CN118426407B - 一种精密注塑模具加工的数控机床系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种精密注塑模具加工的数控机床系统，属于数控机床系统技术领域。包括CAM系统和与其通信连接的检测模块、测量模块、执行模块、分析模块和参数优化模块，CAM系统提供S形试件三维模型的编程轮廓，执行模块根据编程轮廓进行加工，测量模块测量S形试件的加工轮廓并进行记录，检测模块检测加工过程中刀具的磨损程度和温度，分析模块采用多元回归模型根据加工轮廓与编程轮廓之间误差和检测模块的检测结果进行分析并确定误差权重，参数优化模块根据多元回归模型实时调整执行模块的执行参数，通过各个模块对刀具进行实时监测、优化刀路，提高了数控机床在模具加工上的精度与质量，同时提高通过模具生产出来产品的质量。

Description

一种精密注塑模具加工的数控机床系统

技术领域

本发明属于数控机床系统技术领域，具体涉及一种精密注塑模具加工的数控机床系统。

背景技术

目前市面上的积木玩具，如塑料颗粒积木玩具，一般通过两个零件之间的配合过盈量来连接。通过零件的配合公差，从而实现连接的松紧度。这种连接方式对模具精度制造和注塑生产提出很高的要求，造成积木零件不仅生产成本高，而且零件一致性差，搭建力度不一样，最终造成用户使用体验差。

而为了提高模具在制造过程中的加工精度，现有的数控机床通常会通过CAM系统生成的理想化的加工路径和形状，它是基于设计模型和要求进行计算的。而且CAM系统可以根据工件的三维模型数据，自动生成数控机床的加工路径和刀具轨迹，而CAM系统里的模拟的加工路径及为编程轮廓，而在实际的加工过程中的加工轮廓与编程轮廓之间的误差小即说明加工精度。从而保证了在进行加工过程中模具在模型上的精度可以得到保证，只需要控制加工过程中的误差即可完成高精度的模具制造。

然而在实际的加工过程中，加工轮廓会受到各种因素的影响，其中主要造成误差的因素分为静态误差和动态误差。而静态误差可以通过激光干涉仪、球杆仪及R-test等仪器直接检出。而动态误差的检测现有的行业内广泛采用的S形试件来对机床的动态误差进行检测，通过检测的动态误差来控制最终加工过程中模具精度，但是由于动态误差的成因及成分复杂，其中包括了热误差、系统控制误差等，其中机床热误差对零件的加工精度影响约占机床总加工误差的40%-70%，因此，在高精度的模具制造过程中无法准确的控制模具的误差范围。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种精密注塑模具加工的数控机床系统，解决了现有的数控机床在制造高精度模具的过程中由于动态误差的影响无法准确的控制模具的误差范围的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种精密注塑模具加工的数控机床系统，包括CAM系统和与CAM系统通信连接的检测模块、测量模块、执行模块、分析模块和参数优化模块，所述CAM系统提供S形试件三维模型的编程轮廓，所述执行模块根据编程轮廓进行加工，所述测量模块测量S形试件的加工轮廓并进行记录，所述检测模块检测加工过程中刀具的磨损程度和温度，所述分析模块采用多元回归模型根据加工轮廓与编程轮廓之间误差和检测模块的检测结果进行分析并确定误差权重，所述参数优化模块根据多元回归模型实时调整执行模块的执行参数。

作为本发明的一种优选技术方案，所述检测模块包括视觉检测单元和红外检测单元，所述视觉检测单元对刀具磨损进行实时监测，所述红外检测单元实时机床内的温度。

作为本发明的一种优选技术方案，还包括补偿模块，所述补偿模块根据分析模块的误差权重和检测模块的检测结果实时调整刀具在编程轮廓中的长度参数。

作为本发明的一种优选技术方案，所述多元回归模型中加工轮廓与编程轮廓之间的误差作为因变量，刀具的磨损程度和刀具在加工过程中的温度分别作为自变量。

作为本发明的一种优选技术方案，所述测量模块的测量项目包括S形缘条厚度误差、S形缘条凹痕、凸棱、振纹的局部缺陷和S形缘条轮廓误差。

作为本发明的一种优选技术方案，所述测量模块通过激光扫描S形试件获得工件的三维数据点转化为三维轮廓。

作为本发明的一种优选技术方案，所述执行模块的执行参数包括机床直线轴的定位参数和旋转轴的坐标参数。

作为本发明的一种优选技术方案，还包括插补模块，所述插补模块根据测量模块的测量结果与分析模块的误差权重来调整执行模块中机床直线轴的执行参数。

作为本发明的一种优选技术方案，所述CAM系统、检测模块、测量模块、执行模块、分析模块、插补模块和参数优化模块分别通过Modbus协议连接。

本发明的有益效果为：通过CAM系统提供S形试件的编程轮廓，并让执行模块根据编程轮廓进行加工并通过测量模块进行测量获得加工轮廓，同时检测模块对加工过程中刀具的磨损程度和温度进行检测，而分析模块采用多元回归模型对加工轮廓与编程轮廓之间误差和检测模块的检测结果进行分析并确定误差因素的权重，再通过参数优化模块根据各个因素的权重来实时调整执行模块中的执行参数，通过各个模块的协同配合，对刀具的进行实时监测、对刀路优化，从而提高了数控机床在模具加工上的精度与质量，进一步提高通过模具生产出来产品的质量，从而解决了现有的数控机床在制造高精度模具的过程中由于动态误差的影响无法准确的控制模具的误差范围的问题。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的数控机床系统的示意图；

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。

在对高精度模具进行制作前，该数控机床先进行S形试件来获得机床的动态误差，然后再根据动态误差来实时调整机床的执行参数，通过加工出现的S形试件的精度来确保数控机床的加工精度，从而保证了后续对高精度模具进行加工时可以准确的控制模具的加工误差范围。因为S形试件的检测已经纳入ISO10791-7标准，因此，为了保证高精度的模具在制造过程中可以准确的控制模具的加工误差范围，请参阅图1，本实施例提供了一种精密注塑模具加工的数控机床系统，包括CAM系统和与CAM系统通信连接的检测模块、测量模块、执行模块、分析模块和参数优化模块，而同时上述各个模块之间数据接口进行参数、结果和信息的传递，从而实现模块间的数据共享和流程控制。通过连接，各个模块之间形成了有机的整体，能够实现数据的共享、传递和处理，CAM系统提供S形试件三维模型的编程轮廓，然后执行模块根据编程轮廓进行加工，在加工过程中，测量模块对S形试件的加工轮廓进行测量并记录，检测模块同时检测加工过程中刀具的磨损程度和温度，同时测量模块和检测模块会将获得的数据实时传输至分析模块中，分析模块采用多元回归模型对加工轮廓与编程轮廓之间误差和检测模块的检测结果进行分析并确定误差权重，然后参数优化模块根据分析模块中的多元回归模型来实时调整执行模块的执行参数，从而完成对S形试件的加工，同时对加工过程机床的加工误差可以进行实时的补偿，从而减少动态误差对加工过程中造成的影响。

而在加工过程中，刀具的磨损和加工轮廓与编程轮廓之间的误差是造成加工误差的主要因素，同时，刀具的磨损主要受到机床的热误差影响，因为在加工过程中刀具在不断的切削过程中会产生较高的温度，而这些温度会进一步的加快刀具的磨损程度，同时温度也会让机床造成热胀冷缩从而导致误差的产生，而通过分析模块根据加工轮廓与编程轮廓之间误差来判断分析刀具的磨损和温度对整体的加工精度所造成的误差那个影响更大，从而通过参数优化模块来调整，提高数控机床的加工精度。

而现有的数控机床在对模具进行制作的过程中，确保编程轮廓与加工轮廓的一致性是至关重要的。因为编程轮廓与加工轮廓的一致性意味着实际加工结果与设计意图的符合程度。如果两者高度一致，说明加工精度高，产品质量好；反之，如果存在较大的偏差，则可能导致产品质量不达标，甚至造成废品。因此，通过两者之间的误差作为修正的标准，从而提高在加工过程中的加工精度。

为了更好的对刀具的磨损程度和机床内的温度进行检测，同时减少检测误差带来的加工误差，本实施例中，检测模块包括视觉检测单元和红外检测单元，视觉检测单元对刀具磨损进行实时监测，红外检测单元实时检测机床内的温度，通过视觉检测单元和红外检测单元来分别对刀具的磨损程度和机床内的温度进行实时检测，从而减少由检测模块自身所带来的检测误差，从而避免对加工精度造成影响。

当参数优化模块在调整执行模块的执行参数时，如果此时的刀具磨损权重较大时，为了减少由于刀具磨损带来的加工误差，在一实施例中，还包括补偿模块，补偿模块根据分析模块的误差权重和检测模块的检测结果实时调整刀具在编程轮廓中的长度参数，当刀具的磨损所造成的误差已经超过加工的误差范围时，通过补偿模块来调整在编程轮廓中的刀具长度，从而修正后续的加工轮廓中刀具的位置，减少刀具磨损带来的加工误差。

为了让分析模块可以输出最佳的参数组合，从而实现对数控机床加工的精准控制，在一实施例中，多元回归模型中加工轮廓与编程轮廓之间的误差作为因变量，刀具的磨损程度和刀具在加工过程中的温度分别作为自变量，将上述两变量代入到回归模型中，对模型进行拟合，即确定每个误差因素的权重。而通过确定的权重值，可以对未知的数据进行预测，从而预测在不同误差因素组合下可能产生的误差结果，从而优化输出最佳参数组合。从而提高加工精度。

为了更好的通过对S形试件的加工来获得机床的动态误差，并通过对执行模块进行实时参数调整来减少机床的动态误差，在一实施例中，测量模块的测量项目包括S形缘条厚度误差、S形缘条凹痕、凸棱、振纹的局部缺陷和S形缘条轮廓误差，因为S形试件是一种类似于S字形的特殊加工零件，它有一个由两个弯曲平面组成的复杂形状，可以用来检测五轴机床在不同坐标轴上的动态误差。当S形试件在机床工作台上加工时，由于其形状特殊且曲率变化大，使得各个轴的误差都可以在加工过程中得到显示和记录，并且可以通过动态补偿软件进行修正。因此，通过检测S形缘条厚度误差、S形缘条凹痕、凸棱、振纹的局部缺陷和S形缘条轮廓误差可以达到机床在实际的加工过程中各个轴的误差，从而提高整体的加工精度。

而为了避免对S形试件进行检测过程中由于检测结果造成的误差而影响调整的参数值，在一实施例中，测量模块通过激光扫描S形试件获得工件的三维数据点转化为三维轮廓，通过激光扫描的方式来采集工件轮廓的三维数据点，再根据三维数据点来模拟出工件的三维加工轮廓；从而完成加工轮廓与编程轮廓之间的对比，得到两轮廓之间的误差，从而调整执行模块的执行参数。

同时激光扫描选使用相位式扫描仪，利用连续波激光器和相位测量技术来获取工件表面的点云数据。激光器发射出的连续波激光在碰到工件表面后会反射回来，再通过比较反射回来的激光波和参考激光波之间的相位差，可以计算出工件表面点到激光发射器的距离和角度信息，从而构建出工件的三维模型。测量与分析单元优选搭载GeomagicQualify软件来计算加工轮廓与编程轮廓之间的差异值。

而为了更好的调整执行模块中参数来提高加工精度时，在一实施例中，执行模块的执行参数包括机床直线轴的定位参数和旋转轴的坐标参数，其中机床的直线轴、旋转轴和主轴分别是机床的三个重要部件。

直线轴：直线轴是机床上线性运动的轴，通常包括X轴、Y轴和Z轴。它们通过线性导轨或滑块运动，实现加工工件的直线移动。直线轴经常面临热误差问题，主要原因是由于机床在工作时会产生热量，导致直线轴在一定程度上膨胀，影响了加工精度。旋转轴：旋转轴是机床上旋转运动的轴，包括A轴、B轴、C轴等。不同的旋转轴可以实现工件在不同方向上的旋转，使得机床可以进行多角度和多面向的加工。旋转轴同样面临热误差的问题，不过它们通常比直线轴影响较小。主轴：主轴是机床上最重要的部件之一，它可以实现工件的旋转加工。主轴通常通过磨合或精心加工，以达到精度要求。主轴的旋转速度和精度对加工质量和效率都有着非常重要的影响。在主轴的高速运转时同样会产生热量，但相对于直线轴和旋转轴，主轴的热误差更加微小。

因此，在对执行模块中的参数进行调整时，通过对机床直线轴的定位参数和旋转轴的坐标参数进行调整从而减少加工过程中产生的误差，使加工后的零件可以在误差范围内。

由于机床内的温度对直线轴的影响最大，同时也是对加工精度影响最大的参数，因此，为了进一步的减少由直线轴带来的加工误差，在一实施例中，还包括插补模块，插补模块根据测量模块的测量结果与分析模块的误差权重来调整执行模块中机床直线轴的执行参数，在数控系统根据输入的刀具轨迹和加工路径，对每个时间步长计算出各轴的位置，速度和加速度，并控制伺服系统精确地按照指定的路径移动时，让插补模块根据分析模块分析的误差权重来调整执行模块中机床直线轴的执行参数，从而进一步的减少由于直线轴受到温度的影响而造成的误差。

由于各个模块之间需要进行数据连接，而为了减少由于数据传输过程中因为延迟、网络波动等因素导致数据无法及时传输而影响加工精度，在一实施例中，CAM系统、检测模块、测量模块、执行模块、分析模块、补偿模块、插补模块和参数优化模块分别通过Modbus协议连接，Modbus协议的结构简单，易于实现和理解。它使用标准的CRC校验，保证了通信的可靠性，而且Modbus协议支持多种物理介质和通信方式，包括串口、以太网等，可以在不同平台和设备之间进行通信，同时Modbus协议支持主从模式和多点通信，可以实现多个设备之间的通信和协同工作。同时，它也支持多个寄存器的批量读写操作，提高了通信效率，因此，通过Modbus协议来完成数据的传输可以避免由于数据传输而造成的加工误差。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简洁修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种精密注塑模具加工的数控机床系统，其特征在于：包括CAM系统和与CAM系统通信连接的检测模块、测量模块、执行模块、分析模块和参数优化模块，所述CAM系统提供S形试件三维模型的编程轮廓，所述执行模块根据编程轮廓进行加工，所述测量模块测量S形试件的加工轮廓并进行记录，所述检测模块检测加工过程中刀具的磨损程度和温度，所述分析模块采用多元回归模型根据加工轮廓与编程轮廓之间误差和检测模块的检测结果进行分析并确定误差因素的权重，所述参数优化模块根据多元回归模型实时调整执行模块的执行参数；

所述多元回归模型中加工轮廓与编程轮廓之间的误差作为因变量，刀具的磨损程度和刀具在加工过程中的温度分别作为自变量；

所述测量模块的测量项目包括S形缘条厚度误差、S形缘条凹痕、凸棱、振纹的局部缺陷和S形缘条轮廓误差。

2.根据权利要求1所述的一种精密注塑模具加工的数控机床系统，其特征在于：所述检测模块包括视觉检测单元和红外检测单元，所述视觉检测单元对刀具磨损进行实时监测，所述红外检测单元实时机床内的温度。

3.根据权利要求2所述的一种精密注塑模具加工的数控机床系统，其特征在于：还包括补偿模块，所述补偿模块根据分析模块的误差权重和检测模块的检测结果实时调整刀具在编程轮廓中的长度参数。

4.根据权利要求1所述的一种精密注塑模具加工的数控机床系统，其特征在于：所述测量模块通过激光扫描S形试件获得工件的三维数据点转化为三维轮廓。

5.根据权利要求1所述的一种精密注塑模具加工的数控机床系统，其特征在于：所述执行模块的执行参数包括机床直线轴的定位参数和旋转轴的坐标参数。

6.根据权利要求5所述的一种精密注塑模具加工的数控机床系统，其特征在于：还包括插补模块，所述插补模块根据测量模块的测量结果与分析模块分析的误差权重来调整执行模块中机床直线轴的执行参数。

7.根据权利要求1所述的一种精密注塑模具加工的数控机床系统，其特征在于：所述CAM系统、检测模块、测量模块、执行模块、分析模块、插补模块和参数优化模块分别通过Modbus协议连接。