CN107145129A - 一种双代码联合作用的数控加工控制方法 - Google Patents

一种双代码联合作用的数控加工控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于数控加工相关技术领域，其公开一种双代码联合作用的数控加工控制方法，其包括以下步骤：(1)在数控加工准备阶段或者离线过程中，根据G代码计算刀具轨迹的几何特征信息，以生成第二加工代码；(2)在加工前的代码载入阶段，数控系统同时载入所述G代码及所述第二加工代码；(3)在加工运行阶段，所述数控系统同步解析所述G代码的位置信息及所述第二加工代码中与当前所述G代码的位置信息相匹配的刀具轨迹的几何特征信息，并将所述刀具轨迹的几何特征信息合并到所述G代码经解析所生成的程序数据结构中，以优化加工过程的速度及加速度控制。上述数控加工控制方法在不增加成本的条件下改善数控系统的运动控制性能，提高质量和效率。

Description

一种双代码联合作用的数控加工控制方法
技术领域
本发明属于数控加工相关技术领域，更具体地，涉及一种双代码联合作用的数控加工控制方法。
背景技术
数控加工的G&M代码程序文件遵循ISO 6983标准，但ISO 6983标准中的运行指令仅包含简单圆弧和直线，小线段依然是复杂曲面加工中比较通用的刀具轨迹表达方式；要保证好的加工品质，数控系统需要根据刀具轨迹的几何属性进行速度规划(如需要根据形状变化处的曲率以显示大曲率处的进给速率，以满足机床的加速约束和轮廓轨迹的精度)；然而数控系统中的计算又必须保证实时性，要求算法不能太复杂，必须把算法的时间消耗控制在很低的水平，这就使得数控系统只能从邻近少量点的位置坐标估算该点的曲率。由于CAM软件从零件的CAD模型生成刀具路径时存在计算和控制公差，因此数控系统仅用少量点的位置坐标计算该点的切线方向、曲率等几何属性时，计算结果的准确性难以保证，即采用邻近少量点的位置坐标估算该点曲率的算法对误差的变化会比较敏感，如图1所示，由于每个点都存在误差，三点(邻近少量点)计算曲率半径的精确度劣于五点(邻近多点)计算曲率半径的精确度。
为了解决上述问题，本领域相关技术人员已经做了一些研究，如欧洲的一些企业和研究机构提出了包括三维几何信息、刀具信息、制造特征和工艺信息等全部信息的STEP-NC标准。STEP-NC标准相对于ISO 6983标准引入了特征描述(槽、型腔、孔和平面等)并采用EXPRESS语言进行编程，因此需要使用STEP-NC文件的信息提取与解析器取代G代码编译解析器以及采用EXPRESS编程语言，这种方式与传统基于G代码的编程软件和数控系统都很难兼容，至今都未能实际推广应用。又如某些系统为提高加工的速度和精度，使用了性能更好的处理器，如西门子802D sl及以上版本的数控系统均支持程序段压缩器功能COMPCAD，使用G指令的COMPCAD可以对CAD/CAM的程序进行优化，如此虽然提升了加工的质量和效率，但是COMPCAD功能需要更高的数控系统配置才能使用，限制了使用范围，且增加了使用成本。相应地，本领域存在着发展一种成本较低且灵活性较高的数控加工控制方法的技术需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种双代码联合作用的数控加工控制方法，其基于现有数控系统速度规划的特点，针对数控加工控制方法进行了设计。所述数控加工控制方法在不改变现有G代码的格式和语法的条件下，增加了一个包含刀具轨迹几何属性信息的第二加工代码，以在数控加工过程中提供更加准确的刀具轨迹几何特征信息用于优化加工过程的速度及加速度控制，进而解决复杂曲面加工过程中一些需要宏观分析和计算的几何属性信息在强实时性的环境下难以精确计算的问题，同时将基于机床历史数据的机床优化和补偿信息用于提升机床的抗振性和稳定性，由此解决在数控加工过程中由于变形、磨损和振动导致的加工质量下降的问题。此外，所述数控加工控制方法通过较少的计算消耗(代码的译码与合并)，实现了更优的加工控制，同时保留了传统的G代码处理方式，以能够兼容现有的编程软件和数控系统。
为实现上述目的，本发明提供了一种双代码联合作用的数控加工控制方法，其包括以下步骤：
(1)在数控加工准备阶段或者离线过程中，根据G代码计算刀具轨迹的几何特征信息，以生成第二加工代码；
(2)在加工前的代码载入阶段，数控系统同时载入所述G代码及所述第二加工代码；
(3)在加工运行阶段，所述数控系统同步解析所述G代码的位置信息及所述第二加工代码中与当前所述G代码的位置信息相匹配的刀具轨迹的几何特征信息，并将所述刀具轨迹的几何特征信息合并到所述G代码经解析所生成的程序数据结构中，以优化加工过程的速度及加速度控制。
进一步地，所述刀具轨迹的几何特征信息包括曲率半径及切线方向信息。
进一步地，所述第二加工代码的生成方式有三种，三种方式分别为：(1)采用含有第二加工代码生成模块的CAM软件在生成所述G代码的同时生成所述第二加工代码；(2)将所述G代码导入含有第二加工代码生成模块的第三方软件以生成所述第二加工代码；(3)由所述数控系统中的第二加工代码生成模块在加工准备阶段生成所述第二加工代码。
进一步地，所述第二加工代码包含四类信息，四类信息分别为：(1)检测和所述G代码是否匹配的检验信息；(2)数控加工用到的刀具轨迹的几何特征信息；(3)与所述G代码建立的映射关系的对应关系信息；(4)关于机床的优化和补偿信息。
进一步地，所述数控系统根据所述第二加工代码的行号信息建立起所述第二加工代码与所述G代码之间的映射关系。
进一步地，所述数控系统使用所述第二加工代码及所述G代码同步加工，加工运行的界面上只显示所述G代码的内容。
进一步地，所述数控系统保存生成的所述第二加工代码，以避免下次重新生成所述第二加工代码。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的双代码联合作用的数控加工控制方法主要具有以下有益效果：
(1)第二加工代码采用离线生成的方式，在离线计算的过程中不需要满足实时性的苛刻要求，因此可以采用更多次迭代或者利用更大范围内的位置信息以将刀具轨迹的几何属性计算的更准确；
(2)第二加工代码中包含了复杂的刀具轨迹特征信息，数控加工的过程中这些信息直接通过第二加工代码解析读取，无需实时性计算，节省了数控系统计算的时间，满足强实时性的要求且不需要更换性能更好的处理器，降低了成本，拓宽了使用范围；
(3)使用第二加工代码不需要更换解析器，不需要使用其他的编程语言，在数控系统加工的过程中数控界面显示的内容依然为G代码，便于机床操作人员设置断点进行调试，同时对于机床的操作人员不需要由于更换解析器和编程语言而重新学习一门新的语言，降低了使用要求及整体加工控制周期；
(4)采用离线生成第二加工代码的方式，离线生成可以由一台电脑或者一个服务器生成多组需要进行加工的第二加工代码，相对于每一个数控系统更换解析器或者更换性能更好的处理器，其成本更低；
(5)通过较少的计算消耗(代码的译码与合并)，实现了更优的加工控制，同时保留了传统的G代码处理方式，以能够兼容现有的编程软件及数控系统，灵活性较高，且控制简单；
(6)所述第二加工代码中包含了基于零件加工过程历史数据的有关机床特性的优化和补偿信息，提升了加工的精度和机床的切削稳定性。
附图说明
图1是现有技术中的采用邻近少量点的位置坐标估算该点曲率的示意图。
图2是本发明较佳实施方式提供的双代码联合作用的数控加工控制方法涉及的三种第二加工代码生成方式的流程示意图。
图3是图2中的双代码联合作用的数控加工控制方法涉及的第二加工代码与G代码同步运行的示意图。
图4是采用图2中的双代码联合作用的数控加工控制方法的一实例的流程示意图。
图5是本发明较佳实施方式提供的双代码联合作用的数控加工控制方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解析本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图2、图3及图5，本发明较佳实施方式提供的双代码联合作用的数控加工控制方法，其包括以下步骤：
步骤一，在数控加工准备阶段或者离线过程中，根据G代码计算刀具轨迹的几何特征信息及其他有助于提高加工效果的信息，以生成第二加工代码。所述第二加工代码被保存下来，使得一个数控加工代码文件的第二加工代码只需要计算生成一次即可。具体地，根据零件加工过程的历史数据计算得到有关机床响应特性的优化和补偿信息，将刀具轨迹的几何特征信息及计算得到的优化和补偿信息保存起来，以形成所述第二加工代码；根据刀具轨迹的几何特征生成所述第二加工代码的方式有三种：第一种为采用含有第二加工代码生成模块的CAM软件在生成所述G代码的同时生成所述第二加工代码；第二种为将所述G代码导入含有所述第二加工代码生成模块的第三方软件以生成所述第二加工代码；第三种为由数控系统中的第二加工代码生成模块在加工准备阶段生成所述第二加工代码。
通过第一种方式或者第二种方式生成的所述第二加工代码可以通过云端合作或者其他方式导入数控系统，所述数控系统会保存生成的所述第二加工代码，以避免下次重新生成所述第二加工代码。
所述第二加工代码包含四类信息，具体为：1.检测和所述G代码是否匹配的检验信息；2.数控加工用到的刀具轨迹特征信息(曲率、切线方向)；3.关于机床的优化和补偿信息；4.与所述G代码建立的映射的对应关系信息(程序段行号)。
本实施方式中，所述第二加工代码的格式如下：
校验信息
对应关系信息刀具轨迹特征信息
对应关系信息刀具轨迹特征信息
………
对应关系信息刀具轨迹特征信息
现以下面的一个实例来说明所述第二加工代码：
Date 2016/12/15/13/52/50
N1 R15vec[0.7071，0.7071，0]
N2 vec[0.7001，0.7001，0.1400]
N3 vec[0.6917，0.6917，0.2075]
N4 vec[0.6917，0.6917，0.2075]
.....
N20 R5vec[0.7071，0.7071，0]
其中，单词Date所接的一排数字和字符为校验信息(此例以和所述第二加工代码进行匹配的G代码的最后修改时间作为校验信息)，字母N所接的数字为行号信息，R所接的数字表示曲率半径，vec所接的是当前点的切线方向所表示的单位向量，曲率半径和切线方向为刀具轨迹特征信息。如以上的例子，其中校验信息为G代码的最后修改时间即2016年12月15日13点52分50秒，由于曲率半径属于模态信息，所以从第一行至第19行的曲率半径均为15mm，第二十行的曲率半径为5mm。
步骤二，在加工前的代码载入阶段，数控系统同时载入所述G代码及所述第二加工代码。具体地，可以在所述数控系统中设置开关来决定是否使用所述第二加工代码，在加工前的代码载入阶段，如果所述开关打开，则所述数控系统同步载入所述第二加工代码；如果所述开关关闭，则所述数控系统只载入所述G代码，如华中8型数控系统通过设置第二加工代码使能参数来决定是否使用第二加工代码，其中参数设置为1为使用第二加工代码，则在加工前的代码载入阶段，华中8型数控系统同步载入所述第二加工代码；参数设置为0为不适用第二加工代码，则在加工前的代码载入阶段，数控系统只载入G代码。
步骤三，在加工运行阶段，所述数控系统同步解析所述G代码的内容及所述第二加工代码中与所述G代码被解析出来的内容相匹配的内容，并将所述第二加工代码中的刀具几何特征信息合并到所述G代码解析所生成的程序数据结构中，以优化加工过程的速度及加速度控制。具体地，所述数控系统根据所述第二加工代码的行号信息建立起所述第二加工代码与所述G代码之间的映射关系，然后同步解析所述G代码的位置信息和所述第二加工代码与所述位置信息相匹配的刀具轨迹几何特征信息(曲率半径、切线方向信息)，合并出附加有刀具轨迹复杂几何属性信息的数据结构，进而利用更为精准的数据信息来优化加工过程的速度及加速度控制；同时，所述第二加工代码中的优化和补偿信息能够提升加工的精度和机床的切削稳定性。
所述数控系统根据提供的基于机床历史数据的机床优化和补偿信息来提升机床的加工精度和切削稳定性，其中提供热补偿信息和刀具磨损补偿信息来提升加工的精度，优化系统的动态特性来增强系统的抗负载扰动的能力，提升了机床的切削稳定性。
所述数控系统使用所述第二加工代码及所述G代码同步加工，但是加工运行的界面上只显示所述G代码的内容，这样当加工程序出现问题时，方便操作人员设置断点调试分析。当然，某些数控系统使用NURBS曲线插补加工，因此数控系统的界面上显示的是NURBS曲线的控制点，所以无法准确的将断点设置在需要调试的位置上。
请参阅图4，以下以一个实例来进一步说明本发明。数控系统生成的所述第二加工代码的文件后缀名为.INC，所述第二加工代码与所述G代码具有相同的名称，此数控系统生成所述第二加工代码及同步运行的步骤如下：
1.将所述G代码导入所述数控系统，并打开副代码使用开关，即将所述第二加工代码使能参数设置为1(设置为1表示使用所述第二加工代码加工，设置为0表示不使用所述第二加工代码加工)。
2.加载所述G代码到所述数控系统，在加载所述G代码的同时检测是否有和当前所述G代码相匹配的所述第二加工代码。具体地检测包括以下两个方面：所述第二加工代码与所述G代码的命名是否一致；所述第二加工代码中的校验信息与所述G代码的最后修改时间是否一致。
3.如果检测到了所述第二加工代码与所述G代码匹配，则可以直接同步运行。如果所述第二加工代码与所述G代码不匹配，所述数控系统会检测当前所述G代码的后缀名是否为.HNC，如果为.HNC，则所述数控系统会自动生成所述第二加工代码，否则需要用户手动点击按钮“副代码”手工生成所述第二加工代码。所述第二加工代码与所述G代码同步加工运行，同时所述数控系统会保存所生成的所述第二加工代码，以避免下次重新生成所述第二加工代码。
本实例中，以G代码的最终修改信息作为校验信息，以行号信息作为对应关系信息，并在数控系统加工的过程中提供了当前点的切线方向和当前点的曲率半径两种刀具轨迹几何特征信息；在数控加工的过程中，数控系统可以直接从第二加工代码中读取这两种刀具轨迹特征信息，避免了对这两种复杂信息的实时计算。
本发明提供的双代码联合控制的数控加工控制方法，其在不改变现有G代码的格式和语法的条件下，增加了一个包含刀具轨迹几何属性信息的第二加工代码，以在数控加工过程中提供更加准确的刀具轨迹几何特征信息用于优化加工过程的速度及加速度控制，进而解决复杂曲面加工过程中一些需要宏观分析和计算的几何属性信息在强实时性的环境下难以精确计算的问题。此外，所述数控加工控制方法通过较少的计算消耗(代码的译码与合并)，实现了更优的加工控制，同时保留了传统的G代码处理方式，以能够兼容现有的编程软件和数控系统。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双代码联合作用的数控加工控制方法，其包括以下步骤：
(1)在数控加工准备阶段或者离线过程中，根据G代码计算刀具轨迹的几何特征信息，以生成第二加工代码；
(2)在加工前的代码载入阶段，数控系统同时载入所述G代码及所述第二加工代码；
(3)在加工运行阶段，所述数控系统同步解析所述G代码的位置信息及所述第二加工代码中与当前所述G代码的位置信息相匹配的刀具轨迹的几何特征信息，并将所述刀具轨迹的几何特征信息合并到所述G代码经解析所生成的程序数据结构中，以优化加工过程的速度及加速度控制。
2.如权利要求1所述的双代码联合作用的数控加工控制方法，其特征在于：所述刀具轨迹的几何特征信息包括曲率半径及切线方向信息。
3.如权利要求1-2任一项所述的双代码联合作用的数控加工控制方法，其特征在于：所述第二加工代码的生成方式有三种，三种方式分别为：(1)采用含有第二加工代码生成模块的CAM软件在生成所述G代码的同时生成所述第二加工代码；(2)将所述G代码导入含有第二加工代码生成模块的第三方软件以生成所述第二加工代码；(3)由所述数控系统中的第二加工代码生成模块在加工准备阶段生成所述第二加工代码。
4.如权利要求1-2任一项所述的双代码联合作用的数控加工控制方法，其特征在于：所述第二加工代码包含四类信息，四类信息分别为：(1)检测和所述G代码是否匹配的检验信息；(2)数控加工用到的刀具轨迹的几何特征信息；(3)与所述G代码建立的映射关系的对应关系信息；(4)关于机床的优化和补偿信息。
5.如权利要求4任一项所述的双代码联合作用的数控加工控制方法，其特征在于：所述数控系统根据所述第二加工代码的行号信息建立起所述第二加工代码与所述G代码之间的映射关系。
6.如权利要求1-2任一项所述的双代码联合作用的数控加工控制方法，其特征在于：所述数控系统使用所述第二加工代码及所述G代码同步加工，加工运行的界面上只显示所述G代码的内容。
7.如权利要求1-2任一项所述的双代码联合作用的数控加工控制方法，其特征在于：所述数控系统保存生成的所述第二加工代码，以避免下次重新生成所述第二加工代码。
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