CN113515088A - 利用高温红外热成像实现工件优化加工的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用高温红外热成像实现工件优化加工的方法，属于工件优化加工领域。本方法利用高精度高灵敏度高温红外热成像设备采集加工过程中的刀具以及周边区域的实际温度，采用热分析方式，结合工件三维结构图、工艺参数表和刀具参数表获得理想工况温度，以理想工况温度和实际温度间的差值为引导，来调整加工过程中刀具的进给速度、工件的转速和冷却液使用量，从而控制加工温度在理想工况范围内，降低了刀具磨损情况，增加了刀具使用寿命，此外，由于温度控制得当，也大大降低了被加工工件材料的损伤，实现数控机床工件加工的优化，最终实现加工能耗降低。
Description
技术领域
本发明属于工件优化加工领域，更具体地，涉及一种利用利用高温红外热成像技术实现工件优化加工的方法。
背景技术
当前制造业的能耗一直是能源消耗的主要方面，机加工系统的能耗在能耗方面一直居于主导地位。随着环境问题的越发突出，降低能源消耗是所有制造业的重要任务。降低能耗的首要方面就是对能耗进行实时的监测和采集，对能耗数据进行评估后才能制定具体的降低能耗策略。
数控机床加工过程中，不同的工件材料在不同的加工工艺(包括刀具选择、切削、进给速度等)下加工区域(即刀具与加工工件接触区域)位置处的温度大不相同，而不同的接触点温度则对刀具和能耗有着不同的影响，加工速度快，则能耗相对较低，但是加工速度过快时，容易对刀具产生更大损伤，导致刀具过快报废，从而增加更换刀具和设备维护费用，并增加了生产能耗。
如何选择加工速度、控制加工力度和加工温度是绿色制造中的一个关键问题，如何在保证刀具磨损最小化的前提下尽可能大的提升加工速度并降低工件加工能耗、并实现工件优化加工，是一个亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于，提供一种利用高温红外热像仪实现工件优化加工的方法，通过对加工过程的温度进行实时监测，并与理想工况温度进行比较，从而控制加工过程的速度和力度，实现数控机床工件加工的能耗预测和降低，切实实现了工件的优化加工。
为实现上述目的，本发明提供了一种利用高温红外热成像实现工件优化加工的方法，其利用高温红外热像仪采集加工过程的刀具以及周边区域的实际温度，采用热分析方式，结合工件三维结构图、工艺参数表和刀具参数表获得理想工况温度，根据理想工况温度和实际温度，从而调整加工过程的速度、力度和冷却液使用量，控制加工温度在设定范围内，实现数控机床工件加工的优化，最终实现加工能耗降低。
进一步的，其具体包括如下步骤：
S1：安装高温红外热成像仪，然后调试高温红外热成像仪，待其正常工作后，启动处理器及控制器系统，
S2：开启数控机床系统，将待加工工件放置在转轴夹具中，刀具对刀，开始加工，
S3：从刀具起始位置起实时采集加工温度并实时生成红外温度图谱，检测刀具与工件接触端的温度最大值，监测刀具受力情况，
S4：将工件加工工艺参数、刀具参数和材料参数导入热分析系统进行分析处理，得出工件加工的理想温度，
S5：将热分析系统分析的理想温度与高温红外热像仪的红外成像图谱导出的实际温度进行比对，
S6：若高温红外热成像仪检测的实际温度比热分析系统分析的理想温度高，则将温度偏差信号传输到处理器及控制器系统，由处理器及控制器系统中的处理器及时给出理想冷却液的量、理想进给量、理想加工速度，
S7：处理器及控制器系统中输出的理想冷却液的量、理想进给量和理想转速信息传递给数控机床系统，由数控机床系统调整加工工艺参数进行优化加工。
进一步的，其还包括步骤S8：将实行优化加工时段内的机床能耗数据储存在数据库系统中，并对先前同等条件下的加工策略进行迭代，该加工策略包括转速、进给量和冷却液使用量。
进一步的，步骤S3中，从刀具起始位置起实时采集加工温度并实时生成红外温度图谱，检测刀具与工件接触端的温度最大值，将红外温度图谱、刀具与工件接触端的温度最大值保存在存储器系统中的红外温度储存区中，用于后期随时调用。
进一步的，步骤S6中，若红外热成像仪检测的实际温度比热分析系统分析的理想温度高，且偏差在5％-20％之间，将温度偏差信号传输到处理器及控制器系统，由处理器及控制器系统中的处理器及时给出理想冷却液的量、理想进给量、理想加工速度。
进一步的，步骤S6中，若外红成像仪检测的实际温度比热分析系统分析的理想温度高，且偏差在5％-10％之间，将温度偏差信号传输到处理器及控制器系统，由处理器及控制器系统中的处理器及时给出理想冷却液的量、理想进给量、理想加工速度和理想的切削力。
进一步的，工作时，先设定一个较小的工件转速和刀具进给量，利用高温红外热成像仪采集加工过程的刀具以及周边区域的实际温度，采用热分析方式获得理想工况温度，当实际温度低于刀具理想工况温度时，转速和进给量逐步增加，直到刀具和工件接触点区域温度高于理想工况温度，此时转速和进给量同时降低，同时冷却液使用量增加以用于降低加工温度，当温度降低后，再次循环上述过程，使得整个加工过程构成动态平衡过程。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明中，采用高温红外热像仪采集加工过程中的实际温度，以热分析模式获取理想工况温度，根据理想工况温度、刀具以及周边区域的实际温度调整加工工艺参数，包括理想冷却液的量、理想进给量、理想加工速度和理想的切削力，以上的过程在整个加工过程中均持续进行，因此，本发明方法实际上是一个动态的闭环过程，能较好的实现加工工艺的优化。
在上过程中实时存储了各类加工工件和刀具的实时温度和预测温度，能够为后续同类型工件的优化加工提供基础，积累数据经验，实现加工工件过程中的实时能耗预测及后续同类工件的工艺优化。
附图说明
图1是本发明中利用红外相机实现能耗预测及工件优化加工的工作流程示意图。
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。
本发明基于数字孪生理论，针对数控机床工件加工过程的能耗和工件优化加工问题，提出一种依托高温红外热成像技术实现工件优化加工的方法。
图1是本发明中利用红外相机实现能耗预测及工件优化加工的工作流程示意图，由图可知，本发明提供了一种利用高温红外热像仪实现工件优化加工的方法，其利用高温红外热像仪采集加工过程的刀具以及周边区域的实际温度，采用热分析方式，结合工件三维结构图、工艺参数表和刀具参数表获得理想工况温度，根据理想工况温度和实际温度，从而调整加工过程的速度、力度和冷却液使用量，控制加工温度在设定范围内，实现数控机床工件加工的优化，最终实现加工能耗降低。
结合图1可知，本发明方法具体包括如下步骤：
S1：安装高温红外热成像仪，然后调试高温红外热成像仪，待其正常工作后，启动处理器及控制器系统，
S2：开启数控机床系统，将待加工工件放置在转轴夹具中，刀具对刀，开始加工，
S3：从刀具起始位置起实时采集加工温度并实时生成红外温度图谱，检测刀具与工件接触端的温度最大值，监测刀具受力情况，步骤S3中，从刀具起始位置起实时采集加工温度并实时生成红外温度图谱，检测刀具与工件接触端的温度最大值，将红外温度图谱、刀具与工件接触端的温度最大值保存在存储器系统中的红外温度储存区中，用于后期随时调用。
S4：将工件加工工艺参数、刀具参数和材料参数导入热分析系统进行分析处理，得出工件加工的理想温度，
S5：将热分析系统分析的理想温度与高温热成像仪的红外成像图谱导出的实际温度进行比对，
S6：若外红成像仪检测的实际温度比热分析系统分析的理想温度高，且偏差在10％-50％之间，则将温度偏差信号传输到处理器及控制器系统，由处理器及控制器系统中的处理器及时给出理想冷却液的量、理想进给量、理想加工速度和理想的切削力。
作为进一步的优选，步骤S6中，若外红成像仪检测的实际温度比热分析系统分析的理想温度高，且偏差在5％-20％之间，将温度偏差信号传输到处理器及控制器系统，由处理器及控制器系统中的处理器及时给出理想冷却液的量、理想进给量、理想加工速度和理想的切削力。
更进一步的优选，步骤S6中，若外红成像仪检测的实际温度比热分析系统分析的理想温度高，且偏差在5％-10％之间，将温度偏差信号传输到处理器及控制器系统，由处理器及控制器系统中的处理器及时给出理想冷却液的量、理想进给量、理想加工速度和理想的切削力。
S7：处理器及控制器系统中输出的理想冷却液的量、理想进给量和理想转速信息传递给数控机床系统，由数控机床系统调整加工工艺参数进行优化加工，
S8：将实行优化加工时段内的机床能耗数据储存在数据库系统中，并对先前同等条件下的加工策略进行迭代，该加工策略包括转速、进给量和冷却液使用量。
在实际工程实践中，工作时，先设定一个较小的工件转速和刀具进给量，利用高温红外热成像仪采集加工过程的刀具以及周边区域的实际温度，采用热分析方式获得理想工况温度，当实际温度低于刀具理想工况温度时，转速和进给量逐步增加，直到刀具和工件接触点区域温度高于理想工况温度，此时转速和进给量同时降低，同时冷却液使用量增加以用于降低加工温度，当温度降低后，再次循环上述过程，使得整个加工过程构成动态平衡过程。
实现本发明方法的装置为利用红外相机实现能耗预测及工件优化加工的装置，其主要组成为：包括作为主体的数控机床系统，用作温度采集的高温红外热像仪系统，用于信息存放的存储器系统，用于提供理想状态的热分析系统以及用于信息处理和机床控制的处理器及控制器系统。其中，高温红外热像仪系统可以完整采集到刀具与工件的加工位置，且显示在成像仪的中部区域，用于提供理想状态的热分析系统能够根据提供的工件结构图、工艺参数表和刀具参数，通过CAE热分析模块获得理想的工况温度。用于信息处理和机床控制的处理器及控制器系统中处理器可以根据给定的温度偏差预测得到理想转速、理想进给量和理想冷却液输出量，并且，用于信息处理和机床控制的处理器及控制器系统中控制器可以根据预测的理想转速、预测的理想进给量和预测的理想冷却液输出量，实时调整数控机床中的自动调节运动机构。
更具体的，高温红外热像仪系统包括高温热红外成像仪以及与其配套零部件或模块，其配套的零部件或者模块包括电源适配器、输入输出端口和数据线，各个零部件或模块的设置或者连接关系为：电源适配器与红外热成像仪相连接，为红外热成像仪供电，数据线通过输入端口与红外热成像仪相连接，将实时采集的数据传输出来，然后再通过与数据线另一端相连的输出端口与处理器及控制器系统中的处理器相连，将输出的数据导入到处理器中进行处理。高温红外热像仪系统作用主要是采集加工工件与刀具接触位置及周边的实时温度，并将此实时温度储存在对应的存储器系统的加工区域温度存储器中，便于随时调用。存储器系统包括加工区域温度存储器、理想工况温度存储器、偏差温度存储器、预测理想转速存储器、预测理想进给量存储器、预测理想冷却液输出量存储器。存储器系统作用主要是用于存储检测到的数据和生成的数据。例如，加工区域温度存储器用于存储检测到的加工工件与刀具接触位置及周边的实时温度，理想工况温度存储器用于存储不同材料和刀具最适合工作的温度区间，偏差温度存储器用于存储理论最大温度值与实际加工温度的偏差数据，预测理想转速存储器存储理论计算的加工转速数据，预测理想进给量存储器存储理论计算获得的最佳进给量数据，预测理想冷却液输出量存储器存储理论计算获得的冷却液输出量数据。热分析系统包括工件三维结构图模块、工艺参数表模块、CAE热分析模块及刀具参数列表模块，其目的是通过CAE热分析模块对输入至工件三维结构图模块的工件三维结构图进行热分析、对输入至工艺参数表模块的工艺参数表和输入至刀具参数列表模块的刀具参数进行热分析，从而能获得理想的工况温度。处理器及控制器系统包括中央处理器和控制器，其中，中央处理器用于根据温度偏差计算获得各类机床控制参数，而控制器用于根据计算得到的控制参数对机床进行实时控制。各类机床控制参数包括加工转速、进给量和冷却液输出量。
在一个具体的实施例中，加工中心或者称为数控机床的型号为VMC855加工中心，高温红外热成像仪器为MCS640高温热成像仪，该热成像仪的测量温度范围在600到3000摄氏度，测量精度为0.5％，可以满足大部分合金材料的加工，高温热成像仪安装在加工中心的安装架上，实时采集加工刀具的温度，当高温红外热成像仪检测的温度达到理想工况温度的95％开始调控，调控温差控制在实际温度的1％以内，将温度偏差信号传输到处理器及控制器系统，由处理器及控制器系统中的处理器及时给出理想冷却液的使用量、刀具理想进给量、工件的理想加工转速和理想的切削力。
本发明中装置实际采用了一种数字孪生技术，整个装置类似于一种数字孪生模型，数字孪生模型是指一种实现数控系统加工及能耗预测和迭代优化的框架，数字孪生技术是指实现数控系统进行工件加工及能耗预测和迭代优化的具体行动方案。
本发明方法通过对加工过程的温度进行实时监测，并与理想工况温度进行比较，从而控制加工过程的工件旋转速度和刀具进给的力度，最终实现数控机床工件加工的能耗预测和降低，切实实现了工件的优化加工。
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)
1.一种利用高温红外热成像实现工件优化加工的方法，其特征在于，利用高温红外热像仪采集加工过程的刀具以及周边区域的实际温度，采用热分析方式，结合工件三维结构图、工艺参数表和刀具参数表获得理想工况温度，根据理想工况温度和实际温度的差值，调整加工过程中刀具的进给速度、工件的转速和冷却液使用量，控制加工温度在设定范围内，实现数控机床工件加工的优化，最终实现加工能耗降低。
2.如权利要求1所述的一种利用高温红外热像仪实现工件优化加工的方法，其特征在于，其具体包括如下步骤：
S1：安装高温红外热像仪，然后调试所述高温红外热成像仪，待其正常工作后，启动处理器及控制器系统，
S2：开启数控机床系统，将待加工工件放置在转轴夹具中，刀具对刀，开始加工，
S3：从刀具与加工工件开始接触起实时采集加工温度并实时生成红外温度图谱，检测刀具与工件接触端的温度最大值，
S4：将工件加工工艺参数、刀具参数和材料参数导入热分析系统进行分析处理，得出工件加工的理想温度，
S5：将热分析系统分析的理想温度与高温红外热像仪的红外成像图谱导出的实际温度进行比对，
S6：若高温红外热成像仪检测的实际温度比热分析系统分析的理想温度高，则将温度偏差信号传输到处理器及控制器系统，由处理器及控制器系统中的处理器及时给出理想冷却液的量、理想的刀具进给量、理想的工件转速，
S7：处理器及控制器系统中输出的理想冷却液的量、理想进给量和理想转速信息传递给数控机床系统，由数控机床系统调整加工工艺参数进行优化加工。
3.如权利要求2所述的一种利用高温红外热像仪实现工件优化加工的方法，其特征在于，其还包括步骤S8：将实行优化加工时段内的机床能耗数据储存在数据库系统中，并对先前同等条件下的加工策略进行迭代，该加工策略包括转速、进给量和冷却液使用量。
4.如权利要求3所述的一种利用高温红外热像仪实现工件优化加工的方法，其特征在于，步骤S3中，从刀具与加工工件开始接触起实时采集加工温度并实时生成红外温度图谱，检测刀具与工件接触端的温度最大值，将红外温度图谱、刀具与工件接触端的温度最大值保存在存储器系统中的红外温度储存区中，用于后期随时调用。
5.如权利要求4所述的一种利用高温红外热像仪实现工件优化加工的方法，其特征在于，步骤S6中，若外红成像仪检测的实际温度比热分析系统分析的理想温度高，且偏差在5％-20％之间，将温度偏差信号传输到处理器及控制器系统，由处理器及控制器系统中的处理器及时给出理想冷却液的量、理想进给量、理想加工速度。
6.如权利要求4所述的一种利用高温红外热像仪实现工件优化加工的方法，其特征在于，步骤S6中，若外红成像仪检测的实际温度比热分析系统分析的理想温度高，且偏差在5％-10％之间，将温度偏差信号传输到处理器及控制器系统，由处理器及控制器系统中的处理器及时给出理想冷却液的量、理想进给量、理想加工速度。
7.如权利要求1所述的一种利用高温红外热像仪实现工件优化加工的方法，其特征在于，工作时，先设定一个较小的工件转速和刀具进给量，利用高温红外热像仪采集加工过程的刀具以及周边区域的实际温度，采用热分析方式获得理想工况温度，当实际温度低于刀具理想工况温度时，转速和进给量逐步增加，直到刀具和工件接触点区域温度接近理想工况温度，此时转速和进给量按照预定要求进行降低，同时冷却液使用量增加以用于降低加工温度，当温度降低后，再次循环上述过程，使得整个加工过程构成动态平衡过程。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115328031A (zh) * | 2022-10-10 | 2022-11-11 | 广东亚数智能科技股份有限公司 | 一种计算机辅助制造的方法、装置、电子设备及存储介质 |
| CN115328031B (zh) * | 2022-10-10 | 2022-12-30 | 广东亚数智能科技股份有限公司 | 一种计算机辅助制造的方法、装置、电子设备及存储介质 |
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