加工过程数据的时空映射优化

智能加工系统中存在大量的现场监测数据，这些数据对分析工件几何模型或动力学特性演化及刀具磨损的演化具有重要作用，这些数据也是加工过程优化的基础。因此，智能加工中需要将加工过程数据进行时空映射，与工件的加工位置和时序对应起来［1］。

如图4.2所示，在进行工件的数控编程时，通过CAM编程可以得到CLS文件，CLS文件通过后置处理得到G代码，G代码通过机床执行生成机床的运动。G代码中的每一行都可以与CLS文件中的每一行数据进行对应，而CLS文件中的每一行数据又可以与零件上的具体位置进行对应。数控机床在执行G代码时，实时的加工过程数据包括刀具-主轴子系统、工件-夹具子系统的数据，都可以被记录下来，即监测数据与G代码中的指令也可以准确对应。

图4.2　加工过程数据的时空映射方法

根据上述映射关系可知，监测信号可以与工件模型表面的具体位置进行准确映射，从而建立起加工过程数据的时空映射关系。

以航空发动机环形机匣为例，对机匣的整个加工过程进行时间离散。工艺系统空间离散的每一个深度体元，都有相应的加工过程信息与之对应，因此可建立加工过程信息与深度体元的空间映射关系［1］。

对于环形薄壁零件复杂的加工过程，可采用空间细分方法进行简化处理。将沿工件表面U和V方向划分的深度体元作为材料切除单元，而沿着刀位轨迹顺序连接的各个深度体元便构成了材料切除序列。该方法配合结构动力修改算法，可以计算沿材料切除序列的工艺系统动力学演化情况。同时，对单行刀位轨迹进行切削参数优选，可以保证该材料切除序列内的稳态切削。而与材料切除序列即加工过程相关的信息，包括工艺系统特性预测值如工艺系统的固有频率、法向刚度等和工艺参数优化初始值如稳态切削的主轴转速、轴向切深等信息，需要按照一定的格式存储到对应的深度体元中，其结果可为后续的环形薄壁零件加工过程在线调控以及学习进化提供基础数据。

图4.3所示为当前工步内的加工过程信息空间映射示意图。对于当前工步内材料切除序列上的某一时刻t，深度体元E与之对应。当前切削位置对应的工件表面参数坐标为u和v，对应的工艺系统固有频率为ωn，法向刚度为kz，该体元所在切削行对应的满足稳定加工条件的主轴转速为n，轴向切深为ap，这些信息需要按照给定的存储格式进行记录。

图4.3　当前工步内的加工过程信息空间映射

沿材料切除序列对每个深度体元对应的加工过程信息进行存储，形成面向环形薄壁零件铣削过程动力学演化预测及动态响应控制的加工过程优化方案。加工过程信息可以按照体元位置、切削参数、模态特征、响应特征进行分类存储，如图4.4所示。所有这些信息构成了环形薄壁零件加工的工艺知识，可以通过知识挖掘、学习、进化等手段不断精化加工过程模型中的控制系数以及切削参数，最终形成稳定、可靠的工艺知识并记录在数据库中，以此指导实际生产，提高零件的加工质量和加工效率。

对于机匣从当前加工子状态Si，j到下一加工子状态Si，j+1的整个加工过程，可以按照材料切除序列建立加工过程几何参数、物理参数以及工艺参数与各个深度体元之间的空间映射，并将这些参数信息存储于各个深度体元之上，为后续的真实加工过程在线调控提供预测初始值。

图4.4　工艺知识记录(www.xing528.com)

图4.5所示为机匣零件某段材料切除方案中切削行l5对应的加工过程信息空间映射，详细的加工过程信息示例如表4.1所示。为便于描述空间映射过程，对机匣的外型面进行平面展开处理，则各个切削行中的材料切除单元可以顺序对应到切削段序列横轴上。切削段l5，1和l5，7对应的工件表面参数位置分别为（0.042，0.393）和（0.542，0.393），对应的固有频率分别为1411 Hz和1380 Hz，对应的法向刚度分别为3.973×107 N/m和3.873×107 N/m，对应的主轴转速分别为3237 r/min和3173 r/min，对应的容错切深分别为0.685 mm和0.672 mm，对应的绝对稳定切深分别为0.149 mm和0.145 mm。需要注意的是，切削段l5，0表示切削行l4已完成材料切除，而切削行l5还未开始进行材料切除。

图4.5　切削行l5对应的加工过程信息空间映射

表4.1　切削行l5对应的加工过程信息

按照上述方法，对机匣外型面的所有切削行进行加工过程信息空间映射，得到整个工序内沿材料切除序列的工艺系统特性预测值和工艺参数优化初始值。

图4.6（a）所示为工件几何结构演化对应的法向刚度分布情况。为了便于数据分析，将机匣的环形表面沿U方向进行平面展开处理。可以发现，机匣端部的法向刚度比机匣根部的法向刚度小，机匣中部即凸台1环带附近的法向刚度最小，靠近机匣根部的法向刚度显著增大。对单个切削行而言，各个切削段的材料切除都会引起工艺系统动力学特性的变化，并导致各个切削段处的切削参数优选结果也不尽相同。

图4.6（b）所示为机匣加工切削行l5对应的主轴转速分布情况。由于在切削行l5中存在凸台结构，为了避免发生碰撞干涉，在规划刀位轨迹时需要在凸台之间进行反复的进刀、退刀操作。因此，可以实现在每一个切削段处优选一个主轴转速，在进刀、退刀过程中改变主轴转速。同时，由于在机匣加工的每一个切削行内，工艺系统的动力学特性变化幅值都较小，因此可以针对单个切削行优选一个主轴转速。

图4.6（c）所示为机匣加工各切削行对应的主轴转速分布情况。可以发现，每一个切削行对应一个优选的主轴转速，保证该切削行的稳定切削。

图4.6　加工过程信息空间映射结果

（a）工件几何结构演化对应的法向刚度分布（b）切削行l5对应的主轴转速分布（c）各切削行对应的主轴转速分布