在一個(gè)由德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)事務(wù)和氣候保護(hù)部 (BMWK) 資助的中央創(chuàng)新計(jì)劃 (ZIM) 合作項(xiàng)目中，Picum MT GmbH和漢諾威萊布尼茨大學(xué)制造技術(shù)和機(jī)床研究所（IFW）正在共同研究，使用集成的自動(dòng)拋光工藝的機(jī)床加工模具。其目標(biāo)是在移動(dòng)加工中，基于給定的初始狀況，實(shí)現(xiàn)設(shè)定的粗糙度。

Picum MT開發(fā)用于加工大型復(fù)雜部件的移動(dòng)機(jī)床——主要服務(wù)于模具和特種機(jī)械制造領(lǐng)域。其高精度實(shí)現(xiàn)了模具制造中的范式轉(zhuǎn)變：不再將沉重的模具運(yùn)送到機(jī)床，而是將機(jī)床運(yùn)輸?shù)侥＞咛?。在模具維修和修改方面，Picum MT通過數(shù)字化、電弧焊和銑削已經(jīng)覆蓋了工藝鏈的大部分環(huán)節(jié)，現(xiàn)在他們也希望將拋光集成進(jìn)來以實(shí)現(xiàn)完整加工。

手動(dòng)拋光：成本高昂，不可重復(fù)

拋光作為工藝鏈的最后一步，決定了模具的表面質(zhì)量。通常，這一任務(wù)需要手動(dòng)進(jìn)行，這可能需要從幾小時(shí)到幾天不等的時(shí)間。此外，拋光結(jié)果也取決于具體的操作人員，因此不可重復(fù)。

現(xiàn)在，該工藝被集成到Picum MT的移動(dòng)機(jī)床中。拋光工具通過HSK刀柄安裝在機(jī)床的主軸上（圖1），因此可以像銑刀一樣進(jìn)行控制。用于拋光的NC代碼的創(chuàng)建方式類似于銑削。為此，待加工表面被數(shù)字化并導(dǎo)入CAD/CAM程序。生成刀具路徑，然后傳輸?shù)綑C(jī)床進(jìn)行精確加工。根據(jù)表面的幾何形狀，可以選擇不同的拋光工具并應(yīng)用不同的加工策略（刀具路徑）。

圖 1：移動(dòng)機(jī)床 Bart

獲取初始狀況

為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化并有針對(duì)性地設(shè)定表面質(zhì)量，不僅需要數(shù)字化初始狀態(tài)下的表面，還需要捕獲超出公差范圍的區(qū)域及其粗糙度。項(xiàng)目中，表面測量不是使用接觸式測量設(shè)備，而是借助Basler AG的工業(yè)相機(jī)進(jìn)行。一個(gè)僅學(xué)習(xí)了公差范圍內(nèi)圖像的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）會(huì)自動(dòng)識(shí)別出偏離公差范圍外的區(qū)域。同時(shí)，通過耦合另一個(gè)CNN，預(yù)測這些區(qū)域的粗糙度。這樣，工藝規(guī)劃就獲得了關(guān)于待加工區(qū)域及其粗糙度的精確信息。

圖 2：在移動(dòng)機(jī)器人上進(jìn)行自動(dòng)化拋光的驗(yàn)證結(jié)果，包含力和表面測量數(shù)據(jù)

圖 3：使用工業(yè)相機(jī)通過表面測量識(shí)別公差范圍外的區(qū)域

目標(biāo)是根據(jù)初始的工藝設(shè)定參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到所需的材料去除率（MRR），從而設(shè)定期望的粗糙度。通過機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）方法，可以根據(jù)選定的拋光工具、初始狀況和工藝設(shè)定參數(shù)來預(yù)測 MRR。隨后，通過逆向建模，可以為給定的粗糙度確定工藝設(shè)定參數(shù)、拋光工具和加工策略。利用這些參數(shù)可以對(duì)表面進(jìn)行加工。然而，在固定進(jìn)給量的情況下，由于拋光工具的柔性，無法保持恒定的拋光壓力。相反，拋光壓力會(huì)因工具的柔性而下降，從而導(dǎo)致材料去除不均勻。

過去的研究表明，恒定的壓力對(duì)于獲得均勻且高質(zhì)量的表面質(zhì)量是有利的。為此，需要從工藝設(shè)定參數(shù)計(jì)算得出的拋光壓力。由于拋光工具具有柔性，可以預(yù)測壓力下降并計(jì)算工具所需的補(bǔ)償進(jìn)給量。在此過程中，確定工具必須在哪些時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)一步進(jìn)給。因此，對(duì)CAM程序生成的N代碼進(jìn)行后期調(diào)整，在進(jìn)給量上添加一個(gè)偏移量。為避免碰撞，修改后的NC代碼最終在材料去除仿真軟件IFW CutS中進(jìn)行檢查。成功驗(yàn)證后，將優(yōu)化后的NC代碼傳輸?shù)綑C(jī)床上。

實(shí)現(xiàn)均勻去除

為了進(jìn)行驗(yàn)證，模擬實(shí)際使用情況銑削了一個(gè)工件表面，然后分別使用自適應(yīng)補(bǔ)償和不使用自適應(yīng)補(bǔ)償進(jìn)行拋光。目標(biāo)是將粗糙度 Rz從4µm降低到1.5µm。圖3顯示了拋光過程中的加工力數(shù)據(jù)。在沒有自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)那闆r下，法向力FN會(huì)因工具的柔性而下降；而通過額外的進(jìn)給補(bǔ)償，可以保持力恒定。形貌測量表明，可以達(dá)到所需的粗糙度。通過機(jī)械加工，還可以實(shí)現(xiàn)均勻的材料去除。

來源：榮格-《國際金屬加工商情》

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