典型零件的數(shù)控銑加工編程設計【說明書+CAD+UG】

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削條件和加工操作時的加工順序。此外，因為它只支持單向信息流從設計到制造，到生產(chǎn)過程中的任 何急劇的改變不能很容易地保存和直接反饋給設計師。 最后，G 代碼中的信息流是單向的設計，即從 CAD 到車間，并且不會啟用反饋，。其結(jié)果是，這 種傳統(tǒng)方式 NC 編程被認為是實現(xiàn)一個智能的加工環(huán)境的瓶頸。 2 STEP-NC 的啟用 MCM 框架 G 代碼剝奪急需的信息，如工件的特點，工具屬性和優(yōu)化切削參數(shù)，往往是由經(jīng)驗豐富的運營商 提供的加工工藝。開發(fā)的 STEP-NC 的啟用 MCM 系統(tǒng)包括（一）離線優(yōu)化模塊，（二）數(shù)據(jù)模型支持 流程的優(yōu)化，（三）過程監(jiān)測和控制的功能要求。下面對這些功能的要求進行了說明： （a）離線優(yōu)化的最佳加工參數(shù)的初步測定。 （b）開始，分配適當?shù)娜魏螜C加工操作的加工參數(shù)是必要的?？捎糜谀M最佳的加工參數(shù)的工具， 以確定最佳的加工參數(shù)。 （c）數(shù)據(jù)模型，支持流程的優(yōu)化。 （d）智能加工需要一個全面的數(shù)據(jù)支持自適應控制和監(jiān)測過程中的加工以及優(yōu)化加工操作的監(jiān)督 自治模式。在這方面，STEP-NC 的數(shù)據(jù)模型擴展，以滿足用于數(shù)據(jù)建模的優(yōu)化。 (e)連續(xù)加工過程的監(jiān)控和優(yōu)化。 加工過程涉及刀具工件議案，加工參數(shù)和機床功能之間復雜的相互作用。連續(xù)監(jiān)測這些活動的一 種重要方法是跟蹤加工中出現(xiàn)的任何異常。處理后的數(shù)據(jù)可以被饋送到用于自適應控制算法。 3 開發(fā)的系統(tǒng) 已開發(fā)的系統(tǒng)架構(gòu)，是支持一個智能的，可互操作的，知識性和創(chuàng)新的制造平臺。在加工領域， 它被廣泛地視為過載的主軸，切削力過大，刀具磨損等方面的限制可能導致的重大問題，如刀具破損， 產(chǎn)品質(zhì)量惡化，甚至更糟糕的機器故障。因此，連續(xù)監(jiān)測機器的行為，實時優(yōu)化和系統(tǒng)保留的加工知 識進行了整合，從而引發(fā)全面的架構(gòu)稱為 STEP-NC 的啟用 MCM 框架（如圖 3-1）。 如圖 3-1 STEP-NC 使 MCM 系統(tǒng)架構(gòu) 該系統(tǒng)支持三個層次的信息流：高層次的數(shù)據(jù)，工藝規(guī)劃，用于控制機器的動作和知識數(shù)據(jù)評估， 1 為后續(xù)加工操作的機器控制數(shù)據(jù)。這些信息流發(fā)生在三個獨立的子系統(tǒng)：optiSTEP-NC 子系統(tǒng)，AECopt 控制器和以知識為基礎的評估子系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)是在下面的章節(jié)中討論。 3.1 opttiSTEP-NC optiSTEP-NC 以執(zhí)行初始的進給率優(yōu)化為目的，協(xié)助工藝人員，生產(chǎn) NC 零件程序，分配適當?shù)? 加工參數(shù)。它是于兩個標準，最小加工時間和最佳的表面質(zhì)量。有四個參與開發(fā) optiSTEP-NC 的任務。 3.1.1 流程規(guī)劃 工藝規(guī)劃的目的是豐富加工功能，AP-224 與必要的語言信息，形成由 ISO14649 中定義的實體代 表。這種實體是那些含有額外的加工參數(shù)的通用信息，切削刀具和工作計劃。此外，可以使用附加信 息，如材料性質(zhì)和表面狀況的要求，以支持所需的最終部分?？捎玫男畔⒃诖烁袷较聦⒈３制渫ㄓ眯?， 直到此刻 CAM 系統(tǒng)時，填充的過程中計劃與本地制造業(yè)信息化，以產(chǎn)生一個特定的或本地進程計劃。 3.1.2 的離線優(yōu)化器發(fā)展 優(yōu)化模塊是負責優(yōu)化加工參數(shù)，模擬特定的加工功能，這是有關的信息的基礎上在此模塊中的機 床能力等，獲得切削力切削功率計算尤其是進給速率是獲得適當?shù)那邢鬟M給速率，主軸轉(zhuǎn)速和切削深 度等參數(shù)。此模塊也可以使用從 KBE 切削力信息來計算加工參數(shù)。 時效性的（TC）和品質(zhì)的關鍵（QC）的優(yōu)化算法已被開發(fā)，對應于最小加工時間和最佳的表面 質(zhì)量的標準，分別。 TC 加工業(yè)務往往是粗加工的目的，從而增加材料去除率是主要制約因素切削功 率的主要目標之一。另一方面，QC 加工操作通常用于精加工表面質(zhì)量的目的是主要關注的問題。 在開發(fā)的優(yōu)化算法，利用模糊邏輯處理不精確的數(shù)據(jù)。輸出實現(xiàn)是關鍵時間或質(zhì)量的關鍵目標是 優(yōu)化加工參數(shù)。優(yōu)化結(jié)果的列在一個圖形用戶界面。該模擬器開發(fā)使用 LabWindows / CVI 的虛擬儀器 （C）軟件根據(jù)國家儀器（圖 3-2）。為了驗證系統(tǒng)的性能和算法，在測試情況下進行顯示加工參數(shù)的 行為。為了模擬在實際的情況下，切削力波動，目標范圍內(nèi)的隨機噪聲添加到理論的切削力也已開發(fā) 的表面粗糙度的預測模型。很顯然，從實際加工的切斷力獲得的值也可以被使用作為輸入到仿真器。 這可以通過在加工過程中切削力的實際值，以驗證。參數(shù)方程納入發(fā)展 optiSTEP-NC。 圖 3-2 optiSTEP-NC 模擬器 該接口具有四個窗格和繪圖區(qū)。輸入的數(shù)據(jù)窗格中包含的信息，如不同類型的銑削操作，工件和 刀具材料的屬性，機械效率和芯片負載。用戶有選項來設置這些數(shù)據(jù)所需的值。為了計算信息，如允 許在切割深度的基礎上對加工能力和主機的電源功率和切割力預先設定。機床數(shù)據(jù)窗格中顯示有關機 2 床的功能，比如機床的電機功率和最大切削深度的信息。該窗格還提供了兩個開關，開/關和 TC/ QC。 例如 TC 屬性“窗格中顯示預測功耗，切削力預測，目前的每齒進給，進給速率和材料去除率。它還包 括功率限制的警告，指示安全限制和超出限度的功耗。 圖 3-2 所示的進給速率，切削力和材料去除率，這是通過計算輸入的機械效率，不同類型的銑削 過程中，刀具材料，工件材料，刀具幾何形狀，每齒的最大進給深度切割機動力都不同。根據(jù)切削力 變化，從計算的結(jié)果給出了一個優(yōu)化的進給速率。例如，如果計算出的切削功率大于機器的電源，進 料將計算出的切削功率降低，直到達到允許值，即，小于機器的電源。這樣做，可避免過大的切削力。 3.1.3 發(fā)展翻譯 該解釋器（在圖 3-3 中所示）將 STEP-NC 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成加工命令。 STEP-NC 數(shù)據(jù)定義的部件 10， 11 和 111 的 ISO14649，以及新開發(fā)的優(yōu)化數(shù)據(jù)模型。這種新開發(fā)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為 STEP-NC 的數(shù)據(jù)和實 際加工的優(yōu)化過程之間的接口。以前的解釋是能夠翻譯基本銑削功能。因此，額外的功能是需要處理 的機器執(zhí)行的優(yōu)化數(shù)據(jù)。 圖 3-3 ISO14649 解釋 該解釋主要有三個數(shù)據(jù)功能：輸入文件，工具的文件名和錯誤文件。一旦開始處理一個 STEP 文 件，面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成一組加工特性和工步在典型加工指令（CMC）的形式執(zhí)行。此 CMC 輸 出得到了進一步的增強，允許在加工過程中進行流程優(yōu)化。 3.1.4 刀具路徑執(zhí)行加工的解釋 CMC 碼的一組執(zhí)行由 CNC 控制器名為 AECopt 的。以這種方式，集成過程中的籌辦，優(yōu)化策略 和機床能力之間的鏈路。 3.2 AECoptt 機床控制器已重新設計，可支持流程優(yōu)化，持續(xù)監(jiān)測和控制。這項研究演示了如何利用 CMC 啟 用自適應執(zhí)行 STEP-NC 的數(shù)據(jù)，這被稱為 AECopt。 AECopt 本質(zhì)上是一個開放和自適應數(shù)控系統(tǒng)， 提供了三個功能：（一）通過 MCM 了解機床的行為和能力，（二）優(yōu)化機器參數(shù)的自適應控制（三） CMC 一部分的程序執(zhí)行，即模糊推理系統(tǒng)（FIS）的開發(fā)和集成 CMC 零件程序。圖 3-4 示出的進給 速率的優(yōu)化過程中的數(shù)據(jù)流。一個最佳的進給速率被定義為一個進給速率的加工時間很短的一段不超 過銑床的額定最大功率，并不會導致多余的振動。通常情況下，每臺機器工具都有其自己的最大額定 功率。這可以被用來作為基準設定的機床能力的限制?？紤]機床的額定功率，工作切削功率保持在低 于主電機功率，以保持加工操作過程中的安全區(qū)。以這種方式，如主軸過載，過多的切削力，顫振， 刀具磨損，產(chǎn)品質(zhì)量的惡化，并連機刀具破損的問題是可以避免的。 3 圖 3-4 基于模糊邏輯的進給速率優(yōu)化算法 為獲得最佳的進給速率，參考切削功率（NREF）被設置為一個值的正下方的最大功率（Nmax 時）， 考慮參考切削功率的電源，可能過沖。優(yōu)化過程的簡要說明如下，使用圖中的相應編號 4。在粗加工 過程開始于一個最大切削深度。開始進給率是從先前計算的數(shù)據(jù)得到。該值被分配至 SET_FEED_RATE 的命令。其目的是實現(xiàn)縮短加工時間。在加工過程中，刀具可能需要直線或圓弧插補。這是使用 STRAIGHT_FEED，ARC_FEED 和 ELLIPSE_FEED 的命令來實現(xiàn)。切削力傳感器檢測的基礎上計算 切削功率的切削力。使用電機功率為參照，切削功率誤差（ENC）和切削功率變化（CNC）。在數(shù)學 上，這兩個錯誤表示為： EN c(i) = N cref ? N cn (i) （3-1） CN (i) = N cn (i) ? N cn (i ?1) （3-2） opt 1/ 2 這兩個錯誤作為模糊控制的輸入。模糊推理系統(tǒng)由一個基本的輸入模糊化，模糊推理引擎，模糊 規(guī)則庫，隸屬函數(shù)和模糊化。控制信號是進給速率。模糊規(guī)則是用于優(yōu)化分配給軸致動器⑤的進給速 率。對于粗加工操作，進給率優(yōu)化表達式（3-3）和（3-4）。 f s1 = Maxf z ( f ≥ 8rRa ) ,amax x(t ) （3-3） t opt si = M int m ( f opt si 4 , amax , dsi ) （3-4） 1/ 2 在精加工操作的情況下，進給速率優(yōu)化式表示（3-5）。在這種情況下，系統(tǒng)切換到正常的 CMC。 fs 2 = Minfz ( f ≤ (8rt Ra ) , amin ) （3-5） 實現(xiàn)此算法是為每一個工具沿 X，Y 和 Z 軸的移動。本程序適用于機器的所有功能包含進給命令， 如 ARC_FEED 和 ELLIPSE_FEED 的。這樣的結(jié)果與優(yōu)化的進給速率變化的平穩(wěn)過渡，這是不可能的 基于 G 代碼執(zhí)行刀具運動。結(jié)束操作中，進給速率進行了優(yōu)化，以達到所要求的表面質(zhì)量。 該程序利用數(shù)據(jù)采集卡的電壓的輸入和輸出的控制信號轉(zhuǎn)換成的值是由計算機可解釋的，反之亦 然。美國國家儀器公司計算機（ PXI-1031）作為它的機載數(shù)據(jù)采集（DAQ）卡，可用的軟件開發(fā)的 LabWindows / CVI9.0 編程環(huán)境，如。 LabWindows / CVI 的數(shù)據(jù)采集庫，其中包含閱讀和發(fā)送信號的 功能。機床采用的是 2010 年 Sherline 數(shù)控銑床。示于圖 3-5 的 AECopt 控制器系統(tǒng)的接口。 圖 3-5 AECopt 控制器 GUI 該接口提供了兩種類型的控件：手動（自動）控制。手動功能提供 X，Y，Z 軸進給倍率，速度 倍率為順時針（CW）和逆時針（CCW）旋轉(zhuǎn)?？刂乒δ芴峁┴撦d，運行和線路的運行選項。 LOAD 選項加載一個 CMC 的程序已經(jīng)從 STEP-NC 的文件解釋。 “運行”選項，執(zhí)行系統(tǒng)的文件，命令行顯 示。最后，線路運行提供了一個選項，用于顯示由用戶選擇的特定命令的 CMC 的輸出。利用視覺顯 示一組由兩個控制功能。 START/ STOP 按鈕是用來執(zhí)行 optiCMCs 和系統(tǒng)分別為。 START（開始）“選 項也可以用來開始獲取由切削力的數(shù)據(jù)，這是用來作為 optiCMC 輸入。在同一時間，一個加速度傳感 5 器的信號被收購為脫機數(shù)據(jù)分析。 3.3 以知識為基礎的評價 提供基于機器狀況的優(yōu)化和更新的參數(shù)，效率和生產(chǎn)力的加工性能是關鍵。實現(xiàn)這一目標的方法 之一是賦予整個產(chǎn)品開發(fā)過程控制器與智能知識。這是通過知識評價系統(tǒng)，車間更新的數(shù)據(jù)信息記錄 和評估。可以做到通過直接記錄或網(wǎng)絡使用的協(xié)議，如 MTConnect 記錄。在加工過程中直接錄制的方 法是一個簡單的數(shù)據(jù)節(jié)電方法。網(wǎng)絡記錄需要一個開放的架構(gòu)，網(wǎng)絡協(xié)議。在記錄過程中，可包括如 實際的進給速率，加速度，加加速度，加工時間，實際的切割力和振動，然后再評估，以確保不超過 允許的切削功率的機床的加工參數(shù)。此信息被用于更新 STEP-NC 的數(shù)據(jù)模型中的數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)中的 最后一個動作就是以知識為基礎的評估記錄實際的進給速率。 然后，所記錄的信息，以對更新的機器狀態(tài)與最新特性 STEP 文件進行評估。因此，加工參數(shù)的 調(diào)整，可以在稍后的時間進行。 3.3.1 MTConneect MTConnect STEP-NC 的集 成使一 個可 互操作 的方 法在不 同的 地點訪 問和 處理加 工數(shù) 據(jù)。 MTConnect 是一個開放的協(xié)議和基于 XML 的標準更高水平的標準進行數(shù)據(jù)整合，它可以作為一個推 動者。它的體系結(jié)構(gòu)可以很容易地部署和加裝到現(xiàn)有的機器，因此各種類型的加工環(huán)境中提供靈活性 和便攜性的功能。 MTConnect 有四個組成部分：設備，適配器，代理和客戶端。他們共同作為骨干通信標準。該裝 置被稱為是負責提供監(jiān)測數(shù)據(jù)的組件，如控制器，傳感器和機床。這些數(shù)據(jù)是由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集的 適配器。適配器是負責通信和流媒體的代理。設備的應用程序編程接口（API）與該適配器將溝通作 為數(shù)據(jù)采集過程。代理，然后接受數(shù)據(jù)請求從客戶端應用程序，然后返回 XML 格式的數(shù)據(jù)。然后， 客戶端可以從文檔中提取數(shù)據(jù)，并顯示給用戶。這些數(shù)據(jù)可用于更有意義的輸出，通過機床的當前狀 態(tài)的評估。 3.3.2 數(shù)據(jù)采集和分析 由于 STEP-NC 提供了豐富的數(shù)據(jù)建模方法用于描述加工數(shù)據(jù)，相比與傳統(tǒng)的 NC 代碼結(jié)構(gòu)，因此 可以被保存加工知道如何根據(jù) STEP-NC 數(shù)控系統(tǒng)的整個產(chǎn)品開發(fā)周期。 STEP-NC 是一個高層次的數(shù) 據(jù)模型和它的執(zhí)行也需要更具體的加工數(shù)據(jù)。 KBE 系統(tǒng)負責三項任務：數(shù)據(jù)記錄，可視化和評估。首先，數(shù)據(jù)流式傳輸，通過 MTConnect 被 記錄在一個數(shù)據(jù)庫中，可以在不同的地點訪問。動態(tài)記錄的加工參數(shù)，包括實際進給速度，加速度， 挺舉，切削功率和最大振幅。其次，該系統(tǒng)提供了一個用戶界面，用于可視化的目的。該接口由一個 樹形視圖，表和圖形表示所收購的動態(tài)加工參數(shù)。在圖 3-6 所示的用戶界面的快照。第三，加工參數(shù) 進行評估，其目的獲得另一組隨后的機械加工操作的最佳參數(shù)。這些措施包括： （a）實際切削功率值來計算最佳的進給速率， （b）加速度和加加速度值進行評估，以獲得平滑的運動， （c）分析得出通過觀察振動信號短時傅立葉變換（STFT），在切割過程中，以避免過多的數(shù)落。 6 圖 3-6 KBE 系統(tǒng)的接口 所有這些評價參數(shù)，幫助提供適當?shù)陌踩庸げ僮鞯倪M給速率。這些進給速率，然后分配更新 STEP-NC 的數(shù)據(jù)存儲在 STEP-NC 文件。以這種方式，可以利用的知識，在執(zhí)行卓越的加工操作。 3.3.3 數(shù)據(jù)評估 數(shù)據(jù)流通過連續(xù)記錄到一個數(shù)據(jù)庫 MTConnect。所記錄的數(shù)據(jù)的一部分示于表 1。在表中可以看 出，對于每一個時間增加，可以觀察到的機器行為的變化。清晰可見的是逐步改變進給速率為每一個 時間增量。這些進給速率的動態(tài)行為，可取得進一步分化加速性能。在加工過程中，機械元件的振動 的激發(fā)可能導致過度增加加速度，這可能會導致加速刀具的磨損，提高加工噪聲和大的輪廓加工誤差。 因此，急動度可以作為一個指標為光滑的加工操作標準。 表 1 中 記錄數(shù)據(jù)通過 MTConnect 7 T 時間（s）。CP-切割功率（千瓦）、FR-進給率（毫米/分鐘）、A-的加速度（mm/sec2）、J-急動度 （mm/sec3）MVA 最大振動幅度（1000-1）。 從時域的數(shù)據(jù)需要被記錄，另外，由于大量的時域數(shù)據(jù)（在 10,000 Hz 的采樣速率），時域振動信 號處理使用 STFT 技術的。圖 3-7 是從所記錄的數(shù)據(jù)的一部分的時間間隔 8 秒的短時傅立葉變換得到 的視圖的一個例子。短時傅立葉變換，可以執(zhí)行頻率的變化隨時間的持續(xù)時間。從這種變化中，可以 發(fā)現(xiàn)，任何重大的喋喋不休，這將決定在那個時候進給速率值。例如，大量發(fā)生的在喋喋不休頻率為 185.5 赫茲振幅在 3.8 s。所記錄的數(shù)據(jù)表明，該控制器產(chǎn)生的進料速率為 127 毫米/分鐘，約 3.8 s 的加 工。其結(jié)果是，進給速率為 127mm/分鐘，可確認為過速的機床工作臺的移動。應避免在后續(xù)加工操 作更新的 STEP 文件。這種實時的進給速率值可以控制，使其不超過允許的顫振頻率的振幅的值，通 過設置在調(diào)諧系統(tǒng)中的進給速率的上限。因此，改進的進給速率可以被分配到控制器。 圖 3-7 STFT 代表性的振動分析 4 結(jié)論 使用 STEP-NC 的數(shù)據(jù)模型，根據(jù)相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)合并為各種應用提供了一個有前途的平臺。它 帶來了設計數(shù)據(jù)，如幾何尺寸，公差和材料到加工操作過程的控制和監(jiān)測，成為一個強大的控制機制。 出于這樣做的好處，新開發(fā)的架構(gòu)優(yōu)化的目的是擴充現(xiàn)有的 STEP-NC 的數(shù)據(jù)模型。為一體的綜合環(huán) 境中，高層次的機器狀態(tài)監(jiān)測行使優(yōu)化加工流程是必要的。開發(fā)的 Express 數(shù)據(jù)模型提供了必要的數(shù) 據(jù)進行加工優(yōu)化。 STEP-NC 的機器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由三個子系統(tǒng)組成。第一個子系統(tǒng)， optiSTEP-NC，是負責早期階 段優(yōu)化。目的是為了協(xié)助過程規(guī)劃者產(chǎn)生最佳的加工參數(shù)為 STEP-NC 的文件。這是兩種不同的情況： （一）最大限度地提高進給率和切削深度的關鍵加工（例如，粗加工工序）及（二）最大化的加工質(zhì) 量，質(zhì)量的關鍵加工操作（例如，精加工業(yè)務）。模擬器已經(jīng)開發(fā)的最優(yōu)化算法，實時的過程控制和監(jiān) 測算法來驗證。 8 第二子系統(tǒng)：一種自適應的進給速率優(yōu)化（AECopt）控制器 CMC 程序執(zhí)行第 2 副系統(tǒng)的框架。 控制器允許一個模糊的進給率優(yōu)化模塊規(guī)范的機器要執(zhí)行的命令。抗議的 NC 程序執(zhí)行的主要特點是 機床工具的能力范圍內(nèi)保持恒定的負載能力進行自適應進給率優(yōu)化。此外，還可以幫助優(yōu)化算法減少 喋喋不休幅度。因此，過多的顫振的發(fā)生是可以避免的。這保證了一個更健康的加工操作環(huán)境。實驗 結(jié)果通過建議的進給速率優(yōu)化模塊的有效性。 第三子系統(tǒng)（被稱為以知識為基礎的評價體系）的開發(fā)。內(nèi)容準確詳實，更新加工訣竅是用于實 現(xiàn)自動化和智能化加工操作。通過有效地監(jiān)測和記錄加工過程中的標準化環(huán)境的 STEP-NC 和 MT Connect 訣竅可以應用在任何時間點，一個完整的加工利用。 KBE 系統(tǒng)展示了寶貴的加工訣竅有助于 確定最佳的進給速率，以便可避免顫振的發(fā)作。該系統(tǒng)還可以記錄的加工參數(shù)，如切割功率，加速度， 加加速度和最大振動振幅的努力，以獲得最佳的機械加工性能，進一步評估這些數(shù)據(jù)?？傮w而言，需 要機械師 NC 代碼來操作和調(diào)整的最小化。工程師制定有效的流程計劃所花費的時間減少，最終的決 策由高層經(jīng)理甚至可以遠程決策。 參考文獻 [1] Elbestawi MA, Dumitrescu M, E-G NG. 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