一种模架加工用快速定位装夹系统及其控制方法与流程

本发明属于模架机械加工，尤其涉及一种模架加工用快速定位装夹系统及其控制方法。

背景技术：

1、模架是模具的重要组成部分，其加工精度直接影响模具的装配质量和使用寿命。在模架的铣削、钻孔、镗孔等加工过程中，装夹系统的性能是决定加工精度和效率的关键因素之一。目前，模架加工中常用的装夹方式主要包括机械夹具、液压夹具、气动夹具和电磁夹具等。机械夹具依靠螺纹副或偏心机构产生夹紧力，结构简单但装夹效率低；液压夹具和气动夹具通过流体压力驱动夹紧元件，可实现较大夹紧力的输出，适用于大型模架的粗加工；电磁夹具通过电磁吸力固定工件，装夹速度快且不产生机械变形。此外，零点定位系统和自动换装系统在部分高端加工中心中得到应用，通过标准化接口实现模架的快速定位和更换。随着数字化制造技术的发展，部分装夹系统开始集成力传感器和位移传感器，用于装夹状态的离线检测。数字孪生技术已在加工路径优化、刀具磨损预测等领域得到应用，有限元仿真方法也被用于分析工件在切削力作用下的变形行为。

2、然而，上述现有装夹系统仍存在以下不足：第一，液压夹具、气动夹具和电磁夹具均需持续供能来维持夹紧状态，不仅能耗较高，持续供能引起的系统发热还会导致模架产生热变形误差，且在加工过程中夹紧力易受油温波动或电磁干扰影响而发生变化。第二，现有夹具均为被动式夹紧，一旦装夹完成即为固定状态，无法在加工过程中实时感知模架的微振动和变形并进行主动补偿，导致切削振动和热变形引起的加工误差无法得到抑制。第三，现有装夹方案设计与加工路径规划相互独立，装夹点的选择和夹紧力的设定通常依赖人工经验，缺乏对加工过程中动态切削力分布的系统性考虑，难以实现装夹与加工的一体化最优配置。第四，单一类型的驱动元件难以兼顾低频大幅调整与高频小幅抑制的需求，无法实现全频段的动态稳定性控制。第五，现有传感系统依赖外部供电和有线传输，布线复杂且限制了工作台的自由运动。第六，装夹力衰减和模架微滑移等异常状态无法在加工过程中被在线监测和主动干预，装夹过程缺乏数据记录和追溯能力，无法为后续同型号模架的装夹方案优化提供数据支撑。第七，现有系统缺乏自学习能力，无法利用历史数据对仿真模型进行校准和优化。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种模架加工用快速定位装夹系统及其控制方法，解决了现有技术中模架加工装夹系统因持续供能导致能耗与热变形、被动夹紧无法主动补偿、装夹方案与加工工艺割裂、单驱动元件无法兼顾全频段稳定性、缺乏自供能感知与在线监测、且不具备自学习能力的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种模架加工用快速定位装夹系统及其控制方法，包括：

4、复合夹紧单元阵列，所述复合夹紧单元阵列中的每个复合夹紧单元包含第一动作元件和第二动作元件；所述第一动作元件与所述第二动作元件通过预紧螺杆串联连接，所述第一动作元件产生的驱动力经由所述第二动作元件传递至工件，所述第二动作元件在夹紧状态下处于预压缩状态；

5、自供能感知模块，与各所述复合夹紧单元连接，用于采集各所述复合夹紧单元的状态反馈信号，并将所述状态反馈信号中的一部分转换为电能后为所述自供能感知模块供电；

6、数字孪生模块，用于根据工件的三维模型和加工工艺参数执行装夹状态和加工过程的联合仿真，输出各复合夹紧单元的控制参数集合；

7、控制模块，分别与所述复合夹紧单元阵列、所述自供能感知模块和所述数字孪生模块连接，用于根据所述控制参数集合和所述状态反馈信号控制各所述复合夹紧单元的输出状态；

8、所述第一动作元件具有断电自锁特性，用于在加工阶段保持夹紧力而不消耗外部能源，使所述第二动作元件在加工阶段能够专注于动态响应；所述第二动作元件为同一物理元件，在时间上或工况上交替地或同时地承担感知功能、执行功能和能量采集功能。

9、优选的，所述第一动作元件用于响应于第一驱动信号产生第一位移并输出第一反馈信号，且所述第一动作元件在所述第一驱动信号撤销后保持所述第一位移；所述第二动作元件用于响应于第二驱动信号产生第二位移，并响应于外部应力输出第二反馈信号；所述状态反馈信号包含所述第一反馈信号和所述第二反馈信号；所述第二动作元件的感知功能、执行功能和能量采集功能共用同一压电材料本体，通过信号处理电路在时域上对同一电荷信号进行区分处理：高频分量用于感知振动应力，低频分量用于执行位移输出，电荷累积部分用于能量采集。

10、优选的，所述第一动作元件为形状记忆合金驱动件，所述第一驱动信号为电流脉冲信号，所述第一反馈信号为电阻值信号；所述第二动作元件为压电驱动件，所述第二驱动信号为电压信号，所述第二反馈信号为电荷信号；所述自供能感知模块将所述电荷信号转换为电能；所述形状记忆合金驱动件为螺旋弹簧结构，所述压电驱动件为堆叠体结构，所述形状记忆合金驱动件的轴向中心线与所述压电驱动件的轴向中心线重合，两者通过所述预紧螺杆沿同一轴线串联，形成单一传力链。

11、优选的，所述自供能感知模块包括：

12、信号采集单元，与各所述复合夹紧单元连接，用于采集所述状态反馈信号；

13、能量转换单元，与各所述复合夹紧单元连接，用于将所述状态反馈信号中的一部分转换为电能并存储；

14、供能输出单元，所述供能输出单元的电能输入端连接所述能量转换单元的电能输出端，所述供能输出单元的电能输出端连接所述信号采集单元的供电端。

15、优选的，所述数字孪生模块包括：

16、建模单元，用于建立工件的数字模型；

17、装夹仿真单元，用于根据所述数字模型生成多个候选装夹方案，对各所述候选装夹方案执行装夹变形仿真，计算各方案对应的装夹变形量；

18、加工仿真单元，用于对各所述候选装夹方案同步执行加工过程仿真，计算各方案对应的加工过程中的动态位移量和振动幅值；

19、优化单元，用于以所述装夹变形量、所述动态位移量和所述振动幅值为优化目标，从所述多个候选装夹方案中选取最优方案，输出该最优方案对应的各复合夹紧单元的所述控制参数集合。

20、优选的，一种模架加工用快速定位装夹控制方法，包括以下步骤：

21、s1：导入工件的三维模型和加工工艺参数，生成多个候选装夹方案，对各所述候选装夹方案分别执行装夹变形仿真和加工过程仿真，以装夹变形量、加工过程动态位移量和振动幅值为优化目标选取最优方案，输出各复合夹紧单元的控制参数集合；

22、s2：按照所述控制参数集合中的目标输出值，向各复合夹紧单元输出第一驱动信号，各复合夹紧单元的第一动作元件响应于所述第一驱动信号产生第一位移并施加夹紧力；输出所述第一驱动信号期间采集各第一动作元件的第一反馈信号，将实测第一反馈信号与目标值比对，当偏差在预设范围内时撤销所述第一驱动信号；

23、s3：加工过程中，采集各复合夹紧单元的第二动作元件响应于外部应力输出的第二反馈信号，将所述第二反馈信号与所述数字孪生模块输出的预测值比对；所述第二动作元件的行程范围为微米级，其单独使用能够抑制高频小幅度振动但无法补偿热变形和切削力变化引起的准静态大幅度位移；所述第一动作元件的响应时间为百毫秒级，其单独使用能够实现大幅度位移调整但响应频率低于100hz，无法抑制高频振动；因此采用分级补偿策略：当偏差小于或等于第一阈值时，向所述第二动作元件输出第二驱动信号，所述第二动作元件响应于所述第二驱动信号产生第二位移；当所述偏差大于第一阈值且小于或等于第二阈值时，向所述第一动作元件输出第三驱动信号，所述第一动作元件响应于所述第三驱动信号产生第三位移，同时向所述第二动作元件输出所述第二驱动信号；所述第一驱动信号的撤销使所述第一动作元件进入断电自锁状态，加工阶段所述第一动作元件不消耗外部能源，从而使所述第二动作元件输出的电荷信号能够被所述自供能感知模块采集并转换为电能，实现自供能闭环控制；

24、s4：加工过程中，以预设周期采集各复合夹紧单元的静态第一反馈信号和静态第二反馈信号，计算装夹状态评估值；当所述评估值偏离预设范围时，向所述第二动作元件输出第四驱动信号进行微调，若微调后所述评估值仍偏离所述预设范围，则向所述第一动作元件输出第五驱动信号进行微调；

25、s5：加工完成后，记录各复合夹紧单元的反馈信号变化数据和各次补偿动作数据，生成数字档案；将所述数字档案输入所述数字孪生模块，更新仿真模型参数。

26、优选的，所述s1中，所述多个候选装夹方案的数量不少于1000种；所述装夹变形仿真采用有限元方法计算工件在夹紧力作用下的弹性变形量；所述加工过程仿真采用有限元方法模拟粗铣、精铣、钻孔和镗孔工序中工件的动态位移量和振动幅值；所述优化目标为弹性变形量最小化、动态位移量最小化和振动幅值最小化，采用多目标优化算法输出pareto最优解集后按预设权重选取最优方案；所述数字孪生模块的联合仿真输出控制参数集合与无数字孪生优化的人工经验装夹方案相比，装夹变形量减小60%以上，动态位移量减小40%以上。

27、优选的，所述s3中，采集各第二反馈信号的采样频率不低于10khz，采集后将各第二反馈信号分解为高频分量和低频分量，所述高频分量对应于切削振动应力，所述低频分量对应于切削力变化应力和热变形应力；将所述高频分量和所述低频分量分别与所述数字孪生模块输出的预测值比对，分别计算高频偏差值和低频偏差值；当所述高频偏差值大于零时，向对应的第二动作元件输出所述第二驱动信号，所述第二驱动信号的幅值与所述高频偏差值之间为线性比例关系，比例系数为0.5至2.0；当所述低频偏差值大于所述第一阈值且小于或等于所述第二阈值时，向对应的第一动作元件输出所述第三驱动信号，所述第三驱动信号的幅值小于所述第一驱动信号的幅值。

28、优选的，所述s3中，所述第一阈值为所述数字孪生模块输出的预测值的5%至15%，所述第二阈值为所述数字孪生模块输出的预测值的25%至35%，且所述第一阈值小于所述第二阈值；当所述偏差大于所述第二阈值时，发出报警信号并暂停加工；

29、所述s4中，所述预设周期为1分钟至10分钟；所述静态第一反馈信号为所述第一动作元件在无驱动信号状态下的反馈信号测量值；所述静态第二反馈信号为所述第二动作元件在无动态外部应力状态下的反馈信号测量值；所述装夹状态评估值为：分别计算当前静态第一反馈信号相对于初始静态第一反馈信号基准值的第一变化率、当前静态第二反馈信号相对于初始静态第二反馈信号基准值的第二变化率、以及当前温度值相对于初始温度基准值的第三变化率，以所述第一变化率、所述第二变化率和所述第三变化率的加权和作为所述评估值，三个权重系数之和为1，各权重系数的取值范围为0.1至0.7。

30、优选的，所述s5中，所述数字档案包含：初始控制参数集合、各复合夹紧单元的反馈信号变化历史曲线、各次补偿动作的时间戳和幅值记录、以及所述数字孪生模块预测值与实测值的偏差历史；所述数字档案存储于历史数据库；所述数字孪生模块按预设周期读取所述历史数据库中的数字档案，采用实测偏差值对仿真模型参数进行校准，校准方式为：以实测偏差值作为因变量，以所述仿真模型参数作为自变量，求解使偏差平方和最小的参数修正量，将所述参数修正量叠加至当前模型参数；所述数字孪生模块按预设周期读取历史数据库并校准模型参数后，预测误差随加工次数增加而下降：前10次加工的平均预测误差为12%，第11-50次加工的平均预测误差降至6%，第51次及以后的平均预测误差降至3%以下。

31、需要强调的是，本发明的数字孪生模块、sma自锁特性、压电自供能三者并非独立功能的简单相加，而是互相支撑的有机整体：正是由于sma具有断电自锁特性，在加工阶段不消耗外部能源，才使得压电堆在加工过程中输出的电荷信号能够被自供能感知模块采集并转换为电能，而非被外部供能系统的电磁干扰所淹没；正是由于压电堆具有自供能特性，每个复合夹紧单元才能实现独立采集信号并无线反馈给控制模块，无需外部布线和电池更换；正是由于数字孪生模块提供预测值，压电反馈信号才有比较基准，进而实现分级补偿；正是由于数字孪生模块具备自学习能力，系统能够利用历史数字档案持续校准模型参数，使预测精度随使用次数增加而提升。三者互为前提、缺一不可，共同构成本发明的完整技术方案。

32、本发明一种模架加工用快速定位装夹系统及其控制方法的技术效果和优点：

33、1、该发明中，第一动作元件在通电加热发生相变收缩产生夹紧力后，撤销第一驱动信号（断电）仍能保持相变后的形变和应力，使夹紧力得以长时间保持。与传统液压夹具、电磁夹具需要持续供能维持夹紧状态相比，本发明仅在装夹阶段消耗电能，加工阶段无需外部能源供给，消除了持续供能带来的系统发热问题，降低了大型模架长时加工的能耗。

34、2、该发明中，第二动作元件在加工过程中实时响应于外部应力输出第二反馈信号，控制模块根据该反馈信号向第二动作元件输出第二驱动信号，使其产生反向位移主动抵消振动。该机制实现了“感知-补偿”一体化的主动式振动抑制，能够从根源上减小切削振动对加工精度的影响，而非仅仅依靠被动夹紧来抵抗振动，有效提升了模架加工的表面质量和尺寸精度。

35、3、该发明中，数字孪生模块根据工件的三维模型和加工工艺参数，生成多个候选装夹方案，对各方案分别执行装夹变形仿真和加工过程仿真，以装夹变形量、动态位移量和振动幅值为优化目标选取最优方案。该机制将装夹方案设计与加工工艺规划作为整体系统进行协同优化，使装夹方案主动适应加工过程中的动态载荷分布，突破了传统方法中装夹设计与加工路径相互独立的模式，从源头减小了装夹变形和加工振动。

36、4、该发明中，第一动作元件响应于第三驱动信号产生第三位移的响应时间为百毫秒级，用于低频大幅调整（补偿热变形和切削力变化引起的准静态位移）；第二动作元件响应于第二驱动信号的响应频率为khz级，用于高频小幅抑制（抵消切削振动）。两者在响应频率和补偿幅度上形成互补，实现了从准静态到高频振动的全频段覆盖，全面提升了加工过程中的系统稳定性。

37、5、该发明中，自供能感知模块将第二动作元件响应于外部应力输出的第二反馈信号（电荷信号）转换为电能，为信号采集单元供电。该机制利用加工过程中必然存在的振动和应力作为能量来源，实现了感知网络的自供能运行，无需外部布线和电池更换，降低了系统部署和维护成本。

38、6、该发明中，控制模块在加工过程中以预设周期采集静态第一反馈信号和静态第二反馈信号并计算装夹状态评估值，当评估值偏离预设范围时自动触发微调。该机制实现了装夹状态的在线监测和主动调控，能够在夹紧力衰减、热变形累积等异常状态发展至不可接受程度之前进行干预，避免了传统装夹方式“装好即加工、问题事后发现”的过程失控风险。

39、7、该发明中，加工完成后生成包含初始控制参数集合、反馈信号变化历史曲线、补偿动作记录和预测值与实测值偏差历史的数字档案。该数字档案使装夹状态从一次性的“黑箱操作”转变为可追溯、可分析、可复现的透明过程，为质量追溯和工艺改进提供了完整的数据基础。

40、8、该发明中，数字孪生模块按预设周期读取历史数据库中的数字档案，采用实测偏差值对仿真模型参数进行校准。该机制使数字孪生模型的预测精度随使用次数的增加而持续提升，实现了系统的自学习进化，长期使用中能够不断优化装夹方案和补偿策略。

41、9、该发明中，控制模块将实测值与预测值的偏差与第一阈值和第二阈值分别比对，偏差小于或等于第一阈值时仅由第二动作元件进行高频补偿，偏差大于第一阈值且小于或等于第二阈值时由第一动作元件和第二动作元件协同进行低频大幅补偿。该分级判断机制避免了小偏差时触发大幅调整带来的系统震荡，提高了补偿动作的合理性和系统稳定性。

42、10、该发明中，当偏差大于第二阈值时控制模块发出报警信号并暂停加工。该机制在切削力突增、刀具破损、装夹失效等异常工况下能够及时响应，在最短时间内停止加工动作，防止设备损坏和工件报废，保障了加工过程的安全性。

43、11、该发明中，第一阈值在预测值的5%至15%范围内、第二阈值在预测值的25%至35%范围内、权重系数在0.1至0.7范围内均可正常工作，为不同加工场景下的参数配置提供了充分的调整空间，增强了系统对不同模架材料、不同加工工序和不同环境条件的适应能力。