专利名称：开放式智能铣削加工系统及基于该系统的铣削加工方法
技术领域：
本发明涉及一种开放式智能铣削加工系统及基于该系统的铣削加工方法，属于机械加工领域。
背景技术：
实现加工过程的自动化、智能化一直是现代制造技术发展的两个主要目标。在传统的金属切削加工过程中，为了防止机床过载和保护刀具，以及消除各种不确定因素的影响，切削用量往往是通过查有关机械加工工艺手册凭经验确定，为确保加工过程稳定，加工中往往只允许对关键参数(如进给速度、主轴转速等)设定一次。这使得加工时间延长，并且由于切削力的波动造成了刀具的变形，由于切削负荷造成了过早的刀具磨损，降低了工件加工质量。目前，为提高加工效率，加工参数通常通过离线算法进行优化，由于在实际加工过程中加工工况不断变化(如刀具磨损、热量产生、过程扰动等)，使离线优化的加工参数不能维持加工目标总是最优，并且在加工过程中关键参数也不能实时被调整，从而影响数控加工的效率。发明内容
本发明目的是为了解决现有采用离线算法进行优化的铣削加工系统，其离线优化的加工参数不能维持加工目标总是最优，并且在加工过程中关键参数也不能实时被调整， 从而影响数控加工的效率的问题，提供了一种开放式智能铣削加工系统及基于该系统的铣削加工方法。
本发明所述开放式智能铣削加工系统，它包括三向压电式测力仪传感器、A/D转换电路、工业PC机、PCI数据采集卡、铣削控制器、SoftSERCANS通讯卡、输入输出模块和η个伺服驱动器，η为大于1的自然数，
PCI数据采集卡、铣削控制器和SoftSERCANS通讯卡设置在工业PC机上，
三向压电式测力仪传感器采集工件与刀具间相互作用产生的切削力，三向压电式测力仪传感器的信号输出端与A/D转换电路的输入端相连，A/D转换电路的输出端与PCI数据采集卡的输入端相连，PCI数据采集卡的输出端与铣削控制器的输入端相连，铣削控制器的控制信号输入输出端与SoftSERCANS通讯卡的第一输入输出端相连，SoftSERCANS通讯卡的第二输入输出端与输入输出模块的控制信号输入输出端相连，输入输出模块的每个驱动输入输出端连接一个伺服驱动器。
铣削控制器包括控制模块、人机接口模块、任务协调模块、译码模块、插补与加减速模块和轴运动模块，上述各个模块采用软件编程实现，模块间采用API接口实现连接；
人机接口模块接收外部输入的系统参数设定命令、机床工作命令和零件加工NC 程序文件，人机接口模块的输出端与任务协调模块的第一输入端相连，任务协调模块的第二输入端与PCI数据采集卡的输出端相连，任务协调模块的译码输入输出端与译码模块的输入输出端相连，任务协调模块的调用数据输入输出端与控制模块的调用输入输出端相连，任务协调模块的运动指令输出端与插补与加减速模块的运动指令输入端相连，控制模块的进给倍率输出端与插补与加减速模块的进给倍率输入端相连，插补与加减速模块的速度指令输出端与轴运动模块的输入端相连，轴运动模块的控制信号输入输出端与 SoftSERCANS通讯卡的第一输入输出端相连。
基于上述的开放式智能铣削加工系统的铣削加工方法，该方法包括以下步骤
步骤一、切削加工任务的设定铣削控制器的人机接口模块接收零件加工NC程序文件，并通过任务协调模块分配给译码模块进行译码，译码后形成的切削加工任务返回给任务协调模块；
步骤二、任务协调模块根据切削加工任务下达运动指令给插补与加减速模块，再通过轴运动模块从加工铣削控制器输出，该运动指令用于控制伺服驱动器进而控制刀具进行切削运动；
步骤三、三向压电式测力仪传感器实时采集工件与刀具间相互作用产生的切削力，并经过A/D转换电路将模拟量切削力转换成数字量切削力，所述数字量切削力由PCI数据采集卡采集后发送给铣削控制器；
步骤四、铣削控制器的控制模块根据接收到的数字量切削力获取进给倍率ξ，进而获取新的进给速度，所述新的进给速度作为刀具下一个进给速度；
步骤五、插补与加减速模块根据步骤四获取的新的进给速度确定机床的下一位置，并将该位置指令由铣削控制器通过SoftSERCANS通讯卡和输入输出模块传至相应的伺服驱动器，控制相应的刀具运动；
重复执行步骤二至步骤五，直至完成步骤一中零件加工NC程序文件设定的加工任务。
本发明的有益效果本发明所述开放式智能铣削加工系统能够在加工过程中实现同步采集工件和刀具间相互作用产生的切削力，通过分析、处理采集的切削力，并调用集成至控制模块中控制算法实现对数控加工参数(进给速度、主轴转速)的实时调整，实现加工过程的智能控制。
数据采集基于RTX驱动实现，与插补线程具有相同的硬实时环境，可将其最小采集周期降到100纳秒，并且该采集方式还具有确保高优先级的任务(如插补任务)首先执行，并不被低优先级程序(如界面显示)中断、对所有的任务直接控制、可以保证任意线程的最差响应时间为50 μ S等的优点。
本发明数控系统具有开放的体系结构，能够支持多种硬件和编程语言，与传统的封闭式数控设备相比，具有可移植、可扩展、可重构、系统的设计不依赖硬件体系结构的特点。由于控制器中各模块通过函数编程实现接口通讯，因此通过扩展部分智能函数，可增加控制器的其他智能特性，以扩展相关领域提出的新算法。
图1是本发明所述开放式智能铣削加工系统的结构示意图2是铣削控制器的结构示意图3是加工过程控制指令在铣削控制器中的传递过程的示意图4是进给倍率的修调流程示意图5是基于切削力的进给倍率模糊控制器结构原理框图6是现有普通控制器加工时主切削力变化曲线；
图7是现有普通控制加工时进给速度变化曲线；
图8是采用本发明所述开放式智能铣削加工系统加工时主切削力变化曲线；
图9是采用本发明所述开放式智能铣削加工系统加工时进给速度变化曲线；
图10是隶属度函数。
具体实施方式
具体实施方式
一下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述开放式智能铣削加工系统，它包括三向压电式测力仪传感器1、A/D转换电路2、工业PC机3、PCI数据采集卡4、铣削控制器5、SoftSERCANS通讯卡6、输入输出模块7和η个伺服驱动器8，η为大于1的自然数，
PCI数据采集卡4、铣削控制器5和SoftSERCANS通讯卡6设置在工业PC机3上，
三向压电式测力仪传感器1采集工件与刀具间相互作用产生的切削力，三向压电式测力仪传感器1的信号输出端与A/D转换电路2的输入端相连，A/D转换电路2的输出端与PCI数据采集卡4的输入端相连，PCI数据采集卡4的输出端与铣削控制器5的输入端相连，铣削控制器5的控制信号输入输出端与SoftSERCANS通讯卡6的第一输入输出端相连，SoftSERCANS通讯卡6的第二输入输出端与输入输出模块7的控制信号输入输出端相连，输入输出模块7的每个驱动输入输出端连接一个伺服驱动器8。
本实施方式以数控软件包为基础，建立应用于五轴铣床的开放式数控系统，支持模糊智能线性插补加工等数控功能。其软件平台为RTX实时扩展采用美国Venturcom公司的RT)(6. 5. 1，Windows操作系统采用Windows XP ；硬件平台为三向压电式测力仪传感器 1 ；工业PC机3采用CPU为Pentium IV 3. O GHZ、内存为IGB的艾讯(ΑΧΙ0ΜΤΕΚ)工作站； PCI数据采集卡4 ；SoftSERCANS通讯卡6采用通过PCI总线与PC机3连接的通讯卡、并通过SERCOS光纤环与外围设备连接；外围设备为六套由SERCOS接口伺服驱动器和交流伺服电机组成的数控设备、赛洋数控公司的矩阵加密数控面板。
在PCI数据采集卡4第一次插入工业PC机3的PCI插槽后，首先应将Windows下的PCI设备转换为RTX下的PCI设备。打开设备管理器，在设备管理器中更新采集卡的硬件驱动方式，将PCI设备从Windows支持转换为RTX支持，具体步骤为在RTX I^roperties控制面板的Plug and Play菜单下，选中PCI1710数据采集卡，右键单击并选中Add RTX INF Support，再单击apply以使RtxPnp. inf文件支持选中的设备。
为了避免系统中其它任务对数据采集实时性、数据采集容量等的影响，该系统采用在RTX环境下采集数据。此时由于厂商为板卡提供的驱动函数已不能直接调用，只能由用户运用RTX的函数对板卡寄存器进行操作。在安装好VC之后安装RTX，会在ftx) jects选项中自动添加RTX AppWizard这一项。通过在该环境下进行驱动程序开发，可以生成相应的开发软件框架，然后添加相应的代码即可。然后将开发的驱动程序以函数的形式添加至驱动器的任务协调模块。
在加工前，实现A/D转换的电荷放大器必须预热20分钟以上，以消除采集系统的漂移误差。
具体实施方式
二 本实施方式对实施方式一作进一步说明，三向压电式测力仪传感器1采用Kistler公司生产的9257B型测力仪。
具体实施方式
三本实施方式对实施方式一作进一步说明，PCI数据采集卡4采用台湾研华公司生产的PCI1710数据采集卡。
具体实施方式
四下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，铣削控制器5包括控制模块5-1、人机接口模块5-2、任务协调模块5-3、译码模块 5-4、插补与加减速模块5-5和轴运动模块5-6，上述各个模块采用软件编程实现，模块间采用API接口实现连接；
人机接口模块5-2接收外部输入的系统参数设定命令、机床工作命令和零件加工 NC程序文件，人机接口模块5-2的输出端与任务协调模块5-3的第一输入端相连，任务协调模块5-3的第二输入端与PCI数据采集卡4的输出端相连，任务协调模块5-3的译码输入输出端与译码模块5-4的输入输出端相连，任务协调模块5-3的调用数据输入输出端与控制模块5-1的调用输入输出端相连，任务协调模块5-3的运动指令输出端与插补与加减速模块5-5的运动指令输入端相连，控制模块5-1的进给倍率输出端与插补与加减速模块5-5 的进给倍率输入端相连，插补与加减速模块5-5的速度指令输出端与轴运动模块5-6的输入端相连，轴运动模块5-6的控制信号输入输出端与SoftSERCANS通讯卡6的第一输入输出端相连。
API (application program interface) -1=11 : ! Π。
译码模块5-4解析零件加工NC程序文件，提取加工程序中的各种信息，生成包含运动信息的运动段指令和逻辑控制指令，并通过双端队列传送至任务协调模块5-3。
任务协调模块5-3主要进行任务分配，负责系统内各模块的协调与实时调度，完成加工过程切削参数的采集和滤波等处理。
所述人机接口模块5-2、译码模块5-4完成非实时性任务，采用微软的COM组件技术开发，插补与加减速模块5-5、轴运动模块5-6和控制模块5-1属于实时性任务，采用 RTDLL动态连接库技术进行开发。任务协调模块5-3亦属于实时性任务，采用RTX进行开发。各模块接口 API是模块向用户提供服务的唯一接口，是模块之间进行交互的途径。
具体实施方式
五本实施方式对实施方式四作进一步说明，所述系统参数设定命令包括设定刀具起刀点、设定机床运动模式命令；所述机床工作命令包括控制模块5-1启动命令、开始译码命令和开始执行零件加工的数控程序命令。
具体实施方式
六下面结合图1至图10说明本实施方式，基于实施方式五所述的开放式智能铣削加工系统的铣削加工方法，该方法包括以下步骤
步骤一、切削加工任务的设定铣削控制器5的人机接口模块5-2接收零件加工 NC程序文件，并通过任务协调模块5-3分配给译码模块5-4进行译码，译码后形成的切削加工任务返回给任务协调模块5-3 ；
步骤二、任务协调模块5-3根据切削加工任务下达运动指令给插补与加减速模块 5-5，再通过轴运动模块5-6从加工铣削控制器5输出，该运动指令用于控制伺服驱动器8 进而控制刀具进行切削运动；
步骤三、三向压电式测力仪传感器1实时采集工件与刀具间相互作用产生的切削力，并经过A/D转换电路2将模拟量切削力转换成数字量切削力，所述数字量切削力由PCI数据采集卡4采集后发送给铣削控制器5 ；
步骤四、铣削控制器5的控制模块5-1根据接收到的数字量切削力获取进给倍率 I，进而获取新的进给速度，所述新的进给速度作为刀具下一个进给速度；
步骤五、插补与加减速模块5-5根据步骤四获取的新的进给速度确定机床的下一位置，并将该位置指令由铣削控制器5通过SoftSERCANS通讯卡6和输入输出模块7传至相应的伺服驱动器8，控制相应的刀具运动；
重复执行步骤二至步骤五，直至完成步骤一中零件加工NC程序文件设定的加工任务。
编译好图2所示的模块后，打开人机界面，将编制好的.txt形式的零件加工NC程序文件(可以手工编程也可以自动编程)导入铣削控制器5。
然后，点击人机界面上的译码按钮，检查零件加工NC程序文件是否有语法错误， 有则报警，无则将零件加工NC程序文件以执行段的形式发送到任务协调模块5-3的双端队列中进行保存。
点击人机界面上的加工开始按钮，任务协调模块5-3开始按照设定的插补周期， 从双端队列中开始按照顺序逐条读取运动指令。模块间的数据传送按照图3的流程传递。
加工过程中进给速度的调整是通过调整进给倍率的形式实现，具体流程参考图4 说明。
具体实施方式
七下面结合图4、图5和10说明本实施方式，本实施方式对实施方式六作进一步说明，步骤四中进给倍率ξ按表1计算获取
表 权利要求
1.开放式智能铣削加工系统，其特征在于，它包括三向压电式测力仪传感器(1)、A/D 转换电路(2)、工业PC机(3)、PCI数据采集卡(4)、铣削控制器(5)、SoftSERCANS通讯卡 (6)、输入输出模块(7)和η个伺服驱动器(8)，η为大于1的自然数，PCI数据采集卡、铣削控制器(5)和SoftSERCANS通讯卡(6)设置在工业PC机(3)上，三向压电式测力仪传感器(1)采集工件与刀具间相互作用产生的切削力，三向压电式测力仪传感器⑴的信号输出端与A/D转换电路⑵的输入端相连，A/D转换电路⑵的输出端与PCI数据采集卡(4)的输入端相连，PCI数据采集卡(4)的输出端与铣削控制器(5) 的输入端相连，铣削控制器(5)的控制信号输入输出端与SoftSERCANS通讯卡(6)的第一输入输出端相连，SoftSERCANS通讯卡(6)的第二输入输出端与输入输出模块(7)的控制信号输入输出端相连，输入输出模块(7)的每个驱动输入输出端连接一个伺服驱动器(8)。
2.根据权利要求1所述的开放式智能铣削加工系统，其特征在于，三向压电式测力仪传感器(1)采用Kistler公司生产的9257Β型测力仪。
3.根据权利要求1所述的开放式智能铣削加工系统，其特征在于，PCI数据采集卡(4) 采用台湾研华公司生产的PCI1710数据采集卡。
4.根据权利要求1所述的开放式智能铣削加工系统，其特征在于，铣削控制器(5)包括控制模块(5-1)、人机接口模块(5- 、任务协调模块(5- 、译码模块(5-4)、插补与加减速模块(5-5)和轴运动模块(5-6)，上述各个模块采用软件编程实现，模块间采用API接口实现连接；人机接口模块(5- 接收外部输入的系统参数设定命令、机床工作命令和零件加工NC 程序文件，人机接口模块(5-2)的输出端与任务协调模块(5-3)的第一输入端相连，任务协调模块(5-3)的第二输入端与PCI数据采集卡的输出端相连，任务协调模块(5-3) 的译码输入输出端与译码模块(5-4)的输入输出端相连，任务协调模块(5-3)的调用数据输入输出端与控制模块(5-1)的调用输入输出端相连，任务协调模块(5-3)的运动指令输出端与插补与加减速模块(5-5)的运动指令输入端相连，控制模块(5-1)的进给倍率输出端与插补与加减速模块(5-5)的进给倍率输入端相连，插补与加减速模块(5-5)的速度指令输出端与轴运动模块(5-6)的输入端相连，轴运动模块(5-6)的控制信号输入输出端与 SoftSERCANS通讯卡(6)的第一输入输出端相连。
5.根据权利要求4所述的开放式智能铣削加工系统，其特征在于，所述系统参数设定命令包括设定刀具起刀点、设定机床运动模式命令；所述机床工作命令包括控制模块 (5-1)启动命令、开始译码命令和开始执行零件加工的数控程序命令。
6.基于权利要求5所述的开放式智能铣削加工系统的铣削加工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤步骤一、切削加工任务的设定铣削控制器(5)的人机接口模块(5- 接收零件加工 NC程序文件，并通过任务协调模块(5- 分配给译码模块(5-4)进行译码，译码后形成的切削加工任务返回给任务协调模块(5-3)；步骤二、任务协调模块(5- 根据切削加工任务下达运动指令给插补与加减速模块 (5-5)，再通过轴运动模块(5-6)从加工铣削控制器( 输出，该运动指令用于控制伺服驱动器(8)进而控制刀具进行切削运动；步骤三、三向压电式测力仪传感器(1)实时采集工件与刀具间相互作用产生的切削力，并经过A/D转换电路(2)将模拟量切削力转换成数字量切削力，所述数字量切削力由 PCI数据采集卡(4)采集后发送给铣削控制器(5)；步骤四、铣削控制器(5)的控制模块(5-1)根据接收到的数字量切削力获取进给倍率 I，进而获取新的进给速度，所述新的进给速度作为刀具下一个进给速度；步骤五、插补与加减速模块(5-5)根据步骤四获取的新的进给速度确定机床的下一位置，并将该位置指令由铣削控制器( 通过SoftSERCANS通讯卡(6)和输入输出模块(7) 传至相应的伺服驱动器(8)，控制相应的刀具运动；重复执行步骤二至步骤五，直至完成步骤一中零件加工NC程序文件设定的加工任务。
7.根据权利要求6所述的开放式智能铣削加工方法，其特征在于，步骤四中进给倍率 I按表1计算获取 表1
8.根据权利要求6所述的开放式智能铣削加工方法，其特征在于，步骤五中的新的进给速度Vnrait按如下公式获取VnextX Vcurrent ‘其中，Vcurrent为NC程序当前设定的进给速度，在译码时获得。
全文摘要
开放式智能铣削加工系统及基于该系统的铣削加工方法，属于机械加工领域。本发明为了解决现有采用离线算法进行优化的铣削加工系统，其离线优化的加工参数不能维持加工目标总是最优的问题。本发明包括三向压电式测力仪传感器、A/D转换电路、工业PC机、PCI数据采集卡、铣削控制器、SoftSERCANS通讯卡、输入输出模块和n个伺服驱动器，实时采集工件与刀具间相互作用产生的切削力，并由铣削控制器获取进给倍率，进而获取新的进给速度作为刀具下一个进给速度，确定机床的下一位置，并将该位置指令由铣削控制器通过SoftSERCANS通讯卡和输入输出模块传至相应的伺服驱动器，控制相应的刀具运动，实现加工过程的智能控制。
文档编号G05B19/4093GK102500800SQ20111028884
公开日2012年6月20日 申请日期2011年9月26日 优先权日2011年9月26日
发明者富宏亚, 李茂月, 胡泊, 邵忠喜, 韩德东, 韩振宇 申请人:哈尔滨工业大学