一种盐雕的立体雕刻加工设备和立体雕刻加工工艺的制作方法

本发明涉及数控雕刻加工，具体为一种盐雕的立体雕刻加工设备和立体雕刻加工工艺。

背景技术：

1、盐雕是以盐粉混合黏结剂压制或直接使用天然盐块为原料的工艺品，其材料特性表现为内部密度不均且整体具有较高的脆性，在立体雕刻加工中，现有的数控铣削设备依靠预先生成的固定轨迹代码进行材料去除作业，这类设备在监测切削状态时往往仅依赖单一的主轴负载电流，由于声学传感器、电流传感器与位置编码器的采样率差异，多源物理信号在时域上存在错位，系统无法实现底层数据的时间戳同步对齐，导致难以将切削阻力的突变与刀刃当前旋转的具体机械相位建立关联，从而无法推导出导致材料破裂的实际法向受力方向。

2、在遇到材料局部硬度突变或出现断裂前兆时，现有设备只能采取被动降低进给速度或直接停机的策略，由于数控系统缺乏空间干涉包络计算与刀尖点跟随的动态姿态干预模型，设备无法在保持原定刀尖平动轨迹不变的前提下，通过实时偏转刀具倾角来主动改变切削受力方向，这种静态的执行逻辑使得盐雕的细节轮廓与薄壁结构在切削应力集中时无法得到及时释放，最终导致加工件发生不可逆的崩边与断裂，降低制品的加工良率。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种盐雕的立体雕刻加工设备和立体雕刻加工工艺，解决了现有加工设备因缺乏多源物理状态同步感知与刀具姿态自适应补偿机制而导致脆性盐雕材料会发生崩边与断裂的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：本发明第一方面提供一种盐雕的立体雕刻加工设备，包括：控制解算模块、加工执行机构、状态感知模块以及同步采集模块；

3、控制解算模块用于向加工执行机构下发基础空间插补指令与基础转速指令；

4、加工执行机构包括五轴机械臂与电主轴，电主轴安装在五轴机械臂末端法兰处，且电主轴夹持有单刃硬质合金刀具，五轴机械臂用于接收基础空间插补指令与姿态偏转指令，电主轴用于接收基础转速指令、转速调整指令，共同执行空间轨迹运动并进入材料切削状态；

5、状态感知模块用于获取加工执行机构在切削状态中的频带弹性波信号、负载相电流序列与绝对机械角度；

6、同步采集模块用于对频带弹性波信号与负载相电流序列执行模数转换处理，并将其与呈离散数字信号形式的绝对机械角度执行时间戳对齐，生成异构数据序列；控制解算模块接收异构数据序列，对频带弹性波信号执行子带划分与能量积分运算得出切削状态能量指数，当切削状态能量指数高于安全阈值区间的上限时，从异构数据序列中的负载相电流序列中提取突变峰值，并提取与突变峰值对应的绝对机械角度作为断裂特征相位并正向映射为法向空间矢量，依据法向空间矢量与物理干涉极限边界解算目标姿态补偿角，向加工执行机构下发包含刀尖点跟随控制的姿态偏转指令，驱动加工执行机构偏转至目标姿态补偿角。

7、上述方案的创新原理在于：设备监测多源物理信号，将其转换为统一时域的异构数据序列，利用切削状态能量指数对材料的断裂风险进行量化评估，在能量指数超出安全上限时，通过提取断裂特征相位反推法向空间矢量，计算出避开断裂方向的补偿角度，在不改变刀尖平动轨迹的前提下调整刀具姿态倾角，形成加工补偿闭环，防止材料崩裂。

8、进一步的，状态感知模块内部包含声发射传感器、相电流传感器与编码器，所述声发射传感器安装于所述电主轴与所述五轴机械臂的结构结合面，所述相电流传感器串联接入所述电主轴的驱动电路中，所述编码器布置于所述电主轴的尾部。

9、进一步的，控制解算模块结合加工执行机构当前的插补切削深度及单刃硬质合金刀具的几何尺寸计算物理干涉极限边界，物理干涉极限边界构成单刃硬质合金刀具偏转的有效空间圆锥包络面，控制解算模块依据法向空间矢量在物理干涉极限边界的约束下计算出单刃硬质合金刀具轴线偏离法向空间矢量且不越过物理干涉极限边界的目标姿态补偿角。

10、通过计算圆锥包络面，避免刀具在偏转时与已加工表面或未加工毛坯发生物理干涉。

11、进一步的，控制解算模块向五轴机械臂下发姿态偏转指令驱动五轴机械臂偏转至目标姿态补偿角，单刃硬质合金刀具的刀尖点位置保持基础空间插补指令规定的平动轨迹跟进，待切削状态能量指数回落至安全阈值区间内后，控制解算模块控制五轴机械臂恢复基础空间插补指令对应的初始加工姿态。

12、进一步的，控制解算模块提取表征断裂特征的高频子带能量参量，计算高频子带能量参量与全频带总能量的比值得出当前插补周期的切削状态能量指数。

13、进一步的，当切削状态能量指数小于安全阈值区间的下限时，控制解算模块向电主轴发送转速调整指令用于控制电主轴在原有基础转速指令的基础上提升转速执行排屑动作；

14、当切削状态能量指数大于或等于安全阈值区间的下限且小于或等于安全阈值区间的上限时，控制解算模块维持发送基础空间插补指令与基础转速指令。

15、该控制逻辑通过转速调节改善切削排屑条件，防止盐粉堆积导致二次切削挤压。

16、进一步的，同步采集模块内部集成有现场可编程逻辑门阵列芯片并搭载恒温晶体振荡器，恒温晶体振荡器产生基础时钟节拍并输入至现场可编程逻辑门阵列芯片的内部锁相环中，现场可编程逻辑门阵列芯片基于基础时钟节拍分频生成多路具有相位锁定关系的同步触发脉冲，同步采集模块向多通道模数转换硬件并行分发同步触发脉冲并发执行采样动作获取频带弹性波信号与负载相电流序列，同时现场可编程逻辑门阵列芯片基于同步触发脉冲锁存绝对机械角度的信号，以建立统一的采样起始零点。

17、底层分频触发确立统一的时钟基准，实现高频弹性波信号与低频机械动作数据的时域同步。

18、进一步的，同步采集模块在现场可编程逻辑门阵列芯片内赋予离散数字信号绝对时间戳，采用低频基准对齐逻辑将频带弹性波信号向负载相电流序列的时间轴进行映射合并，将高频与低频采样率的固定正整数比值作为区间跨度并按照低频时间戳节点顺序乘以固定正整数比值确立高频数据的起止索引生成包含统一时域标签的数据矩阵。

19、进一步的，同步采集模块内部的数字信号处理器针对负载相电流序列采用有限长单位冲激响应低通滤波器滤除高频毛刺，针对频带弹性波信号执行阈值判定并剔除幅值超出量程物理极限的跳变坏点，清洗后的数据按照固定的帧头结构与校验位进行封装组合打包生成固定字节长度的异构数据序列发送至控制解算模块。

20、本发明第二方面提供一种盐雕的立体雕刻加工工艺，工艺包括以下步骤：

21、加工执行机构接收基础空间插补指令与基础转速指令进入切削状态；

22、在执行插补运动周期内，状态感知模块获取加工执行机构切削过程中的频带弹性波信号、负载相电流序列与绝对机械角度，同步采集模块建立具有相同时域基准的异构数据序列；

23、控制解算模块对异构数据序列中的频带弹性波信号执行子带划分与能量积分运算得出切削状态能量指数；

24、当切削状态能量指数低于安全阈值区间的下限时，控制解算模块发送转速调整指令；当切削状态能量指数处于安全阈值区间内时，控制解算模块维持发送基础空间插补指令与基础转速指令；当切削状态能量指数高于安全阈值区间的上限时，控制解算模块从负载相电流序列中提取突变峰值，并提取该突变峰值对应的绝对机械角度作为断裂特征相位正向映射为法向空间矢量，结合物理干涉极限边界解算目标姿态补偿角，发送包含刀尖点跟随控制的姿态偏转指令，驱动加工执行机构偏转至目标姿态补偿角完成当前周期的自适应补偿闭环。

25、本发明提供了一种盐雕的立体雕刻加工设备和立体雕刻加工工艺。具备以下有益效果：

26、1、本发明同步采集模块内部的现场可编程逻辑门阵列芯片和恒温晶体振荡器，对高频弹性波信号、低频相电流序列与绝对机械角度执行硬件级的脉冲边沿对齐，结合低频基准对齐逻辑生成包含统一时域标签的数据矩阵，克服多源物理量因采样率差异导致的时域错位缺陷，使切削阻力突变与主轴当前旋转相位能够精确对应，为后续加工状态的研判提供准确的数据支撑。

27、2、本发明利用控制解算模块计算切削状态能量指数以量化断裂风险，当能量指数超出安全上限时，提取电流突变对应的绝对机械角度并正向映射为法向空间矢量，配合刀尖点跟随控制，设备能够在保持原定切削轨迹不变的前提下，依据法向空间矢量主动偏转刀具倾角以改变切削受力方向，释放局部切削应力，防止盐雕脆性材料发生崩边或断裂。

28、3、本发明通过在执行刀具姿态补偿解算时，结合当前的插补切削深度与刀具几何尺寸，预先计算出构成刀具偏转空间圆锥包络面的物理干涉极限边界，将法向空间矢量置于该边界约束下解算目标姿态补偿角，确保五轴机械臂在带动刀具偏转卸力的过程中，刀具与电主轴不会与已加工表面或未加工毛坯发生机械碰撞，保障加工过程的设备安全性。