使用力反饋實(shí)時(shí)數(shù)字控制刀具路徑適應(yīng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開大致涉及由數(shù)字控制系統(tǒng)控制的銑床。更具體地，本公開涉及利用被計(jì)算成維持加工條件處于加工過(guò)程約束內(nèi)的切削刀具路徑的銑床控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]許多零件通過(guò)加工工件以移除材料被制造。具體地，具有許多專門化的零件的工業(yè)經(jīng)常通過(guò)加工零件來(lái)產(chǎn)生零件而不是使用其他方法承受資本性支出來(lái)產(chǎn)生零件，其他方法諸如通過(guò)使用模具鑄造零件。在另一些情況下，加工零件(以下稱“工件”)可能是必要的以根據(jù)具體規(guī)定精整表面。例如，在航空和航天工業(yè)中，所加工的零件通常必須遵守具有小范圍差異的設(shè)計(jì)公差，并因而需要精密制造，這通常包括當(dāng)零件由金屬形成時(shí)的加工過(guò)程。工件可以由幾乎可以被加工的任何材料形成,包括各種木材、金屬和復(fù)合材料。
[0003]一種具體的加工操作包含使用銑削刀具移除材料，隨著銑削刀具沿著垂直于銑削刀具的接合方向的軸線旋轉(zhuǎn)，該銑削刀具通過(guò)切掉工件上的接合區(qū)域來(lái)移除材料。銑削刀具(或者鉆頭)從工件的表面有效地移除不期望的材料以向材料的毛坯件(即，工件)切(即，銑)入期望的形狀。
[0004]銑床通常包括可移動(dòng)臺(tái)面，工件被附在該臺(tái)面上。該臺(tái)面能夠沿著兩個(gè)垂直的方向(如，沿著X和Y軸線)移動(dòng)。該臺(tái)面被聯(lián)接至能夠?qū)⒁粋€(gè)或更多個(gè)伺服馬達(dá)的軸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為臺(tái)面的線性運(yùn)動(dòng)的一個(gè)或更多個(gè)裝置(如，絲杠)。因此，通常通過(guò)控制伺服馬達(dá)的軸旋轉(zhuǎn)來(lái)控制臺(tái)面的運(yùn)動(dòng)。被供應(yīng)到每個(gè)伺服馬達(dá)的功率通常由對(duì)應(yīng)的伺服放大器調(diào)節(jié)。
[0005]臺(tái)面且因此工件相對(duì)于切削刀具以受控方式移動(dòng)以使得切削刀具能夠從工件移除材料以產(chǎn)生期望的最終產(chǎn)品。切削刀具通常附接至由旋轉(zhuǎn)軸承支撐的旋轉(zhuǎn)軸，該旋轉(zhuǎn)軸通常被稱為主軸。主軸的旋轉(zhuǎn)由主軸馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，且供向主軸馬達(dá)的功率由對(duì)應(yīng)的主軸放大器調(diào)節(jié)。主軸連同切削刀具也可以相對(duì)于工件移動(dòng)以進(jìn)一步控制從工件移除材料。例如，主軸可以相對(duì)于機(jī)床坐落的平面被上下移動(dòng)。為使主軸能夠相對(duì)于工件移動(dòng)，主軸可以被連接至絲杠，絲杠進(jìn)而連接至伺服馬達(dá)。該上和下方向是Z軸線。雖然以上描述了使用伺服馬達(dá)和絲杠的典型的三軸線(即，乂、￥和幻銑床，不過(guò)也存在銑床的許多其他配置。例如，銑床可以具有五個(gè)或更多個(gè)受控軸線。此外，銑床可以使用電磁線性驅(qū)動(dòng)器(而不是伺服馬達(dá)和絲杠)來(lái)移動(dòng)臺(tái)面和工件。
[0006]所有伺服馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)被精確地控制和協(xié)調(diào)以產(chǎn)生工件相對(duì)于切削刀具的期望的運(yùn)動(dòng)以產(chǎn)生期望的最終形狀。此外，主軸且因此工件的旋轉(zhuǎn)速度也可以通過(guò)控制主軸馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度被控制。伺服和主軸馬達(dá)以及放大器通常通過(guò)專用計(jì)算機(jī)被控制，該專用計(jì)算機(jī)被編程以執(zhí)行計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(CNC)。除了控制工件相對(duì)于切削刀具的軌跡之外，CNC控制器還控制工件相對(duì)于切削刀具移動(dòng)所處的速度(以下稱“進(jìn)給速率”)。CNC控制器通常被編程成以規(guī)定的進(jìn)給速率操作機(jī)床，該規(guī)定的進(jìn)給速率被選擇成使用機(jī)械的能力而不損壞切削刀具或主軸或者超過(guò)工件精度要求。
[0007]隨著工件被銑削，工件相對(duì)于切削刀具的運(yùn)動(dòng)在切削刀具上產(chǎn)生了切向力和徑向力二者。扭矩由切向力乘以切削刀具半徑形成，且彎矩(被叫做徑向載荷)由徑向力乘以切削刀具長(zhǎng)度形成。扭矩和徑向載荷優(yōu)選地被保持在預(yù)定最大值以下以阻止損壞切削刀具和/或主軸。通常通過(guò)監(jiān)視主軸放大器的輸出功率或者電流來(lái)監(jiān)視扭矩。通常使用在主軸結(jié)構(gòu)上的應(yīng)變儀來(lái)監(jiān)視徑向載荷。
[0008]在工件被銑削的同時(shí)工件相對(duì)于切削刀具以被編程進(jìn)給速率運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生過(guò)大的扭距和/或過(guò)大的徑向載荷時(shí)，會(huì)出現(xiàn)情況。適應(yīng)控制系統(tǒng)已經(jīng)被研制出來(lái)以應(yīng)對(duì)這些情況的發(fā)生。隨著工件被銑削，適應(yīng)控制系統(tǒng)通常重復(fù)地監(jiān)視主軸功率和徑向載荷。如果功率和/或徑向載荷分別超過(guò)預(yù)定的最大值，則適應(yīng)控制系統(tǒng)通常將導(dǎo)致進(jìn)給速率降低，以便相應(yīng)地降低主軸功率和/或徑向載荷。適應(yīng)控制系統(tǒng)可以是能夠與CNC通信的獨(dú)立裝置，或者可以是在CNC內(nèi)部的功能元件(如，硬件和/或軟件)。
[0009]當(dāng)前的切削刀具路徑由計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)軟件根據(jù)預(yù)期的毛坯材料位置和尺寸被創(chuàng)建。然而，一些工件具有不一致的位置和尺寸。例如，機(jī)器上的鍛造表面不匹配CAD/CAM環(huán)境。鍛件在其表面上通常具有±0.25英寸的公差。另外，由于模具磨損，鍛造質(zhì)量隨著時(shí)間而下降。鍛件的變形由鍛造過(guò)程應(yīng)力造成。加工中心臺(tái)面上未對(duì)準(zhǔn)也可能是一個(gè)問(wèn)題。
[0010]對(duì)于具有不一致的毛坯材料條件的工件(諸如，在尺寸上可以變化很大的鍛件)，定義的切削刀具路徑可能遇到變化也很大的毛坯材料深度，這對(duì)于切削刀具來(lái)說(shuō)不是最佳的。毛坯材料的這種變化能夠?qū)е聼o(wú)法預(yù)料的超出了加工約束的切削深度，且/或?qū)е碌毒咂茐摹Ｒ恍┏Ｒ?guī)使用的加工約束包括徑向切削深度(本文也被稱為“切削徑向深度”)、切削力、主軸功率以及主軸扭矩。在一些情況下，工藝約束(包括切削刀具磨損)的控制通過(guò)在加工過(guò)程期間改進(jìn)進(jìn)給速率是可以實(shí)現(xiàn)的。切削過(guò)程的進(jìn)給速率能夠被改進(jìn)以增大/減小切削力來(lái)維持工藝參數(shù)在規(guī)定的約束內(nèi)，但是進(jìn)給速率改進(jìn)會(huì)導(dǎo)致選擇效率低的切屑厚度。
[0011 ] 根據(jù)一種進(jìn)給速率優(yōu)化方法，CNC程序的進(jìn)給速率優(yōu)化能夠在CAM系統(tǒng)中CNC編程處理期間被執(zhí)行。根據(jù)該方法，使用加工仿真能夠識(shí)別切削條件和切削深度，該加工仿真包括材料移除建模。進(jìn)給速率的變化基于該仿真。該方法不得不在每個(gè)CNC程序均變化的情況下被完成。并且該方法需要在CAM系統(tǒng)中可獲得準(zhǔn)確的毛坯材料模型。該方法無(wú)法良好地用于不一致的鍛件。
[0012]根據(jù)另一種進(jìn)給速率優(yōu)化方法，CNC程序的進(jìn)給速率優(yōu)化能夠以控制環(huán)路在加工過(guò)程期間被執(zhí)行。根據(jù)該方法，使用傳感器以識(shí)別切削條件并調(diào)整進(jìn)給速率以維持在CNC操作期間的工藝約束。使用該方法，進(jìn)給速率能夠被調(diào)整以補(bǔ)償?shù)毒吣p和鍛造不一致。一種商業(yè)可獲得的系統(tǒng)接收來(lái)自CNC程序的設(shè)定并監(jiān)視主軸載荷。如果主軸載荷降到設(shè)定點(diǎn)以下，則該系統(tǒng)增大CNC的切削進(jìn)給速率。如果主軸載荷增大到設(shè)定點(diǎn)以上，則該系統(tǒng)減小CNC的切削進(jìn)給速率。另一種商業(yè)可獲得的系統(tǒng)針對(duì)每段刀具路徑基于當(dāng)前切削條件(被移除的材料的體積、深度、寬度以及切削的角度)調(diào)整進(jìn)給速率。
[0013]進(jìn)給速率優(yōu)化方法的主要缺點(diǎn)是:因?yàn)榈毒呗窂绞潜灰?guī)定的，所以只有切削進(jìn)給速率能夠被改變，而不能改變刀具路徑位置(以增大/減小徑向切削深度)。當(dāng)加工硬的材料時(shí)，有效的切屑厚度是近似0.003-0.006英寸。高于和低于這個(gè)范圍的切削被認(rèn)為是低效的。當(dāng)?shù)陀谠撚行Х秶邢鲿r(shí)，金屬移除速率被降低，而獲得切削刀具壽命的最小增加。這主要是由于隨著切屑厚度接近切削刃口半徑而開始出現(xiàn)的摩擦作用。該摩擦作用導(dǎo)致切削刀具不均勻的和過(guò)早的磨損。當(dāng)高于該有效范圍切削時(shí)，施加于切削刀具上的切向切削力接近切削刀具材料的機(jī)械極限，從而導(dǎo)致碎屑和損壞。
[0014]用于調(diào)整不一致或未知的毛坯材料位置的替代方法包括測(cè)量毛坯材料、數(shù)字化結(jié)果并將毛坯材料位置信息載入計(jì)算刀具路徑的CAD/CAM系統(tǒng)。CAM軟件將創(chuàng)建用于命令切削刀具遵循所計(jì)算的刀具路徑的CNC程序。在一種實(shí)施例中，基于數(shù)字鍛件定義來(lái)控制徑向切削深度。能夠使用力反饋探測(cè)系統(tǒng)或用于掃描的逆向工程設(shè)備來(lái)定義鍛造。
[0015]所熟知的是在所有的鍛件表面上假定規(guī)定的(如I英寸)偏距余量。切削者將該偏距認(rèn)為是材料的，而導(dǎo)致空切?？涨兄傅氖且浴扒邢鳌边M(jìn)給速率移動(dòng)切削刀具而不切削材料。這通常相當(dāng)慢，如2-8英寸/分鐘。其他定位移動(dòng)被設(shè)置得較快，如300-800英寸/分鐘，因?yàn)榇藭r(shí)沒(méi)有碰撞或切割的可能。如果假設(shè)安全偏距余量代表未知的材料可能處于的地方，則仍會(huì)出現(xiàn)盡管假設(shè)材料可能在那但沒(méi)有材料的情況。在這些空切出現(xiàn)的區(qū)域，切削進(jìn)給速率被使用但是沒(méi)有材料被切削。典型的鈦粗加工進(jìn)給速率是2.5英寸/分鐘，且使用3英寸直徑的切削刀具。因而繞200英寸鍛件的一道“空切”能夠用掉190分鐘，從而導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)間的極大增加。
[0016]盡管CAD/CAM計(jì)算過(guò)程提供了比適應(yīng)進(jìn)給速率方法更好的刀具壽命和更好的金屬移除性能，但是CAD/CAM計(jì)算增加了生產(chǎn)操作的工程時(shí)間并且通常僅用在有限數(shù)量的零件上。
[0017]提供一種由于上述方法的改進(jìn)的銑削方法將是值得做的。
[0018]本申請(qǐng)根據(jù)美國(guó)法典第35條§ 119(e)主張2013年11月7日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/901,014的優(yōu)先權(quán)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019]本文所公開的主題涉及一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有改進(jìn)切削刀具路徑的能力以便在加工過(guò)程期間實(shí)時(shí)控制徑向切削深度以維持加工過(guò)程約束。因?yàn)樵撨^(guò)程在CNC機(jī)床處以控制回路被執(zhí)行，所以隨著刀具逐漸磨損，切削力的增大能夠被在機(jī)床上的傳感器捕獲，從而觸發(fā)適當(dāng)措施。適當(dāng)措施的示例包括:增大或減小徑向切削深度和/或更換切削刀具，然后恢復(fù)切削過(guò)程。所公開的方法在加工操作期間產(chǎn)生一致性的加工力并維持切屑厚度在有效值范圍內(nèi)，從而導(dǎo)致最佳的切削刀具壽命和最小的成本。
[0020]以下詳細(xì)公開的的CNC切削刀具路徑適應(yīng)的方法使用CNC控制器和力反饋回路來(lái)維持加工條件在加工過(guò)程約束內(nèi)。使用零件信息、初始路徑和軌線，刀具路徑被初始化且切削過(guò)程開始。在該過(guò)程期間，機(jī)床傳感器被使用以識(shí)別加工條件并改進(jìn)切削刀具路徑以改變徑向切削深度并維持加工過(guò)程力約束。該方法允許在具有不一致尺寸的毛坯材料(諸如鍛件)上有效的加工操作。具體地，使刀具路徑基于切削力適應(yīng)排除了在所有的鍛件表面上假定偏距余量的必要，因此減少了運(yùn)行時(shí)間。這種加工方法具有減小加工由硬金屬(諸如鈦和不銹鋼)制成的大部件(諸如飛機(jī)部件)的成