一種面向鏡像銑削的雙通道協(xié)調(diào)運動控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種面向鏡像銑削的雙通道協(xié)調(diào)運動控制方法，包括雙通道內(nèi)外工作頭同步控制，基于同一個筒狀圓柱工件的內(nèi)外表面規(guī)劃內(nèi)立柱銑削頭與外立柱夾具頭的工作區(qū)域和加工程序，并實現(xiàn)內(nèi)外立柱工作頭同步控制；雙通道內(nèi)銑外撐分步控制，在鏡像銑削體系內(nèi)實現(xiàn)外撐夾具頭與內(nèi)銑削主軸頭的分步協(xié)調(diào)運動控制；雙通道鏡像測量控制，銑削前通過外撐夾具測量工件厚度并離線補償內(nèi)銑削頭的銑削程序，銑削中通過外撐夾具測量工件銑削背面偏移并實時補償內(nèi)銑削頭刀尖相對的下刀位置。該方法實現(xiàn)了各自工作頭與支撐頭協(xié)調(diào)運動控制，能實現(xiàn)三系統(tǒng)并行鏡像銑削時的自適應銑削，響應速度快，可應用于同一個筒狀圓柱面薄壁工件三并行系統(tǒng)鏡像數(shù)控銑削機床。
【專利說明】—種面向鏡像銑削的雙通道協(xié)調(diào)運動控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機械數(shù)控銑削加工【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種面向筒狀圓柱面薄壁工件鏡像銑削的雙通道協(xié)調(diào)運動控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]研究表明，在三并行系統(tǒng)加工同一個圓柱面工件前，需根據(jù)鏡像方法統(tǒng)一建模各系統(tǒng)工作頭坐標系，保證各系統(tǒng)工作頭軸線與圓柱徑向重合，保證三系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)坐標系完全一致；在三并行系統(tǒng)鏡像加工中，各自的加工步調(diào)須保持一致，須統(tǒng)一規(guī)劃并同步控制各系統(tǒng)內(nèi)外通道有效加工區(qū)域、重疊加工區(qū)域，以及各系統(tǒng)工作頭進入重疊區(qū)域的時序，避免出現(xiàn)邊界區(qū)域加工不到或鄰近系統(tǒng)互相碰撞等問題。實際加工中，每個系統(tǒng)的B軸控制圓柱工件內(nèi)表面銑削、A軸控制圓柱工件外表面支撐與測量，每個系統(tǒng)實際移動區(qū)域130°方可以保證邊界被加工或測量到；其中，每個B軸所在內(nèi)立柱占據(jù)70°，三個B軸余下可自由移動角度和為150°，每個B軸50°自由空間遠不夠用。實際A軸所在外立柱占據(jù)35°，每個A軸余下自由空間為85°，可滿足要求。在實際加工中針對每個系統(tǒng)B軸的所需加工區(qū)域，需要動態(tài)規(guī)劃B軸互斥區(qū)域，但此時不能拋開A軸獨立控制，實際控制中需要保證AB軸任一軸被互斥后，另一軸不得移動。因此，需建立AB軸相互對應和關(guān)聯(lián)的互斥區(qū)域動態(tài)管理機制。
[0003]薄壁筒狀圓柱工件的原型在制作過程中不能保證全部區(qū)域厚度一致，如直接加工根據(jù)理論模型獲取的銑削程序則可能出現(xiàn)各種過切和欠切，因此很有必要在加工前通過外立柱夾具頭上安裝的厚度測量裝置逐點獲取實際厚度值，并逆算出實際工件模型，進而得到真實可執(zhí)行銑削加工程序。另外，由于薄壁筒狀圓柱工件必須經(jīng)過外立柱支撐撐緊后才能被內(nèi)立柱銑削加工，加工中會存在嚴重裝夾變形，此時由外立柱在撐緊工件背面的同時提供動態(tài)形變測量十分必要，可實現(xiàn)銑削頭加工深度自適應調(diào)整，進而保證銑削質(zhì)量。
[0004]現(xiàn)有數(shù)控系統(tǒng)本身未提供上述各種功能，此時需要根據(jù)實際加工設(shè)計一套內(nèi)外通道統(tǒng)一與同步互斥的坐標系管理、提前厚度測量和實時形變測量補償機制，以實現(xiàn)加工目標。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是給薄壁筒狀圓柱工件三系統(tǒng)并行鏡像銑削，提供一種以薄壁工件銑削質(zhì)量控制為目標，基于內(nèi)外通道統(tǒng)一與同步互斥的坐標系管理，結(jié)合超聲波厚度測量離線補償、激光傳感器實時測量位置補償，實現(xiàn)了內(nèi)外通道協(xié)調(diào)運動控制方法，以解決上述【背景技術(shù)】中提出的問題。
[0006]為了實現(xiàn)這一目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是
[0007]一種面向鏡像銑削的雙通道協(xié)調(diào)運動控制方法，包括雙通道內(nèi)外工作頭同步控制、雙通道內(nèi)銑外撐分步控制、雙通道鏡像測量控制；
[0008](I)雙通道內(nèi)外工作頭同步控制是通過同一個圓柱坐標系在不同半徑上建立的內(nèi)外加工空間，規(guī)劃內(nèi)外工作頭各自的工作區(qū)間、自由區(qū)間和互斥區(qū)間，并建立相互對應和關(guān)聯(lián)的動態(tài)管理機制；
[0009]其中，內(nèi)立柱裝備銑削主軸頭銑削圓柱內(nèi)表面，外立柱裝備浮動外支撐、超聲波厚度測量傳感器、激光測量位移傳感器提供輔助加工、離線厚度測量和實時工件形變測量功能，通過內(nèi)外立柱之間坐標系鏡像關(guān)系實現(xiàn)對內(nèi)立柱加工坐標系位置定位與補償；
[0010]內(nèi)立柱中,B軸為旋轉(zhuǎn)軸,Z軸為左右移動軸,Y軸為上下移動軸；外立柱中,A軸為旋轉(zhuǎn)軸，W軸為左右移動軸，V軸為上下移動軸；內(nèi)立柱所屬YZB軸坐標系基于圓柱工件對稱映射,在加工指定區(qū)域過程中內(nèi)立柱的YZB和外立柱的VWA坐標系同步控制；內(nèi)外立柱的B\A軸同心同向360°旋轉(zhuǎn)，B軸半徑小于A軸，平行安裝的Y\V軸同向同行程，同軸線安裝的Z\W軸相向運動；A軸坐標覆蓋B軸并實現(xiàn)重合，Y\V軸控制內(nèi)外工作頭在同一水平線，Z\W軸的動作依據(jù)厚度測量、銑削支撐、激光標定分別控制；
[0011](2)所述的單系統(tǒng)雙通道內(nèi)銑外撐分步控制
[0012]在圓柱工件內(nèi)外表面同圓心不同半徑的坐標系空間內(nèi)，統(tǒng)一系統(tǒng)內(nèi)立柱上統(tǒng)削頭的加工坐標系和外立柱上夾具頭的加工坐標系；根據(jù)薄壁工件銑削前先由外立柱夾具頭撐緊銑削區(qū)背面、銑完再松開支撐的原則，通過專用工藝軟件生成內(nèi)外通道兩個工作頭分步運動程序:首先控制外立柱夾具頭坐標系進入工件加工區(qū)域背面的中心撐緊工件，再控制內(nèi)立柱銑削頭坐標系進刀和下刀執(zhí)行銑削加工；
[0013](3)單系統(tǒng)雙通道鏡像測量控制
[0014]包含銑削前的超聲波薄壁工件厚度測量控制和銑削中的激光測距工件形變偏置補償控制，兩種測量裝置均安裝在外立柱夾具頭上，其采樣數(shù)據(jù)通過鏡像處理成為內(nèi)立柱銑削工作頭銑削程序的計算參量，經(jīng)濾波和平滑處理后得到加工程序；
[0015]依據(jù)超聲波薄壁工件厚度測量控制在外立柱坐標系的安裝偏置，規(guī)劃測量程序，根據(jù)內(nèi)外立柱相對圓柱工件內(nèi)外表面的鏡像關(guān)系處理測量所得數(shù)據(jù)，得出內(nèi)立柱銑削頭進刀位置；在銑削中激光測距工件形變偏置補償控制體系里，采用內(nèi)外工作頭同軸線相對偏置方法，把外立柱激光采樣的距離數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為內(nèi)立柱銑削頭刀尖坐標偏置補償量。
[0016]進一步的，如上所述的一種面向鏡像銑削的雙通道協(xié)調(diào)運動控制方法，激光測距工件形變偏置補償控制中，在內(nèi)外立柱雙通道聯(lián)合銑削與測量控制時，每進入一個新的銑削過程前，先由外通道控制外立柱撐緊在內(nèi)立柱銑削區(qū)域的背面，再由內(nèi)通道控制Z軸上的刀具進入下刀區(qū)域，下刀開始時:外通道啟動激光測控模塊進入實時激光測量補償流程，PLC通知激光串口測量進程讀取激光傳感器通過串口反饋的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后得到工件銑削下刀點背面的位置，PLC根據(jù)此位置計算出Z軸下刀深度調(diào)整量；NC內(nèi)核周期性均勻偏置Z軸坐標系零點實現(xiàn)Z軸補償，離開銑削后關(guān)閉實時激光測量補償并恢復原來的坐標系。
[0017]進一步的，如上所述的一種面向鏡像銑削的雙通道協(xié)調(diào)運動控制方法，超聲波薄壁工件厚度測量控制流程中，先通過工藝軟件測量模塊獲得外立柱厚度測量程序，在CNC執(zhí)行外立柱厚度測量中=HMI通過串口讀取厚度測量數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后{厚度，坐標值}的數(shù)列保存到測量結(jié)果文件，測量軟件解析測量結(jié)果文件生成內(nèi)立柱銑削與外立柱浮動支撐雙通道聯(lián)合加工程序。
[0018]在現(xiàn)有數(shù)控系統(tǒng)上，本發(fā)明具有如下有益效果:該方法可在實現(xiàn)三系統(tǒng)安全有序加工全部區(qū)域的同時，實現(xiàn)薄壁筒段工件加工深度提前控制、加工形變實時動態(tài)補償，可保證圓柱工件內(nèi)表面全尺寸安全加工，可應用于薄壁筒段工件內(nèi)表面并行系統(tǒng)鏡像銑削機床。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1內(nèi)外立柱雙通道坐標系示意圖。
[0020]圖2激光測量實時補償控制流圖。
[0021]圖3超聲波厚度測量補償示意圖。
【具體實施方式】
[0022]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述。
[0023]本實施例中，一種面向鏡像銑削的雙通道協(xié)調(diào)運動控制方法，包括雙通道內(nèi)外工作頭同步控制、雙通道內(nèi)銑外撐分步控制、雙通道鏡像測量控制；
[0024](I)雙通道內(nèi)外工作頭同步控制是通過同一個圓柱坐標系在不同半徑上建立的內(nèi)外加工空間，規(guī)劃內(nèi)外工作頭各自的工作區(qū)間、自由區(qū)間和互斥區(qū)間，并建立相互對應和關(guān)聯(lián)的動態(tài)管理機制；
[0025]其中，內(nèi)立柱裝備銑削主軸頭銑削圓柱內(nèi)表面，外立柱裝備浮動外支撐、超聲波厚度測量傳感器、激光測量位移傳感器提供輔助加工、離線厚度測量和實時工件形變測量功能，通過內(nèi)外立柱之間坐標系鏡像關(guān)系實現(xiàn)對內(nèi)立柱加工坐標系位置定位與補償；
[0026]如圖1所示，內(nèi)立柱中，B軸為旋轉(zhuǎn)軸，Z軸為左右移動軸，Y軸為上下移動軸；外立柱中，A軸為旋轉(zhuǎn)軸，W軸為左右移動軸，V軸為上下移動軸；內(nèi)立柱所屬YZB軸坐標系基于圓柱工件對稱映射，在加工指定區(qū)域過程中內(nèi)立柱的YZB和外立柱的VWA坐標系同步控制；內(nèi)外立柱的B\A軸同心同向360°旋轉(zhuǎn)，B軸半徑小于A軸，平行安裝的Y\V軸同向同行程，同軸線安裝的Z\W軸相向運動；A軸坐標覆蓋B軸并實現(xiàn)重合，YW軸控制內(nèi)外工作頭在同一水平線，Z\W軸的動作依據(jù)厚度測量、銑削支撐、激光標定分別控制；在實際加工中內(nèi)外立柱B\A軸可達運動區(qū)域為-5?+125° (以系統(tǒng)一為例)，內(nèi)外立柱本身分別占據(jù)70°和35°旋轉(zhuǎn)空間，則B\A軸各需在最小值和最大值方向分別留出70°和35°互斥區(qū)域，考慮70° *2>130° ,則內(nèi)立柱B軸執(zhí)行動態(tài)互斥,而外立柱A軸亦同步執(zhí)行動態(tài)互斥,可保證正常加工。
[0027](2)所述的單系統(tǒng)雙通道內(nèi)銑外撐分步控制
[0028]在圓柱工件內(nèi)外表面同圓心不同半徑的坐標系空間內(nèi)，統(tǒng)一系統(tǒng)內(nèi)立柱上統(tǒng)削頭的加工坐標系和外立柱上夾具頭的加工坐標系；根據(jù)薄壁工件銑削前先由外立柱夾具頭撐緊銑削區(qū)背面、銑完再松開支撐的原則，通過專用工藝軟件生成內(nèi)外通道兩個工作頭分步運動程序:首先控制外立柱夾具頭坐標系進入工件加工區(qū)域背面的中心撐緊工件，再控制內(nèi)立柱銑削頭坐標系進刀和下刀執(zhí)行銑削加工；
[0029](3)單系統(tǒng)雙通道鏡像測量控制
[0030]包含銑削前的超聲波薄壁工件厚度測量控制和銑削中的激光測距工件形變偏置補償控制，兩種測量裝置均安裝在外立柱夾具頭上，其采樣數(shù)據(jù)通過鏡像處理成為內(nèi)立柱銑削工作頭銑削程序的計算參量，經(jīng)濾波和平滑處理后得到加工程序；
[0031]依據(jù)超聲波薄壁工件厚度測量控制在外立柱坐標系的安裝偏置，規(guī)劃測量程序，根據(jù)內(nèi)外立柱相對圓柱工件內(nèi)外表面的鏡像關(guān)系處理測量所得數(shù)據(jù)，得出內(nèi)立柱銑削頭進刀位置；在銑削中激光測距工件形變偏置補償控制體系里，采用內(nèi)外工作頭同軸線相對偏置方法，把外立柱激光采樣的距離數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為內(nèi)立柱銑削頭刀尖坐標偏置補償量。
[0032]如圖2所示，激光測距工件形變偏置補償控制中，在內(nèi)外立柱雙通道聯(lián)合銑削與測量控制時，每進入一個新的銑削過程前，先由外通道控制外立柱撐緊在內(nèi)立柱銑削區(qū)域的背面，再由內(nèi)通道控制Z軸上的刀具進入下刀區(qū)域，下刀開始時:外通道啟動激光測控模塊進入實時激光測量補償流程，PLC通知激光串口測量進程讀取激光傳感器通過串口反饋的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后得到工件銑削下刀點背面的位置，PLC根據(jù)此位置計算出Z軸下刀深度調(diào)整量；NC內(nèi)核周期性均勻偏置Z軸坐標系零點實現(xiàn)Z軸補償，離開銑削后關(guān)閉實時激光測量補償并恢復原來的坐標系。
[0033]如圖3所示，超聲波薄壁工件厚度測量控制流程中，先通過工藝軟件測量模塊獲得外立柱厚度測量程序，在CNC執(zhí)行外立柱厚度測量中:HMI通過串口讀取厚度測量數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后{厚度，坐標值}的數(shù)列保存到測量結(jié)果文件，測量軟件解析測量結(jié)果文件生成內(nèi)立柱銑削與外立柱浮動支撐雙通道聯(lián)合加工程序。
[0034]本發(fā)明方法所述的鏡像銑削測控，即對每個系統(tǒng)的外支撐和內(nèi)銑削雙工作頭基于筒段工件建立對稱坐標系，外支撐的A軸與內(nèi)銑削頭的B軸同向旋轉(zhuǎn)，且角度統(tǒng)一劃分；夕卜支撐的W軸和內(nèi)銑削頭的Z軸軸心一致且方向相反，均把接近筒段工件的方向設(shè)為負向；夕卜支撐的V軸與內(nèi)銑削頭的Y軸軸心并行，進給方向一致，均把向上的方向設(shè)置為正向。在測控鏡像銑削代碼生成中，首先控制外立柱支撐頭坐標系進入工件加工區(qū)域背面的中心撐緊工件，再控制內(nèi)立柱銑削頭坐標系進刀和下刀執(zhí)行銑削加工；在超聲波厚度測量控制中，一直控制外立柱支撐頭坐標系和輔助碰頭從工件背面測量工件厚度，內(nèi)立柱不用移動，參考外立柱實際工件直徑3338臟，厚度一般為12臟，厚度波動不超過5臟，一圈所得角度最大偏差0.5373°，具體到一個區(qū)域(每6° —個區(qū)域)則角度誤差為0.008955°，具體操作時的角度偏差=(當前厚度值-12mm)/5mm*0.008955°。
[0035]本技術(shù)發(fā)明無誤差積累，響應速度快，能有效降低工件形變對銑削效果的影響，可應用于數(shù)控薄壁工件銑削機床。
【權(quán)利要求】
1.一種面向鏡像銑削的雙通道協(xié)調(diào)運動控制方法，其特征在于: 包括雙通道內(nèi)外工作頭同步控制、雙通道內(nèi)銑外撐分步控制、雙通道鏡像測量控制； (1)雙通道內(nèi)外工作頭同步控制是通過同一個圓柱坐標系在不同半徑上建立的內(nèi)外加工空間，規(guī)劃內(nèi)外工作頭各自的工作區(qū)間、自由區(qū)間和互斥區(qū)間，并建立相互對應和關(guān)聯(lián)的動態(tài)管理機制； 其中，內(nèi)立柱裝備銑削主軸頭銑削圓柱內(nèi)表面，外立柱裝備浮動外支撐、超聲波厚度測量傳感器、激光測量位移傳感器提供輔助加工、離線厚度測量和實時工件形變測量功能，通過內(nèi)外立柱之間坐標系鏡像關(guān)系實現(xiàn)對內(nèi)立柱加工坐標系位置定位與補償； 內(nèi)立柱中，B軸為旋轉(zhuǎn)軸，Z軸為左右移動軸，Y軸為上下移動軸；外立柱中，A軸為旋轉(zhuǎn)軸，W軸為左右移動軸，V軸為上下移動軸；內(nèi)立柱所屬YZB軸坐標系基于圓柱工件對稱映射,在加工指定區(qū)域過程中內(nèi)立柱的YZB和外立柱的VWA坐標系同步控制；內(nèi)外立柱的B\A軸同心同向360°旋轉(zhuǎn)，B軸半徑小于A軸，平行安裝的Y\V軸同向同行程，同軸線安裝的Z\W軸相向運動；A軸坐標覆蓋B軸并實現(xiàn)重合，YW軸控制內(nèi)外工作頭在同一水平線，ZW軸的動作依據(jù)厚度測量、銑削支撐、激光標定分別控制； (2)所述的單系統(tǒng)雙通道內(nèi)銑外撐分步控制 在圓柱工件內(nèi)外表面同圓心不同半徑的坐標系空間內(nèi)，統(tǒng)一系統(tǒng)內(nèi)立柱上銑削頭的加工坐標系和外立柱上夾具頭的加工坐標系；根據(jù)薄壁工件銑削前先由外立柱夾具頭撐緊銑削區(qū)背面、銑完再松開支撐的原則，通過專用工藝軟件生成內(nèi)外通道兩個工作頭分步運動程序:首先控制外立柱夾具頭坐標系進入工件加工區(qū)域背面的中心撐緊工件，再控制內(nèi)立柱銑削頭坐標系進刀和下刀執(zhí)行銑削加工； (3)單系統(tǒng)雙通道鏡像測量控制 包含銑削前的超聲波薄壁工件厚度測量控制和銑削中的激光測距工件形變偏置補償控制，兩種測量裝置均安裝在外立柱夾具頭上，其采樣數(shù)據(jù)通過鏡像處理成為內(nèi)立柱銑削工作頭銑削程序的計算參量，經(jīng)濾波和平滑處理后得到加工程序； 依據(jù)超聲波薄壁工件厚度測量控制在外立柱坐標系的安裝偏置，規(guī)劃測量程序，根據(jù)內(nèi)外立柱相對圓柱工件內(nèi)外表面的鏡像關(guān)系處理測量所得數(shù)據(jù)，得出內(nèi)立柱銑削頭進刀位置；在銑削中激光測距工件形變偏置補償控制體系里，采用內(nèi)外工作頭同軸線相對偏置方法，把外立柱激光采樣的距離數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為內(nèi)立柱銑削頭刀尖坐標偏置補償量。
2.如權(quán)利要求1所述的一種面向鏡像銑削的雙通道協(xié)調(diào)運動控制方法，其特征在于:激光測距工件形變偏置補償控制中，在內(nèi)外立柱雙通道聯(lián)合銑削與測量控制時，每進入一個新的銑削過程前，先由外通道控制外立柱撐緊在內(nèi)立柱銑削區(qū)域的背面，再由內(nèi)通道控制Z軸上的刀具進入下刀區(qū)域，下刀開始時:外通道啟動激光測控模塊進入實時激光測量補償流程，PLC通知激光串口測量進程讀取激光傳感器通過串口反饋的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后得到工件銑削下刀點背面的位置，PLC根據(jù)此位置計算出Z軸下刀深度調(diào)整量;NC內(nèi)核周期性均勻偏置Z軸坐標系零點實現(xiàn)Z軸補償，離開銑削后關(guān)閉實時激光測量補償并恢復原來的坐標系。
3.如權(quán)利要求1所述的一種面向鏡像銑削的雙通道協(xié)調(diào)運動控制方法，其特征在于:超聲波薄壁工件厚度測量控制流程中，先通過工藝軟件測量模塊獲得外立柱厚度測量程序，在CNC執(zhí)行外立柱厚度測量中:HMI通過串口讀取厚度測量數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后{厚度，坐標值}的數(shù)列保存到測量結(jié)果文件，測量軟件解析測量結(jié)果文件生成內(nèi)立柱銑削與外立柱浮動支撐雙通道聯(lián)合加工程序。
【文檔編號】G05B19/404GK104360636SQ201410680675
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月24日
【發(fā)明者】王國慶, 丁鵬飛, 孫秀京, 李宇昊, 劉鋼, 劉雙進, 陳文婷 申請人:首都航天機械公司, 上海拓璞數(shù)控科技有限公司, 中國運載火箭技術(shù)研究院