CN102081376A - 一种基于指令序列优化的加工负荷控制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于指令序列优化的加工负荷控制系统，其结构为：参数设置模块主要用于设置加工参数、加工约束条件、加工零件的CAD数据和加工代码，提供零件的几何模型和加工指令序列代码数据，生成相应的参数文件；学习模块学习零件加工指令序列对应的切削负荷、振动和加工精度，生成包含参数设置信息和本模块学习结果的数据文件，为分析模块提供切削负荷、振动和加工精度信息；分析模块用于完成确定有待优化的位置和加工指令序列代码，并进行图形化显示表示有待优化的位置和加工指令序列代码；优化模块对加工指令序列进行优化，生成新的加工指令序列代码，并统计分析，生成优化后的加工指令序列代码文件。本发明能够在现有条件下实现高精度加工。

Description

一种基于指令序列优化的加工负荷控制系统

技术领域

本发明涉及数控机床加工负荷控制技术领域，具体是一种基于指令序列分析的嵌入数控系统的加工负荷控制系统。

背景技术

数控机床是一种高效的自动化加工设备，它严格按照加工程序，自动对被加工工件进行加工，把从数控系统外部输入的直接用于加工的程序称为数控加工程序，它是一系列加工指令序列的集合，数控加工程序表示了数控机床要完成的全部动作。

由于目前的数控加工程序在设计编写时，只基于加工零件的几何轮廓特征，是加工轨迹的几何信息表达，没有考虑数控机床的机电系统动态特性和机床本身的能力，因此，在实际的加工过程中，由于切削力过大，易导致机床实际加工轮廓与实际的轮廓有误差、加工振动剧烈，严重可能导致加工不稳定，加工无法进行。

而在实际的加工过程中，由于数控机床是无法改变，为了保证加工精度要求，最大限度地发挥机床的能力，因此需要对加工过程进行控制。在此方面的研究主体主要是大学和企业。学校的成果主要集中在控制方法和监测手段方面，由于缺乏较强的工业应用背景，无法在实验室模拟工业现场各种突发工况，使得研究的技术成果与工业应用还存在一定的差距。而企业，主要从应用的角度出发，提出了一些可行的方法，并开发了一系列的商用产品，实时对加工过程中振动、切削力进行实时监测，一旦振动和负荷过大，提示操作者，甚至直接对控制机床的加工，让机床停止加工，如德国的Artist，以及国外高档机床上集成了类似的功能，如米克朗五轴加工中心，MAZAK的高档车铣加工中心；还有的系统，能实时监测加工过程中的负荷，调整切削参数，实时控制加工过程中的负荷，具有快速的响应特性，能对切入、切出和刀具碰撞等情况进行监测，保护刀具，提高加工效率，如以色列Omative公司开发的优铣、优车控制系统，该系统的功能已集成于西门子和法拉克的高档数控系统，已成为其选择功能模块，该公司申请了一系列国际专利，其中自适应控制车床操作与系统申请了中国专利申请(99811978.4)，该专利申请中主要介绍了车削自适应控制算法。西安交通大学也提出了实时误差补偿方法及其装置(CN87100136)。前述方法主要特点和存在问题：

(1)大部分技术没有与数控系统进行集成。

(2)智能性差，无法自动确定适应机床、刀具以及工件的工况，需要人工参与程度大。

(3)即使实现了与数控系统集成，但由于数控系统资源的约束，而且监控技术与数控系统厂商分别是两家公司，技术保密的原因，导致无法做到最佳整合，难保证加工过程监控的实时性。

(4)成本高。

发明内容

本发明旨在克服已有技术的不足，提供一种基于指令序列优化的加工负荷控制系统，该系统可以在现有条件下实现高精度加工。

本发明提供的一种基于指令序列优化的加工负荷控制系统，其特征在于，该系统包括参数设置模块、学习模块、分析模块以及优化模块；

参数设置模块主要用于设置加工参数、加工约束条件、加工零件的CAD数据和加工指令序列代码，提供零件的几何模型和加工指令序列代码数据，设置完毕后生成相应的参数文件；将其中的零件几何和加工指令序列代码传送给学习模块，将零件几何、加工参数、加工指令序列代码和指标分别传送给分析模块和优化模块，为分析模块和优化模块提供评判标准和优化指标；

学习模块学习零件加工指令对应的切削负荷、振动和加工精度，并生成既包含参数设置信息和本模块学习结果的数据文件，为分析模块提供切削负荷、振动和加工精度信息，这些信息与加工指令序列代码和零件几何特征相对应；

分析模块用于完成确定有待优化的位置和加工指令序列代码，并进行图形化显示表示有待优化的位置和加工指令序列代码，并提供给优化模块；

优化模块根据分析模块输出的分析结果和参数模块设定的优化目标，对加工指令序列进行优化，生成新的加工指令序列代码，并统计分析，显示优化后的结果，并生成优化后的加工指令序列代码文件。

本发明建立了一种基于指令序列优化的加工负荷控制系统，并嵌入至数控系统。该系统通过试切零件，学习加工该零件的相关加工负荷和振动信息，根据优化策略数据库中的规则，优化加工指令序列代码，控制负荷，使得负荷和振动在设定范围内，保证加工精度，保护刀具和机床。

传统的数控机床在进行数控加工过程，它首先通过数控编程，将G代码输入到数控系统中，随后G代码进入解释器、插补器生成控制电机运动的插补当量，输入到伺服单元中，通过伺服驱动系统控制电机按照数控加工编程所要求的位移进行速度控制。理想的情况下，数控机床将按照G代码的要求加工出满足要求的工件，同时机床也处于良好的工作状态。但是由于机床在实际工作中，由于负载、加工状态改变，机床本身非线性的影响，必然导致最后机床实际加工过程中出现影响加工质量现象发生，如加工振动，刀具易磨破损，最易出现此类现象的情况如切入、切出，切削余量大的位置以及加工拐角处(曲率较大的位置)。针对在大批量生产的条件下，加工零件比较固定，加工零件的毛坯质量较为稳定，切削负荷是工艺系统的重要输入，导致各种复杂响应(振动、变形)，影响加工质量，本发明提出一种基于数控指令序列的切削负荷控制方法，应用于加工工艺参数相对稳定的精加工、半精加工中，能有效解决上述问题。其基本思想：本发明针对具体的零件，通过零件试切，实时测量加工过程中工况信息，直接获取由机床本身的伺服驱动提供的加工负荷信息，如电流和功率，并配合外加加速度传感器。记录整个加工过程中信号，提取特征，对比分析设定的加工要求，包括精度和振动以及切削力要求，确定存在问题的加工位置和加工指令序列，分析导致与设定加工要求存在误差的原因，从优化策略数据库中选择相应的优化策略，优化相应的加工指令序列，控制切削负荷的大小和频率，使得加工负荷适应机床、刀具、工件以及夹具的特性，实现在现有条件下的高精度加工。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图；

图2是学习模块流程图；

图3是分析模块流程图；

图4是优化模块流程图。

具体实施方式

本发明系统首先通过学习加工大批量加工的某一零件的工况特征和精度，其中工况信息包括切削负荷和振动，在学习过程中，嵌入数控系统学习模块要实时获取对应的加工指令，采集指令运行时对应的加工负荷、振动，同时在线获取或者离线获取(人工输入)相关零件几何位置的加工精度，系统自动确定零件几何位置对应的加工指令代码。

然后，分析加工零件精度与实际加工精度的误差以及振动特征，寻找存在问题的加工位置，确定影响精度和导致振动的原因，并自动确定相应的加工指令序列代码。

最后，根据原因采取相应的切削负荷优化策略，优化加工指令序列代码，改变加工参数，控制切削负荷。实际加工此类零件时按照优化后的加工指令序列代码进行，当优化后的加工指令序列代码还不能满足要求，再重复步骤1-3，直到满足加工要求为止，然后可以固化该零件的加工指令序列代码，无需再进行优化。

当零件和工艺系统任何要素改变，需要重新进行学习和优化，确定实验相应工艺系统特性的加工指令序列代码。

如图1所示，本发明提供的基于指令序列分析的嵌入数控系统加工负荷控制与优化系统包括参数设置模块1，学习模块2，分析模块3以及优化模块4。

参数设置模块1主要用于设置加工参数、加工约束条件、加工零件的CAD数据和加工代码，为分析模块3和优化模块4提供评判标准、优化指标，为其他三个模块提供零件的几何模型和加工指令序列代码数据，设置完毕后生成相应的参数文件。

主要设置加工此零件的振动约束、切削负荷约束、精度约束、加工参数、零件CAD数据文件、加工指令序列代码文件。其中加工参数具体包括工件材料、主轴转速、进给速度等等，这些参数用于后面学习模块和分析模块的数据处理和分析。设置完毕后生成相应的参数文件。

学习模块2主要完成采集相关数据，学习零件加工指令对应的切削负荷、振动和加工精度，并生成既包含参数设置信息和本模块学习结果的数据文件，为分析模块提供切削负荷、振动和加工精度信息，这些信息与加工指令序列代码和零件几何特征相对应。

如图2所示，学习流程为：首先，分别导入零件的几何信息以及对应的加工指令代码。实时获取机床的实际坐标，判断机床是否启动加工。一旦机床开始启动加工指令进行加工，实时获取负荷信息(如机床伺服驱动的功率、扭矩电流信息)以及附加加速度信号。由于有些零件的加工时间很长，如果保存所有原始数据，需要的存储空间太大，同时，还包含一些噪声，因此，有必要对加工过程获取的数据进行预处理，去高频噪声，一段时间内用几个特征来表征(切削负荷用平均功率、平均扭矩电流、扭矩电流方差和振动信号方差)。本模块通过对一定时间内的数据进行处理，作为该段时间内的加工状态的表征，每种信号对应一个特征。同时这些特征与对应加工指令代码和零件的几何特征相对应。加工完后，如果机床配有相应的在线测量设备，可在线测量零件加工精度(特别是零件精度要求严格、影响使用性能和装配的关键位置)，否则，也可通过人工测量关键位置的精度，这些精度数据也要与加工零件几何模型的对应，系统再根据几何模型，自动确定相关指令代码，在设计数据结构中要考虑数据的对应问题，保证它们之间对应关系。学习过程中获取的数据为下一步分析提供数据资源。学习完毕后生成学习数据文件。

分析模块3主要完成确定有待优化的位置和加工指令序列代码，并进行图形化显示表示有待优化的位置和加工指令序列代码。本模块为优化模块提供有待优化的加工指令序列代码信息、原因以及对应的零件位置，并生成即包含参数设置信息和本模块的分析结果的分析文件。

如图3所示，分析流程为：通过学习模块，获取相关的加工状态信息(负荷信息，振动信息)与加工精度信息，根据参数设置模块设置的精度要求、振动指标要求，对比分析相关对应位置的精度，计算设定指标与实际测量值之间的误差，根据误差，确定有待优化的指令序列。分析监测负荷超出变化的原因，了解加工轨迹对加工负荷的影响，特别在曲率波动较大位置，分析切削负荷的变化。根据零件本身的结构模型，建立刚度分析模型，分析在监测的负荷下零件的变形和振动，对比测量精度和振动数据，确定导致误差的原因。当误差过大时，分析在监测的加工负荷下加工轨迹，可确定产生误差的原因是主要包括两个方面的原因：一是切削负荷过大；二是力的作用方向不合理。当振动过大时，主要原因包括三个方面，一是切削负荷过大，可通过频域分析，首先判断振动频率是否跟机床的运动部件转动频率一致；其次，分析频率是否跟齿频率一致，确定是否是强迫振动还是颤振。分析完毕后，保存分析后的结果，图形显示有待优化位置，点击优化的位置，可根据操作者要求显示相应加工指令序列和导致加工结果的原因。分析完毕后生成分析数据文件。

优化模块4根据分析模块输出的分析结果和参数模块1设定的优化目标，对程序进行优化，生成新的加工指令序列代码，并统计分析，显示优化后的结果，并生成优化后的加工指令序列代码文件。

本发明方法的基本思想是考虑了机床参数后，对数控加工指令序列进行优化，实现良好的数控加工。如图4所示，优化流程为：它首先读取由前面分析模块输出的分析结果文件(数据)，了解导致加工结果的原因，从优化策略数据库中找到相应的优化策略，优化相应的加工指令序列，优化策略数据库可以根据在解决加工问题中获取的经验，同时，操作者自行添加相应问题的解决策略，丰富优化策略数据库的优化规则，常见的优化策略在本控制系统的优化策略数据库中已建立。例如，在加工拐角位置时，一般存在轴过象限的问题，易引起较大的误差，而且，曲率大后，导致切削热不易散发，切削力也大，已导致刀具磨损和破损，影响加工精度，因此，在拐角处，一般需要对其连续轨迹进行离散，分段约束其进给速度，控制切削力，甚至在过象限位置，需要进行加速度控制；在某些位置，并不是在曲率较大位置，如果切削负荷较大，由于进给速度是影响切削力的重要因素，可调整进给速度，控制切削力；当由于力的作用方向不当，导致误差过大时，可通过优化轨迹(走刀方向)和刀具的姿态。当振动超出设定的指标时，根据前面分析的结果，采取相应的优化策略，如当振动主要是强迫振动，可采取改变进给、切深和切宽等参数来进行控制切削负荷，但为了尽量减少对工艺的影响，主要以调整进给速度为主；当颤振时，主要通过改变主轴转速来优化加工指令序列代码；优化完毕后，生成优化加工指令序列代码文件。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种基于指令序列优化的加工负荷控制系统，其特征在于，该系统包括参数设置模块(1)、学习模块(2)、分析模块(3)以及优化模块(4)；

参数设置模块(1)主要用于设置加工参数、加工约束条件、加工零件的CAD数据和加工指令序列代码，提供零件的几何模型和加工指令序列代码数据，设置完毕后生成相应的参数文件；将其中的零件几何和加工指令序列代码传送给学习模块(2)，将零件几何、加工参数、加工指令序列代码和指标分别传送给分析模块(3)和优化模块(4)，为分析模块(3)和优化模块(4)提供评判标准和优化指标；

学习模块(2)学习零件加工指令序列对应的切削负荷、振动和加工精度，并生成既包含参数设置信息和本模块学习结果的数据文件，为分析模块(3)提供切削负荷、振动和加工精度信息，这些信息与加工指令序列代码和零件几何特征相对应；

分析模块(3)用于完成确定有待优化的位置和加工指令序列代码，并进行图形化显示表示有待优化的位置和加工指令序列代码，并提供给优化模块(4)；

优化模块(4)根据分析模块(3)输出的分析结果和参数模块(1)设定的优化目标，对程序进行优化，生成新的加工指令序列代码，并统计分析，显示优化后的结果，并生成优化后的加工指令序列代码文件。

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