规划实现两个通道插补周期的同步。

如图11所示，假设当前时刻两个通道已经执行完的轨迹长度分别为X1,X2，要保证两个通道在该时刻的同步就要保证X1/S1＝X2/S2。而X1和X2是从代码开始执行到该时刻之间的每个插补周期中插补行程的累加值，因此通过保证每个插补周期中ΔS1/S1＝ΔS2/S2，就可以保证X1/S1＝X2/S2，即可以计算出当前插补周期的插补增量。

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 (7)

1.一种面向镜像铣削加工的双通道同步加工方法，用于在镜像加工工件表面时，对执行镜像加工的刀具与支撑体的双通道编程轨迹的同步段进行同步处理，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：以双通道其中一个通道的同步段编程轨迹为主，根据刀具与支撑体的同步对顶关系，计算出另一个通道同步段的编程轨迹，再将双通道的编程轨迹进行样条拟合，得到双通道同步段的加工代码；

步骤2：建立双通道同步段的加工代码之间的同步关系，以使双通道同步段的加工代码同步开始和结束执行。

2.如权利要求1所述的一种面向镜像铣削加工的双通道同步加工方法，其特征在于，双通道同步段的加工代码同步完成后，按照如下方法建立插补点：

设一个插补周期里的插补行程称为ΔX，当前插补段之间的插补行程总长度为S，则插补速度规划为V＝ΔX/K，双通道的插补周期相同且在每一个插补周期里对双通道的插补器共享插补速度规划从而同步产生插补点。

3.如权利要求1或2所述的一种面向镜像铣削加工的双通道同步加工方法，其特征在于，步骤2中，双通道同步段的加工代码行数相同且行与行一一对应，而且在相互对应的行所表示的两个编程点上，刀具和支撑体满足对顶关系；对顶关系定义如下：

刀具顶在工件待加工表面的点为A1、支撑体顶在A1相对侧的工件支撑表面的点为A2，则A1和A2为互为对应的编程点，其位于G代码中的行相互对应；向量n1为工件待加工表面在A2处的法向量，支撑体在A2处的轴线与n1共线，A1位于n1与工件待加工表面的交点上，则A1、A2对顶。

4.如权利要求3所述的一种面向镜像铣削加工的双通道同步加工方法，其特征在于，步骤2中，在双通道同步段中相互对应的同步加工代码之前设置同步标记，并通过双通道代码同步解释机制使双通道同步段的加工代码保持同步，双通道代码解释机制包括如下步骤：

2.1、解释一行加工代码；

2.2、判断加工代码是否全部解释完成，是，则结束代码解释；否则，进入步骤2.3；

2.3、判断本通道的代码是否解释到同步标记处，是，则进入步骤2.4；否则，进入步骤2.5；

2.4、判断另一通道是否解释到同步标记处，是，则进入步骤2.5；否则，返回步骤2.3或一直等待直至另一通道解释到同步标记处，然后进入步骤2.5；

2.5、判断双通道是否均处于同步段解释过程，是，则进入步骤2.6；否则，返回步骤2.1，进行下一行加工代码的解释；

2.6、对双通道同步段加工代码进行校验，判断双通道同步段加工代码是否完成同步，是，则返回步骤2.1，进行下一行加工代码的解释；否则，抛出异常，并对异常代码进行修正。

5.如权利要求4所述的一种面向镜像铣削加工的双通道同步加工方法，其特征在于，还包括如下同步校验机制：建立双通道同步段加工代码之间的加工代码数据块映射表，使任一通道内的每一行加工代码经解释后生成的加工代码数据块，在另一通道中都有唯一对应的另一个加工代码数据块；

步骤2.1中，每解释一行加工代码，则生成该行加工代码对应的代码数据块；

步骤2.6中，通过对比双通道当前生成的两个对代码数据块与代码数据映射表是否一致来验证当前加工代码是否同步，如果不一致则进入异常处理流程。

6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～5任一项所述的方法。

7.一种实时检测施工现场图像中多类实体对象的设备，其特征在于，包括如权利要求6所述的计算机可读存储介质以及处理器，处理器用于调用和处理计算机可读存储介质中存储的计算机程序。