机械加工工艺研发系统平台的制作方法

专利名称：机械加工工艺研发系统平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及机械产品的设计，尤其涉及机械产品的加工工艺的辅助设计的系统平
台o
背景技术：
—方面，目前针对PCB钻孔机的应用特性高精度、高效率、不间断工作的特殊要 求，使得提高PCB钻孔机的机械加工零件的精度和稳定性就尤为重要。实际应用中，往往会 发生PCB钻孔机出厂时的制版精度较高，而在客户使用一段时间后精度发生下降的现象。
经分析，产生PCB钻孔机稳定性问题的主要原因在于机械加工零件因在加工制 造过程中产生的不均匀应力分布以及热处理工艺参数非优化，使得零件在使用过程中因残 余应力释放进而产生机械加工零件变形，从而引起PCB钻孔机的制版精度降低。以某型号 PCB钻孔机的一批尺寸为3.0米X0. 7米的工作台为例，在入仓时，其平面度< 0. 15mm，但 是在存放几个月之后再次进行检查却发现其平面度变成了 1 3mm，通过研发、工艺以及生 产的初步联合检测与分析，可以将平面度指标劣化的原因归结为工作台在存放过程中因环 境(温度)以及残余应力释放而产生结构变形，其中残余应力变形为主要变形因素。
另一方面，目前的机械设计辅助系统，比如，用于产品设计的CAD，针对机械产品的 热处理专用软件、切削专用软件以及结构分析的专用软件，可谓是多种多样。
但是，这些现有的机械加工方面的辅助设计系统，产品设计、工艺分析以及设计验 证均是各自独立的，具体涉及到一个零部件的设计过程，必须是设计人员、工艺开发人员以 及设计验证人员各自借助各自专用的软硬件系统来分别完成各自的任务，致使整个设计过 程，质量可控性差，研发周期较长、成本较高。

发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，而提出一种可以将产品 设计、工艺分析以及设计验证有机地结合起来的软硬件系统，以提高设计过程的质量可控 性，縮短研发周期并且降低研发成本较。 本发明解决上述技术问题采用的技术方案是，设计制造一种机械加工工艺研发系 统平台，包括产品设计子系统、物理仿真子系统以及实验验证及检验子系统，各个子系统 间是数据共享的，并且，该产品设计子系统输出一产品的数字化样机给该物理仿真子系统， 该物理仿真子系统将该产品的数字化样机与工艺分析相结合而输出一产品的加工工艺控
制文件给该实验验证及检验子系统，该实验验证及检验子系统按照该加工工艺控制文件的 指导制备实际样品并测量获取该实际样品的设计控制量。 该物理仿真子系统包括共享模块、数据接口技术模块、热处理模块、切削加工模块 和回弹变形分析模块，各个模块间是数据接口的。 该热处理模块和切削加工模块各包括至少两个子模块，该物理仿真子系统包括依 次连接的第一切削加工子模块、第一热处理子模块、第二切削加工子模块、第二热处理子模块和回弹变形分析模块。 该第一切削加工子模块是对该产品的数字化样机的粗加工工艺过程进行应力和
温度分布的有限元分析，并不断调正该粗加工工艺的参数直至达到该产品的数字化样机的 设计要求为止。 该第一热处理子模块是对该产品的数字化样机的热处理工艺过程进行应力分布
和热处理变形的有限元分析，并不断调正该热处理工艺的参数直至达到该产品的数字化样 机的设计要求为止。 该第二切削加工子模块是对该产品的数字化样机的精加工工艺过程进行应力和 热温度的有限元分析，并不断调正该精加工工艺的参数直至达到该产品的数字化样机的设 计要求为止。 该第二热处理子模块是对该产品的数字化样机的热处理工艺过程进行应力分布 和热处理变形的有限元分析，并不断调正该热处理工艺的参数直至达到该产品的数字化样 机的设计要求为止。 该回弹变形分析模块是对该产品的数字化样机进行残余应力分布和结构变形的 有限元分析，达不到该产品的数字化样机的设计要求的，调正该第一切削加工子模块的粗 加工工艺的参数并反馈给该第一切削加工子模块。 该数据接口技术模块是在热处理模块、切削加工模块和回弹变形分析模块之间进 行数据传递，以确保各模块的分析结果数据传递的一致性，该热处理模块的结果数据和切 削加工模块的结果数据是双向传递的，并且，该热处理模块的结果数据和切削加工模块的 结果数据均提供给该回弹变形分析模块。 该系统平台包括通过I n tran e t连接的至少两台计算机，该共享模块是基于 Intranet技术而为产品设计子系统、物理仿真子系统以及实验验证及检验子系统的协同工 作提供支持的；该产品设计子系统和物理仿真子系统是采用运行于这些计算机上的软件实 现的，该实验验证及检验子系统则是既包括运行于这些计算机上的软件，还包括温度、力学 以及变形测量装置。 同现有技术相比，本发明的机械加工工艺研发系统平台，可以将产品设计、工艺分 析以及设计验证有机地结合起来，以提高设计过程的质量可控性，縮短研发周期并且降低 研发成本。


图1为本发明的机械加工工艺研发系统平台实施例的原理示意图。 图2为本发明的机械加工工艺研发系统平台实施例中物理仿真子系统的流程图。 图3为本发明的机械加工工艺研发系统平台实施例中数据共享与接口的原理示意图。 图4为本发明的机械加工工艺研发系统平台实施例给出的某一切削过程的X-Y平 面的面力示意图，其中，分别示出了切削工艺优化前后的受力情况。
具体实施例方式
以下结合各附图所示之最佳实施例作进一步详述。
4
如图1所示，本发明的机械加工工艺研发系统平台实施例是由以计算机系统和其 上运行的有关软件模块为主以及以其它的辅助性的测量设备和加工设备为辅而构成的一 软硬件综合系统，按功能来划分，其具体包括由产品的设计、物理仿真以及实验验证及检 验三个物理子系统和CAD实体设计、FEM有限元仿真分析以及数据共享与接口技术三个专 业技术应用子系统。 本发明的机械加工工艺研发系统平台，主要利用数字化样机技术，进行PCB钻孔 机机械加工工艺研发系统平台开发，专业应用模块包括CAD实体设计、FEM有限元仿真分 析、数据共享与接口技术模块；同时，也应用了各种测试模块温度测试仪、力学测试系统、 变形测试工具模块进行验证系统、测试零件质量。其中主要分为三个子系统产品设计子系 统；物理仿真子系统，其包括热处理、切削加工以及回弹变形分析等，也就是加工工艺开发 过程；以及实验验证及检验子系统，通过加工工艺优化以及新工艺开发来提高机械加工零 件的精度和稳定性，并降低研发及制造成本。其中，
1、产品设计子系统 主要是供设计人员进行PCB钻孔机研发，同时为FEM仿真模块提供模型数据并为 工艺开发人员进行工艺制定提供依据。在产品设计子系统中，可以采用通用的CAD设计软 件进行，同时在研发人员之间采用数据共享技术模块进行数据的共享，研发人员可以实时 进行产品设计及效果预测、为FEM仿真模块提供模型数据以及为工艺开发人员进行机械加
工工艺方案设计。 2、物理仿真子系统 是整个机械加工工艺研发系统平台的核心，应用了数据共享技术模块和数据接口
技术模块，数据共享技术模块应用于研发人员之间的数据实时共享，而数据接口技术模块
则是不同物理仿真技术模块之间确保分析结果数据传递的一致性，即确保在工艺优化、新
工艺开发过程中进行机加零件工艺顺序、工艺参数以及夹具方式等优化时物理仿真技术模
块之间的数据一致性。 物理仿真子系统的构架包括 (1)共享模块即数据共享技术模块，基于Intranet技术进行开发的，为设计人员 和工艺开发人员进行协同工作提供共享技术支持； (2)热处理分析模块主要进行零件退火、回火、淬火等热处理，分析零件温度、应 力分布以及进行热处理工艺参数(温度、时间等)优化设计； (3)切削加工分析模块主要进行零件的车、铣削加工仿真，分析零件残余应力分 布以及进行切削参数(进给、刀具速度等)优化； (4)回弹变形分析模块主要进行零件热处理、切削加工过程中的残余应力释放 过程仿真，分析目前的工艺参数对零件变形的影响程度； (5)数据接口技术模块针对不同仿真软件的ASCII结果格式进行开发的，主要进 行热处理、切削加工、回弹变形分析之间的数据传递，确保分析结果数据传递的一致性；
在构建整个机械加工工艺研发系统平台的过程中，借助数字化样机技术CAD以 及FEM有限元分析技术等，结合数据接口技术模型，技术关键点在于将数字化样机技术引 入到机加工艺优化过程中来，以及将机械加工工艺纳入研发的进程中，以确保产品质量的 可预测性、可控性以及低成本。
3、实验验证及检验子系统 是整个机械加工工艺研发系统平台的关键一环。其应用各种测试技术温度测试仪、力学测试系统、变形测试工具进行机械加工工艺方法的实验验证，主要工作是进行机械加工工艺研发系统平台的前期系统结果的校正，以及对零件工艺进行检验，即检验实际零件的加工结果。通过对工艺优化和新工艺开发的实际效果进行验证，对于比较理想的设计工艺可以进行工艺文件的制定，以指导机械加工部门按照该工艺文件进行零件的加工。
以下，以一PCB钻孔机的工作台的研发为例，对该系统平台的基本流程进行较详尽的说明 —、设计人员利用经验，利用CAD软件模块进行工作台设计，通过Intranet进行设计模型共享给工艺开发人员和物理仿真人员； 二、工艺开发人员利用经验进行初步工艺参数的制定，包括切削、热处理工艺的各种工艺参数，共享给物理仿真人员；
三、物理仿真人员进行物理仿真 1、利用切削软件模块，进行粗铣切削加工工艺优化，目标降低切削力、工件残余应力以及温度分布(参考标准即图2中对应的输入)、保证或提高效率；优化工艺参数主轴转速、进给速度、每次的切削量； 2、利用热处理软件模块，进行去应力退火(热处理)加工工艺优化，目标消除工件的残余应力以及热处理变形(参考标准即图2中对应的输入)；优化工艺参数去应力退火温度、温度曲线； 3、利用切削软件模块，进行半精铣切削加工工艺优化，目标降低切削力、工件残余应力以及温度分布(参考标准即图2中对应的输入)、保证或提高效率；优化工艺参数主轴转速、进给速度、每次的切削量； 4、利用热处理软件模块，进行定性(热处理)加工工艺优化，目标消除工件的残余应力以及热处理变形(参考标准即图2中对应的输入)；优化工艺参数定性温度、保温温度； 5、利用切削软件模块，进行精铣切削加工工艺优化，目标降低切削力、工件残余应力以及温度分布(参考标准即图2中对应的输入)、保证或提高效率；优化工艺参数主轴转速、进给速度、每次的切削量； 6、利用结构分析软件模块，进行回弹变形分析，主要是确定机加零件在加工完成后、存放、使用过程中会产生的变形量(平面度)是否超标(0. 15mm) 否则，优化各种工艺参数；同时，判断图2中对应的输入的参考标准是否合理？ 需要说明的是，在进行物理仿真过程中涉及的工艺参数优化，基本是由工艺开发人员进行规划的。 四、样品生产，进行检测优化工艺是否符合设计要求(零件的加工质量、稳定性)？以及 五、进行新工艺的制定，提供给机加工部门进行产品的制造，请参见图4所示的切削工艺优化前后机械加工零件的对比。 参见图3，数据共享与接口模块的基本工作原理是 数据共享方面设计人员与物理仿真人员以及工艺开发人员之间的模型共享，以及物理仿真与工艺开发人员之间的工艺参数共享。三方人员可以通过Intranet进行共享。
数据接口方面切削软件模块与热处理软件模块的数据双向传递(有限元模型、应力及应变、温度结果数据)、切削软件模块与结构分析软件模块的数据单向传递(有限元模型、应力及应变、温度结果数据)、热处理软件模块与结构分析软件模块的数据单向传递(有限元模型、应力及应变、温度结果数据)。优选地，各软件模块以ASCII存储格式进行数据传递，比如在A软件模块中某点模型的存储方式为:1 (ID) 1. 0 (X) 1. 0 (Y) 1. 0 (Z);在B软件模块中某点模型的存储方式为5(ID)0.0(X)0.0(Y)0.0(Z)。那么。只要了解A、B软件模块的ASCII存储格式，就可以进行相应的数据接口编写工作(相当于对数据进行坐标转换或数字操作)；当然，这仅仅只是针对模型而言，对于结果存储格式也更复杂。
与现有技术相比，采用本发明的机械加工工艺研发系统平台实施例，进行机械加工零件加工工艺开发，优化工艺改善零件在加工过程中受力等情况，使得零件在加工制造过程中产生的不均匀应力分布程度降低，再通过合适的热处理参数调整就可以提高机械加工零件精度、稳定性并降低新零件工艺研发成本。 以上，仅为本发明之较佳实施例，意在进一步说明本发明，而非对其进行限定。凡根据上述之文字和附图所公开的内容进行的简单的替换，都在本专利的权利要求保护范围之内。
权利要求
一种机械加工工艺研发系统平台，其特征在于，包括产品设计子系统、物理仿真子系统以及实验验证及检验子系统，各个子系统间是数据共享的，并且，该产品设计子系统输出一产品的数字化样机给该物理仿真子系统，该物理仿真子系统将该产品的数字化样机与工艺分析相结合而输出一产品的加工工艺控制文件给该实验验证及检验子系统，该实验验证及检验子系统按照该加工工艺控制文件的指导制备实际样品并测量获取该实际样品的设计控制量。
2. 如权利要求1所述的机械加工工艺研发系统平台，其特征在于，该物理仿真子系统包括共享模块、数据接口技术模块、热处理模块、切削加工模块和回弹变形分析模块，各个模块间是数据接口的。
3. 如权利要求2所述的机械加工工艺研发系统平台，其特征在于，该热处理模块和切削加工模块各包括至少两个子模块，该物理仿真子系统包括依次连接的第一切削加工子模块、第一热处理子模块、第二切削加工子模块、第二热处理子模块和回弹变形分析模块。
4. 如权利要求3所述的机械加工工艺研发系统平台，其特征在于，该第一切削加工子模块是对该产品的数字化样机的粗加工工艺过程进行应力和温度分布的有限元分析，并不断调正该粗加工工艺的参数直至达到该产品的数字化样机的设计要求为止。
5. 如权利要求4所述的机械加工工艺研发系统平台，其特征在于，该第一热处理子模块是对该产品的数字化样机的热处理工艺过程进行应力分布和热处理变形的有限元分析，并不断调正该热处理工艺的参数直至达到该产品的数字化样机的设计要求为止。
6. 如权利要求5所述的机械加工工艺研发系统平台，其特征在于，该第二切削加工子模块是对该产品的数字化样机的精加工工艺过程进行应力和热温度的有限元分析，并不断调正该精加工工艺的参数直至达到该产品的数字化样机的设计要求为止。
7. 如权利要求6所述的机械加工工艺研发系统平台，其特征在于，该第二热处理子模块是对该产品的数字化样机的热处理工艺过程进行应力分布和热处理变形的有限元分析，并不断调正该热处理工艺的参数直至达到该产品的数字化样机的设计要求为止。
8. 如权利要求7所述的机械加工工艺研发系统平台，其特征在于，该回弹变形分析模块是对该产品的数字化样机进行残余应力分布和结构变形的有限元分析，达不到该产品的数字化样机的设计要求的，调正该第一切削加工子模块的粗加工工艺的参数并反馈给该第一切削加工子模块。
9. 如权利要求2所述的机械加工工艺研发系统平台，其特征在于，该数据接口技术模块是在热处理模块、切削加工模块和回弹变形分析模块之间进行数据传递，以确保各模块的分析结果数据传递的一致性，该热处理模块的结果数据和切削加工模块的结果数据是双向传递的，并且，该热处理模块的结果数据和切削加工模块的结果数据均提供给该回弹变形分析模块。
10. 如权利要求2所述的机械加工工艺研发系统平台，其特征在于，该系统平台包括通过Intranet连接的至少两台计算机，该共享模块是基于Intranet技术而为产品设计子系统、物理仿真子系统以及实验验证及检验子系统的协同工作提供支持的；该产品设计子系统和物理仿真子系统是采用运行于这些计算机上的软件实现的，该实验验证及检验子系统则是既包括运行于这些计算机上的软件，还包括温度、力学以及变形测量装置。
全文摘要
一种机械加工工艺研发系统平台，包括产品设计子系统、物理仿真子系统以及实验验证及检验子系统，各个子系统间是数据共享的，并且，该产品设计子系统输出一产品的数字化样机给该物理仿真子系统，该物理仿真子系统将该产品的数字化样机与工艺分析相结合而输出一产品的加工工艺控制文件给该实验验证及检验子系统，该实验验证及检验子系统按照该加工工艺控制文件的指导制备实际样品并测量获取该实际样品的设计控制量。可以将产品设计、工艺分析以及设计验证有机地结合起来，以提高设计过程的质量可控性，缩短研发周期并且降低研发成本。
文档编号G06F17/50GK101739487SQ20091011008
公开日2010年6月16日 申请日期2009年11月11日 优先权日2009年11月11日
发明者宋福民, 杨立伟, 肖永山, 雷群, 高云峰, 黄运平 申请人:深圳市大族激光科技股份有限公司;深圳市大族数控科技有限公司