CN101201612A - 用于数控系统的外挂式优化方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于数控系统的外挂式优化方法和装置，方法包括以下步骤：实时采集数控系统的主轴运行功率；如果主轴运行功率低于预定负荷率，则请求提高进给速率；如果主轴运行功率高于预定负荷率，则请求降低进给速率；以及根据请求调控数控系统的进给速率。本发明提高了数控系统的加工效率，提高了加工的安全性。

Description

用于数控系统的外挂式优化方法和装置

技术领域

本发明涉及数控加工领域，具体而言，涉及一种用于数控系统的外挂式优化方法和装置。

背景技术

各种数控设备的生产效率一直是制造业关心的重要价值指标，如何提高数控设备的加工效率变得越来越重要。

通常，数控系统都会有一个额定运行功率，对于数控系统的数控加工编程，应当保证数控机床在切削加工的整个过程中，任何时刻都不应该发生超负荷运行的情况。

在切削加工过程中，由于工件加工余量不一致、工件材质不均匀、刀具不断磨损、切削力随机变化及外界加工干扰等多方面因素的影响，使得切削条件不断发生变化。然而，在现有的数控系统中，尽管加工条件有很多变化，但设定的进给速率却是保持不变的。为了保证数控机床的安全运行，使其进给速率在最恶劣加工条件下的运行功率峰值不超过额定功率，将由此得到的最低速率设定为系统的恒定进给速率。

即，数控机床的每步走刀都按程序编定的恒定进给速度进行。所以，例如其刀具在加工硬度较软的材料时，运行功率较低；当加工硬度较软的材料时，由于保持进给速度不变，导致运行功率会较高。因此，在整个加工过程中，其运行功率是变化剧烈的功率曲线，并且系统的进给速率始终是按照保证运行功率不超过额定功率的最低安全速率运行。这会降低数控系统的加工效率。

图1示出了现有技术的数控系统加工负荷的曲线图，其中横轴是时间轴，纵轴是负荷轴。该数控系统的额定功率是30kw，其整个加工过程包括t0到te共8个工序。在每个工序，加工条件会发生较大的变化，但由于其进给速率保持一定，所以每个工序的功率会发生较大的变化，具体功率如下：

工序	t0	T1	T2	T3	T4	T5	T6	Te
									功率	3	10	28	2	17	10	25	10

因此，上述的加工过程的加工效率为：

效率＝((3+10+28+2+17+10+25+10)/10)/30＝35％

这种常规数控系统的加工效率仅仅为35％，显然有待提高。

发明内容

本发明提供了一种用于数控系统的外挂式优化方法和装置，以解决现有数控系统加工效率较低的问题。

在本发明的实施例中，提供了一种用于数控系统的外挂式优化方法，包括以下步骤：实时采集数控系统的主轴运行功率；如果主轴运行功率低于预定负荷率，则请求提高进给速率；如果主轴运行功率高于预定负荷率，则请求降低进给速率；以及根据请求调控数控系统的进给速率。

通过上述外挂式优化方法，保证了主轴运行功率始终接近数控系统可以正常运行的安全功率，所以提高了数控系统的加工效率。

在本发明的实施例中，还提供了一种用于数控系统的外挂式优化装置，包括：采集模块，用于实时采集数控系统的主轴运行功率；请求模块，用于如果主轴运行功率低于预定负荷率，则请求提高进给速率；如果主轴运行功率高于预定负荷率，则请求降低进给速率；以及调控模块，用于根据请求调控数控系统的进给速率。

通过上述外挂式优化装置，保证了主轴运行功率始终接近数控系统可以正常运行的安全功率，所以提高了数控系统的加工效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了现有技术的数控系统加工负荷的曲线图；

图2示出了根据本发明实施例的外挂式优化方法的流程图；

图3示出了采用本发明实施例的数控系统的加工负荷曲线图；

图4示出了根据本发明实施例的外挂式优控系统的示意图；

图5示出了根据本发明实施例的外挂式优化装置的方框图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

图2示出了根据本发明实施例的外挂式优化方法的流程图，包括以下步骤：

步骤S10：实时采集数控系统的主轴运行功率；

步骤S20：根据该报告请求调整进给速率，即，如果主轴运行功率低于预定负荷率，则请求提高进给速率；如果主轴运行功率高于预定负荷率，则请求降低进给速率；以及

步骤S30：根据该请求调控数控系统的进给速率。

与现有技术相比，该实施例增加了对进给速率的控制。在本实施例中，数控系统的进给速率不再限定于保证系统安全运行的最低速率；而是动态地调整进给速率，使数控系统的负荷效率尽可能饱满，例如始终保持60～90％。

例如，当某个工序的加工材料较软，且加工动作较小，导致通过数控系统的内部接口报告此时的运行功率较低时，实时地发出请求，以调高数控系统的进给速率，从而提高运行功率，使负荷效率保持60～90％；当某个工序的加工材料较硬，且加工动作较大，导致通过数控系统的内部接口报告此时的运行功率较高时，实时地发出请求，以降低数控系统的进给速率，从而降低运行功率，使负荷效率保持60～90％。

为了保证实时性，可以通过安装于数控系统上的传感器实时采集数控系统的主轴运行功率。也可以接收机床主轴驱动单元负荷监测输出信号，大多数情况下这些信号在主轴驱动单元上是现成的，有时甚至可以在操作控制面板的负荷表上取得这一信号。

发送的请求的内容可以为进给倍率；通过发布低的进给倍率值，来请求降低进给速率；通过发布高的进给倍率值，来请求提高进给速率。步骤S30将数控系统的进给速率调控到进给倍率的基本速率。例如发送进给倍率为120％，则将进给速率调控到1.2倍基本速率；发送进给倍率为0，则停止进给；发送进给倍率为150％，则将进给速率调控到1.5倍基本速率。

为了提高调控的实时性，可以采用所用型号数控系统的专用指令进行调控。

步骤S30可以利用神经网络算法，采取自学习的方式，逐渐逼近到最优进给速率，并利用数控系统调节机床的进给倍率来达到调速的目的。由于机械的切削加工过程是一个具有高度非线性、时变、随机干扰严重、不确定性的复杂动态过程，基于被控过程精确数学模型的传统自适应控制技术很难对其进行有效控制。人工神经网络技术(人工神经网络是由大量的、功能比较简单的形式神经元互相连接而构成的复杂网络系统，用它可以模拟大脑的许多基本功能和简单的思维方式。它可以通过学习来获取外部的知识并存贮在网络内，可以解决计算机不易处理的难题，特别是语音和图像的识别、理解、知识的处理、组合优化计算和智能控制等一系列本质上是非计算的问题)其体现了人在控制活动中的高度自适应、自组织和自学习的能力，可以不依赖被控过程的数学模型来处理不确定性、不精确的知识，对复杂被控过程能取得满意的控制效果，并且简化计算量，更好的满足实时性控制的要求。利用神经网络技术根据机械的切削加工过程，构造出合理的神经网络模型，通过对加工过程实时情况的不断学习，优化和调整神经网络模型中的权值，使其值逐渐稳定，使得速率输出逐渐逼近到满足预定负荷率的最优进给速率。

上述实施例尤其可以应用在工件的粗加工或半粗加工中，而在精加工中一般采用监测加工的模式，并起保护刀具的作用。例如，根据采集数据的变化，监控刀具的磨损情况，出现过载情况时进行报警提示。

例如，可以从数控系统中实时采集主轴的功率，进给速率，转速等信息，在加工的同时，根据采集数据的变化，监控刀具的磨损情况，出现过载情况时进行报警提示，以保护刀具。

例如，可以从数控系统中实时采集主轴的负载功率，进给速率等信息，神经网络利用这些采集的信息进行学习，调节其中的权值，逐渐优化输出的速率，根据当前的进给速率和优化的进给速率计算出需要设定的进给倍率；在加工的同时，根据采集数据的变化，以及刀具和加工材料的信息，同样利用神经网络算法，监测刀具的磨损情况，并在出现过载情况时进行报警提示，以保护刀具。

另外，现有技术数控机床的每步走刀都按程序编定的恒定进给速度进行，往往使得切削过程偏离了最佳状态，从而导致加工精度下降或各种加工故障频繁出现。本发明实施例的动态调整进给速率还有利于提高加工精度和减少加工故障。

另外，还可以实时采集数控系统的各移动轴运行功率；如果移动轴运行功率低于预定负荷率，则请求提高进给速率；如果移动轴运行功率高于预定负荷率，则请求降低进给速率；以及根据请求调控数控系统各移动轴的进给速率。这有利于提高各移动轴的加工效率。

图3示出了采用本发明实施例的数控系统的加工负荷曲线图。如图3所示，采用本发明实施例的数控系统的运行功率始终接近额定功率30kw，所以加工效率较高。

另外，本发明实施例还可以采用CNC(Computer NumericalControl，计算机数控)系统预处理功能的步骤。图4示出了根据本发明实施例的外挂式优控系统的示意图，该系统可以用来与任何数控机床连接，包括：

传感器采集移动轴电机负荷信息和主轴电机负荷信息；

嵌入式设备(内置CAXA机床监测及加工过程优控软件)负责优控系统的主轴功率的测量，进给倍率的控制以及走刀参考号的识别等电气上信号的处理。

该嵌入式设备通过接口控制数控系统，包括通过I/O口控制急停信号，通过RS232/485/422或RJ45通信，通过I/O口控制进给倍率。

根据具体的机床结构，嵌入式设备通常装在机床操作员控制面板里面，或者装在机床的电气控制柜中。嵌入式设备构成了系统与NC和机床的接口。这种电气安装不需要任何专门的传感器。

其工作原理是：

1.能够启动和停止优控系统工作。

2.接收机床主轴驱动单元负荷监测输出信号(大多数情况下这些信号在主轴驱动单元上是现成的，有时甚至可以在操作控制面板的负荷表上取得这一信号)或采用传感器采集，利用自己的专门算法根据这种信号值计算出相应力矩。

3.根据机床的参数设置，给机床提供模拟或数字的进给倍率输出信号。

4.根据机床的参数设置，给机床提供急停输出信号。

该技术使CNC系统提前读入多个程序段，对加工运行轨迹进行插补，并预先计算出各程序段的进给速度及加速度，然后送到多段缓冲器，以保证当运行时刀具能够按一定的速度高速运动。这就是所谓的“前瞻控制”。这样可以减小由于加减速和伺服滞后引起的跟随误差，刀具在高速下比较精确地跟随程序指令的零件轮廓，使加工精度提高。其中预读控制包括以下功能：插补前的直线加减速；拐角自动降速等功能。本发明优控系统所具备的“前瞻预处理”，便于优控系统提前掌握轨迹走势。

该技术主要适用于加工过程中进给速率发生变化时的加减速以及拐角降速的情况，提高了加工精度，减轻了由于骤然速度变化对机床的冲击。

另外，本发明实施例还可以采用CAM(Computer AidedManufacturing，计算机辅助制造)软件对加工轨迹进行优化。

该实施例使用CAM软件按照高进给，高转速，低切削量的基本原则，合理规划出刀具路径及对切削参数进行一定的优化处理，并综合考虑加工路径，所选择的加工材料，刀具，加工过程中的切削量预先计算出加工过程中各段的进给率，使刀具具有较恒定的切削负荷，以达到提高加工效率的要求。当某一刀路切除率高时就会适当的降低切削进给率，反之适当的增加切削进给率，空切时加大到机床的最大进给率，这样可以有效的均匀切削负荷。

图5示出了根据本发明实施例的外挂式优化装置的方框图，包括：

采集模块10，用于实时采集数控系统的主轴运行功率；

请求模块20，用于如果主轴运行功率低于预定负荷率，则请求降低进给速率；如果主轴运行功率高于预定负荷率，则请求降低进给速率；以及

调控模块30，用于根据请求调控数控系统的进给速率。

通过上述外挂式优化装置，保证了主轴运行功率始终接近数控系统可以正常运行的安全功率，所以提高了数控系统的加工效率。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

本发明的一个优势在于实时性，根据实时反馈的各加工参数，动态调节进给率，充分发挥刀具的切削效率。

本发明由于采用外挂式，所以适用于任何数控机床，有较强的通用性。

本发明大大提高了工件粗加工或半粗加工的效率，使得切削过程始终保持在最优状态，减少了加工的时间，并且有效的保护了刀具，减轻了对刀具的磨损，减轻了机床超负荷情况下对机床硬件伤害。

本发明实施例的动态调整进给速率还有利于提高加工精度和减少加工故障。

另外，采用本发明需提前告知加工的刀具和材料信息，但由于自适应算法由专门硬件处理，所以响应调速时间可能更短。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于数控系统的外挂式优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

实时采集所述数控系统的主轴运行功率；

如果所述主轴运行功率低于预定负荷率，则请求提高进给速率；如果所述主轴运行功率高于预定负荷率，则请求降低进给速率；以及

根据所述请求调控所述数控系统的进给速率。

2.根据权利要求1所述的外挂式优化方法，其特征在于，通过安装于数控系统上的传感器实时采集所述数控系统的主轴运行功率。

3.根据权利要求1所述的外挂式优化方法，其特征在于，所述请求的内容为进给倍率；通过发布低的进给倍率值，来请求降低进给速率；通过发布高的进给倍率值，来请求提高进给速率。

4.根据权利要求3所述的外挂式优化方法，其特征在于，根据所述请求调控所述数控系统的进给速率具体包括：

将所述数控系统的进给速率调控到所述进给倍率的基本速率。

5.根据权利要求1所述的外挂式优化方法，其特征在于，根据所述请求调控数控系统的进给速率具体包括：

采用数字量或模拟量控制数控系统的倍率调整开关调控进给倍率，以调控所述进给速率。

6.根据权利要求1所述的外挂式优化方法，其特征在于，根据所述请求调控数控系统的进给速率具体包括：

利用神经网络算法，采取自学习的方式，逐渐逼近到满足预定负荷率的最优进给速率。

7.根据权利要求6所述的外挂式优化方法，其特征在于，还包括：实时采集所述数控系统的各移动轴运行功率；

如果所述移动轴运行功率低于预定负荷率，则请求提高进给速率；如果所述移动轴运行功率高于预定负荷率，则请求降低进给速率；以及

根据所述请求调控所述数控系统各移动轴的进给速率。

8.根据权利要求1所述的外挂式优化方法，其特征在于，还包括：

根据采集数据的变化，监控刀具的磨损情况，出现过载情况时进行报警提示。

9.根据权利要求1所述的外挂式优化方法，其特征在于，还包括：

预先根据加工条件规划刀具的进给速率，使期望的主轴运行功率保持恒定。

10.一种用于数控系统的外挂式优化装置，其特征在于，包括：

采集模块，用于实时采集所述数控系统的主轴运行功率；

请求模块，用于如果所述主轴运行功率低于预定负荷率，则请求提高进给速率；如果所述主轴运行功率高于预定负荷率，则请求降低进给速率；以及

调控模块，用于根据所述请求调控所述数控系统的进给速率。

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